基于OBE的“機械設計”課程教學方法研究

羅曉蘭 陳建義 張仕民

【摘要】OBE是一種導向教育或需求教育的教育理念，它對指導目前的“新工科”教育具有深遠的指導意義。以工科院校必修的“機械設計”課程為平臺，通過融合工程設計所涉及的各門學科的相關(guān)知識，以工程項目或真實科研項目為驅(qū)動，拓寬學生工程設計所必需的的知識面;以建立工程設計模型為主線，推出工程設計一般思路和方法，并利用多媒體等多種手段，通過簡單設計外推至復雜工程問題和設計類比法等措施，培養(yǎng)學生未來工作所需的工程設計思路和工程設計思維，以滿足新形勢下的機械設計人才培養(yǎng)要求。

【關(guān)鍵詞】OBE?機械設計課程?專業(yè)認證?教學方法

OBE（Outcome based education）是由Spady等在1981年提出的一種導向教育或需求教育的教育理念。這種教育理念很好地與《華盛頓協(xié)議》中“工程教育認證”標準相契合，因此，OBE教育理念對工程教育具有綱領(lǐng)性的指導意義。

當前，以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)為特點的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，以“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略的正式實施，使得我國高等工程教育迎來了難得的發(fā)展時機且也面臨著各種挑戰(zhàn)。“機械設計”課程是培養(yǎng)機械工程類專業(yè)學生通用機械設計能力的主干技術(shù)基礎(chǔ)課，是學習專業(yè)課程和從事機械產(chǎn)品設計的必備基礎(chǔ)，是與工程設計、機械制造和機械自動化等多門學科關(guān)聯(lián)的綜合性課程。但是，目前的“機械設計”課程教學中還存在很多問題，特別是在蓬勃發(fā)展的新技術(shù)到來之時，需要學習的新知識、新科目繁多，造成“機械設計”課程教學學時減少;而且學生在接觸“機械設計”課程之前，對“機械”“機構(gòu)”“傳動”等概念非常陌生，使得學生對“機械”或“機構(gòu)”的運動分析難以理解;同時，欠缺的工程意識和工程思維，使得第一次接觸繁雜的設計公式和眾多的設計圖表感到束手無策，等等。這些問題都為“機械設計”課程的教學質(zhì)量帶來了挑戰(zhàn)。為此，開展基于OBE的以工作需求為導向的“機械設計”課程教學方法研究，達到滿足“工程教育認證”標準的人才培養(yǎng)要求具有深刻的現(xiàn)實意義。

一、打破學科界限，融合工程設計基礎(chǔ)知識

“機械設計”肩負著為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和促進技術(shù)改造的重任。深海水下石油開采所用的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設計、新材料新裝備的高端制造機床的設計制造等高科技產(chǎn)品，無一能離開機械設計。由此可見，在新形勢、新工科培養(yǎng)中，“機械設計”課程仍然具有非常重要的地位。然而，“機械設計”又不是一門獨立的課程，它與“理論力學”“材料力學”“機械制造”“公差配合”“工程材料”等諸學科有著密切的聯(lián)系。因此，要培養(yǎng)學生的機械設計能力，首先培養(yǎng)學生工程思維和工程意識，建立能夠通過設計規(guī)范、設計標準、設計圖表完成滿足傳動機構(gòu)設計要求的工程設計能力。為此，必須在“機械設計”課程教學中，打破學科界限，一方面，補充工程材料相關(guān)知識，特別是新標準下工程材料知識;另一方面，將機構(gòu)設計與“材料力學”“公差配合”等知識緊密融合，并強調(diào)工程制造在機械結(jié)構(gòu)設計中的重要性，突出設計無止境，設計無標準答案的工程思維。

由此，“機械設計”課程教學可以通過工程案例或真實的科研項目為驅(qū)動，通過學生小組討論、老師指導形成設計圖紙或設計報告;或老師重點、難點講解，利用舉一反三的方式，培養(yǎng)學生通過設計條件進行工程設計的能力。比如，在講解齒輪設計時，引入科研項目“水下連接器”中的二次鎖緊螺栓的擰緊問題為驅(qū)動，引導學生學習“錐齒輪”工程應用和工程設計方法。這種教學方式，一方面，將課本知識與科研項目緊密結(jié)合，使學生有目的的學習課程知識，從而激發(fā)學生學習的熱情;另一方面，可以拓寬學生的視野，形成創(chuàng)新的思維，并在“錐齒輪”的設計中，完成根據(jù)設計條件，正確選擇材料、熱處理方式的訓練，培養(yǎng)合理應用設計規(guī)范，設計標準、設計圖表的能力，為實現(xiàn)OBE倡導的以工作需求為導向的工程設計能力的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

二、構(gòu)建設計模型，培養(yǎng)通用工程設計的設計思路

課程教學的終極目標就是授人以魚不如授人以漁。面對具體的設計條件，眾多的設計公式和繁雜的設計圖表，應該如何進行分析設計，如何應用相關(guān)的設計規(guī)范、設計公式，選取合適且合理的設計參數(shù)和圖表，是培養(yǎng)學生具備相關(guān)工程設計能力的關(guān)鍵，也是于OBE倡導的教育理念。因此，在“機械設計”課程這個教學平臺上，在每一機構(gòu)或零部件設計理論學習過程中，采用從機構(gòu)或零部件的失效個性分析中教會學生提煉其失效的共性問題，從而對應找到合理的設計規(guī)范的教學方法，為學生提供工程設計的通用思路和解決問題的方法。比如，在理解“強度和剛度”的基本概念的前提下，通過羅列齒輪傳動過程中可能出現(xiàn)的主要失效形式，以及失效形式與工作條件之間的關(guān)系。分析、總結(jié)出齒輪傳動發(fā)生的各種失效形式本質(zhì)上就是“材料力學”中的“強度破壞”形式，由此推出齒輪傳動的設計準則應該是“強度設計”準則。并在齒輪傳動是發(fā)生“強度破壞”這個原則下，講解常用齒輪傳動設計應該采用的材料及熱處理方法，最后再結(jié)合齒輪傳動的受力分析，得到齒輪設計的設計公式，明確設計公式中參數(shù)的合理選取方法。這是一種以工程設計模型為主線，推出工程設計一般思路和方法的教學方法。這種教學理念，不僅讓學生學會了具體機構(gòu)或部件的設計方法，而且讓學生知道了為什么采用這種設計方法的原因，以及如何正確合理選擇材料、設計參數(shù)的方法。并通過課程教學中的“舉一反三”的強化訓練，真正學會工程設計中分析問題的方法，切實掌握通過機構(gòu)或零部件工作條件獲取設計規(guī)范、設計公式的工程設計思路，為工作后面臨的各類工程設計問題提供解決問題的思路和方法。

三、突出工程意識，培養(yǎng)工程設計思維

工程技術(shù)問題是綜合的、復雜的，往往涉及多領(lǐng)域、多學科，同時還要考慮諸如經(jīng)濟的，管理的，法律法規(guī)等非技術(shù)方面的因素。現(xiàn)代工程的這些特點，使得工程教育必須著力加強對學生工程意識、工程思維能力的培養(yǎng)以及工程實踐環(huán)節(jié)的訓練。“機械設計”課程這個教學平臺就能夠很好的展示培養(yǎng)工程設計思維的功能。

首先，在機構(gòu)設計中，常采用由簡單的機構(gòu)設計方法向復雜的相似的機構(gòu)設計方法推廣的設計思路。比如，由直齒圓柱齒輪的設計方法，推廣應用于解決斜齒輪，錐齒輪和蝸桿蝸輪的設計。當然，這種推廣不是簡單的應用，而是建立當量的直齒圓柱齒輪模型，進行有條件的轉(zhuǎn)化。將復雜的設計計算轉(zhuǎn)化為簡單的設計計算，化繁為簡。一方面，解決難以完成的設計計算;另一方面，提高設計效率，同時還能滿足工程實踐的要求。這種設計思路的講解，激發(fā)學生的學習熱情，也迫使學生開動腦筋，在融合相關(guān)學科知識的前提下，獲得解決問題的快感。

其次，可以通過講解類比的設計方法，培養(yǎng)學生的工程設計思維。比如，螺栓組設計時，通過單個螺栓聯(lián)接時的受力分析和強度設計方法，通過進行條件假設，進而類比獲得螺栓組的設計方法。并通過分析這些假設條件，得出為滿足假設條件，工程安裝等要求的螺栓組聯(lián)接正確結(jié)構(gòu)、正確的安裝及操作步驟，等等。這種類比的工程設計思路，為學生在今后的工作和科研中解決復雜工程問題，提供了一種新的思路。

最后，在“機械設計”課程學習中，應始終強調(diào)工程設計必須與制造、安裝、維護緊密結(jié)合，必須考慮經(jīng)濟的、管理的、法律法規(guī)等非技術(shù)方面因素的工程設計思維。應始終強調(diào)工程設計必須細心、不畏繁瑣和重復，且牢記設計無小事，設計結(jié)果無標準答案的工程設計理念，為“新工科”下人才的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

四、應用多媒體等教學手段，強化解決復雜工程問題的能力

“機械設計”課程內(nèi)容中包含大量的設計公式、眾多的設計圖表，以及具有設計的機械或機構(gòu)具有各種運動軌跡和運動方向的特點。這些問題如果僅是通過教師的語言描述和板書的講解，則難以表達準確并使學生聽懂。為此，將“機械設計”課程重點內(nèi)容與快速發(fā)展的計算機和網(wǎng)絡等多媒體技術(shù)結(jié)合，形成具有補充作用的多媒體教學方式。

第一，可以通過多媒體動畫，演示復雜機械和機構(gòu)的運動型式，清晰、直觀地展示出機械或機構(gòu)的各種運動軌跡和運動方向的特點。比如，用多媒體動畫展示“凸輪機構(gòu)的運動”和“齒輪傳動的運動”，使兩種機構(gòu)的運動軌跡及運動方向一目了然。并在此基礎(chǔ)上，說明兩種機構(gòu)的不同運動特點，使學生直觀地理解兩種機構(gòu)的用途及各自的優(yōu)缺點，并以動畫的直觀性讓知識點在學生頭腦中形成影像，也強化了對知識點的理解和記憶，同時加強了課程教學的趣味性。

第二，可以利用多媒體準確地展示大量的設計公式和眾多的設計圖表。一方面，節(jié)約板書或繪制重要設計公式及圖表的時間;另一方面，可以通過多媒體制作，教會學生查找相關(guān)圖表的方法，使學生準確理解公式或圖表中各參數(shù)的物理意義，并掌握繁雜的設計公式和設計圖表使用方法。

最后，可以利用多媒體軟件建立良好的網(wǎng)絡教學輔助平臺，將完整的課程教學基本要求、授課教案、習題集、試題集等基本信息公布在網(wǎng)上，使學生明確教學目的和學習要求。同時，通過網(wǎng)上答疑、網(wǎng)上討論等師生互動，節(jié)約課堂教學時間，將“教與學”同步進行，極大地體現(xiàn)出以學生為主的教學理念。加強師生和同學之間的溝通，使“機械設計”教學取得更為理想的教學效果，為培養(yǎng)學生獲得解決復雜工程問題的能力提供有效地幫助。

五、結(jié)束語

“機械設計”是高等工科院校中的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，而現(xiàn)有的課程教學方式和教學理念已經(jīng)不足以滿足快速發(fā)展的工業(yè)發(fā)展要求。為培養(yǎng)“中國制造2025”和“一帶一路”新形勢下的機械設計技術(shù)人才，迎接已經(jīng)到來的第四次工業(yè)革命，必須開展“機械設計”課程教學方法的研究。為此，以OBE為教學模式，以突出培養(yǎng)工程意識，形成工程設計思維，獲得解決復雜工程問題能力為目的的教學方法及教學實踐具有重要的現(xiàn)實意義。

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