非機類機械設計基礎教學體系的研究

翟秀云　陳明通　周英姿

摘? 要：非機類機械設計基礎是許多工科專業必修的專業基礎課，在課程體系中起承上啟下的橋梁作用。但是它在現有理論教學與實驗教學上存在諸多問題，文章對存在的問題進行了深入的分析以挖掘產生的原因，并提出以培養應用型人才為目標，以“學生為核心”的“講授教學+Web輔助理論教學+分組討論+課后專研學習”的混合教學模式的解決措施。在教學內容、方法、手段和考核評價體系等方面提出具體建議，對于本門課程的教學改革具有重要的參考價值。

關鍵詞：機械設計基礎;理論教學;實驗教學;考核體系;應用型人才

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）36-0072-05

Abstract： The course of "Fundamentals of Mechanical Design" for non-mechanical major， a fundamental and compulsory course of many engineering professions， is a connecting link between the preceding and the following in the curriculum system. Its theoretical teaching and experimental training currently show some problems. In this paper， the problems were analyzed in depth to explore their reasons. With the goal of cultivating applied talents， we put forward the solutions taking students as the center under the blended teaching pattern of "face-to-face teaching + theoretical teaching assisted by Web + group discussion + specialized study after class". The paper provided the specific recommendations on teaching contents， methods， assessment system and so on， which have important meaning for instruction reform of the course.

Keywords： Fundamentals of Mechanical Design; theoretical teaching; experimental training; assessment system; applied talents

機械設計基礎課程是非機類與機械類專業中一門承上啟下的主干課程，是一門與生產實際密切相關的技術基礎課。也是一門“雙面難”的課程，即一方面學生“難學”，一方面教師“難教”。難學的根本緣由是：它是一門綜合課程，對于先修課程如高等數學、工程制圖、材料力學、理論力學、金屬工藝學、互換性與技術測量等有很強的依賴性，要求運用它們的理論與原理來輔助解決機械設計中的工程問題，因此課程的知識既復雜又兼具綜合性，要求學生具備很強的空間想象和扎實的理論基礎。難教的根本緣由是：任課老師不但要熟悉專業體系及各門課程的知識，還需要一定的教學經驗，并能綜合運用多種教學手段將理論與實際緊密地聯系起來，把生澀難懂的機械知識轉變為活躍且立體的、具有工程價值的機械理念與科學實際。

為了解決這種“雙面難”的局面，本人根據多年的理論與實踐教學經驗，分析了非機類機械設計基礎理論和實驗教學中存在的問題，提出了具體的教學改革措施，闡述了改進理論與實驗教學方法、教學手段與評價體系的詳細舉措，對提高課程教學效果具有重要的指導價值。

一、理論教學

（一）存在問題

1. 多媒體教學不是傳統教學的替代

傳統的教學主要是板書教學，講課速度慢，而且不夠生動。當有多媒體教學后，無論老師還是學生大都是歡迎的，它特別適合于大班教學，似乎成為了傳統教學的替代。將一些不易說明的機械工作過程、機械結構和工作理論做成生動的課件，可以使教學知識點更易懂、更清晰，并且使教學過程更具表現力。但是通過一定時間的教學檢驗后，發現多媒體教學存在一些不能忽視的問題[1-2]，主要體現在以下方面：

相比于傳統教學知識量過大，教師講課的速度偏快，影響了學生對教學內容的掌握。板書減少或者沒有板書，一些學生想通過做筆記來掌握課上的教學知識，可是較快的多媒體教學，使得學生不易吸收課上較多的內容，課下也不利于復習。尤其是對于大多數公式的推導，學生還沒有完全理解，教學已經進入下一部分內容。因此，傳統教學在授課速度方面反而更有優勢。

互動減少了，學生集中在課堂上的時間是有限的，只有生動的教學方式才能使大多數學生不會產生疲勞感，以達到預期的教學效果。因此，互動是課堂教學的基本要素。

對于多媒體教學過于依賴。講授的內容基本上是課件上的，沒有深入地、形象地剖析與知識點的前后貫穿。一門課程是一個知識體系，各章節之間相后呼應，前后知識點的穿插式的教學更利于學生獲取整體工程知識理念，去解決實際生活、生產中的機械工程問題。

2. 考核方式不恰當

課程考核是教學過程中的必要與基本環節，其方法與內容關系到所培養的人才質量。目前大多數考試的知識和題型都是常規的，缺少課程的特色。常規的題型考核的是一些基本概念和理論，學生不需要過多的理解就能過關。這種考核方法不利于培養學生綜合分析和解決工程問題的能力，更不利于培養應用型人材[3]。學生只需要在考前稍微復習一下就能過關，課程的成績不能體現學生的實際工程能力。

以往的考核方式由三部分組成：作業、平時考勤與期末考試。學生只要抄下作業，上課點個到，就能得到較高的平時成績，不利于提高學習積極性。將傳統的考核方式應用于本門課程不能體現機械設計的工程理念，也不利于培養創新型工程人才目標的實現[4]。

3. 理論與實驗脫節

非機類的機械設計基礎學時少，存在沒有實驗的情況，教學都是在教室中進行的。這一點與課程的特點不符，只有在實驗、實踐中才能真正理解理論知識并加以應用。通過多媒體課件所播放的動畫能幫助理解一些機械知識，但是對于機構、零件實際的工程價值不能真正體現。

一般情況下，教學改革偏重于教學內容和方法的研究，不注重課程的工程特性，使得學生對課程有畏難情緒。同時，理論與實驗、實踐脫節的情況也不利于培養應用型人才。

4. 學時少或不統一

目前，非機類機械設計基礎的學時有多種，并且存在學時非常少的情況，學生只是剛了解幾個常用機構，對這門課剛有點認識的時候，這門實踐性很強又很難理解的課就這樣匆匆地結束了。在后面使用這門課的知識看設備圖紙時，一臉茫然，因為學生對于簡單的軸上零件的定位和力學分析不了解，要看懂設備非常困難。

一些非近機類專業對課程的定位是使學生了解機械設計項目方案制訂的基本流程并能按照擬定的項目規劃進行機械產品的初步設計。也就是說，這個專業對機械設計的要求已經基本達到了機械設計與制造專業的要求。如果把這樣的專業與其它非機類專業放在一個水平上去要求機械設計知識，就顯得有點武斷。因此，有必要規范這門課的學時數，即使不同專業對于本課程內容和學時有所不同，制訂合理的理論與實踐教學大綱。

5. 先行課程的開課時間不合適

該門課程的先行課程主要有工程力學、金屬工藝學、機械制圖、互換性與技術測量等。例如會存在金屬工藝學還沒有開設，已經開始學機械設計基礎這種情況。在學習齒輪材料時，學生不懂如何選擇材料及熱處理方式。對于互換性與技術測量這門課有些專業不開，或者并行開課，造成提到一些技術要求時，學生完全不理解。以上情況使得本來具有一定難度的課程，變得更加高深莫測。

（二）解決的方法

1. 調整教學方法

結合我校以培養應用型人才為目標和非機類專業學生對于本課程的專業知識需求，建議以“學生為核心”的“講授教學+Web輔助理論教學+分組討論+課后專研學習”的混合教學模式，為學生打造開放式學習、注重工程素質的培養及勇于創新的學習氛圍，發揮學生的能動性和合作精神，加強培養工程意識和創新式設計能力[5-6]。

講授教學是基本的、主要的授課方式。教師采用動畫、三維仿真圖、實物教具或視頻等工具，在講授基本理論的同時，始終貫穿培養學生如何分析與解決工程實際問題的能力，加強互動式教學以幫助理解課程的重點與難點。

目前應用較多的MOOC教學[7]具有很高的共享性和便捷性，可以幫助學生進行廣泛的交流和討論及深入的學習。MOOC教學和傳統的面授式教學組合的方式的確可以提高各門課程的教學質量。雖然它不是本課程主要的教學手段，但它可以是課前預習與課后鞏固的手段，也能成為授課老師掌握基本學情信息的手段，并能為一些具有較強學習能力的學生提供更多鉆研和開拓知識的機會。本課程具有很強的實踐性和綜合性，建議MOOC教學作為輔助手段，引導學生認知和擴展式學習。

Web平臺可以作為學生討論的理想場所，教師可以在平臺上查看學生的學習效果。它作為強有力的交互平臺，激發學生的潛能與靈感。在交流的過程中，學生積極地瀏覽各種課程資源，對于感興趣的知識、論點可以闡明他們的見解。Web條件下輕松的學習環境便于發揮他們的聰明才智。在討論的過程中，教師采用引導式的教學手段，既要發表合理的見解，也要隨時控制整個過程的進度與范圍。教師雖然是主導，但是不能忽視學生的主體作用。

在面授式教學中，一部分課時作為討論課學時，既要有小組式討論，也要有班級式大討論，以達到人人都有發言權的平等式學習氛圍。兩種討論既可以是相互獨立的，也可以是相互依賴的。在討論課中，可以對學生進行分組，每個小組自行選題，課前查閱資料、收集素材，課上先小組內自主討論，然后進行班級式大討論，要確保每位同學參與學習，提高整個課程的互動性。也可以僅采用班級式大討論的方式，由老師引入自己的科研項目、機械設計實例或前沿的研究項目，讓學生在強烈的好奇心的帶動下，采用積極有效的學習方法和途徑進行研討、思索和擴展，既要發揮學生的主體作用，也要增強他們對機械工程相關知識的深入理解。

上面所提到的針對本課程的混合式教學模式不僅強調學生的核心地位，也強調教師的主導作用[8]。教師通過網絡平臺提供的有效的、前沿的、符合工程實際的機械設計素材，以生活中的實物和各種案例為載體，達到教學方式和手段的多樣化，強化學生的學習樂趣，培養他們對于工程實際的認識及解決科學問題的能力，加強學生科研團隊的建設及相互的合作與交流，以實現本課程所規定的教學目標和任務。

2. 調整考核評價體系

課程考核的目的包括兩方面，既要檢查學生對于課程的掌握情況，也要考查教師的實際教學成果，為后面改進教學、提高教學質量指明方向。考核的方法應圍繞課程的教學目標而設置，既要有個性化，也應具備多元化，要能真實反映出學生的學習效果和教師的教學質量[9]。

多元化評價包括兩部分，即過程性綜合評價與期末閉卷考試評價。過程性評價主要體現學生對于理論知識掌握情況、學習態度和學習效果等。學習態度是對學生的考勤、課上回答問題、作業完成及自主學習等情況進行評價;Web學習主要評價學生是否參與線上學習和是否達到教學要求;分組討論以各組的課前準備、課上陳述與討論和課程素材的制作等情況進行多方面評價;班級式大討論評價學生在課上的參與度、課前準備和課上相互交流的情況。可以采用組內評價、組外評價、教師評價等多種方式進行綜合打分，作為期末總成績的一部分。期末閉卷考試的題型盡可能多元化，包括常規題、繪制機構簡圖題、計算自由度題、計算傳動比題和軸上零件改錯題等，考試知識點應與課程的目標相一致。建議期末成績的組成為：作業情況與課上回答問題（15%），線上自主學習（10%），分組討論與班級大討論（5%），實驗（20%），期末考試（50%）。教師根據制訂的考核評價體系，綜合分析、評價期末試卷和教學效果，找出教學中存在的問題，提出解決措施。

3. 理論與實驗、實踐融合

由于課程的實踐性強，應加強實體與綜合實訓教學，以提高學生的學習積極性和教學效果。可以設置齒輪機構、帶傳動、凸輪機構、常用聯接件和軸上零件的陳列室，也可以陳列一些來自生活、生產的并且具有代表性的傳動機構或機械模型與實物，如：攪拌機、縫紉機、火車聯動機構、減速器、機床傳動系統、油泵等。讓學生可以隨時參觀機械陳列室，并要求能夠講解模型的工作原理及與機構相關的理論知識點，以提升學生對本門課的感性認識，為進一步加強理論知識的學習提供支撐。

也可以在陳列室中進行部分理論教學，如講授齒輪機構時，讓學生一邊觀察其應用場景一邊講解，以提高其學習興趣及學習效果。在面授教學中要多列舉一些機械工程實例，如講解連桿機構時，列舉汽車雨刮器、攪拌機等;講輪系時，列舉變速箱、機床主軸箱等;講各種軸上零件時，列舉減速器的傳動軸等等。讓學生充分認識到本課程在生產、生活實際中的價值，使學生感覺到這門課很有用也很有趣。

理論課程進度應與實驗項目內容、進度并行，以便于學生深刻理解、掌握機械的重點、難點，從而使理論教學與實踐、實驗教學能有機融合。為了使實踐教學輔助理論教學，在講解“輪系”傳動比、惰輪知識點時，可以在實驗室中講解，讓學生打開機床的主軸箱，分析車床的輪系結構與組成，一邊講解一邊演示輸出軸的速度與方向的變化，就可以使生硬的、難懂的知識轉變為生動的、有趣的知識，加深他們對機械理論的感性認識，最后總結輸入軸、輸出軸之間傳遞運動與改變速度是通過改變相互嚙合齒輪的齒數來實現的。利用實體與感觀教學，把機械工程的知識系統地貫穿起來，達到逐漸深入與靈活應用的目標，從而加強學生的學習興趣、降低學習難度。

引入若干個開放性實踐項目，把教師科研項目、創新創業項目等作為案例引入到課堂教學中，以科研項目、創新創業項目的開展過程為主線，通過課堂、實驗教學引導學生深入學習機械工程的創新、創業項目的內容與實施過程。

4. 規范課時、調整教學體系

將非機類專業分為兩類，課程的學時量分別規定為48與72學時。第一類專業主要包括：冶金、材料科學、新能源科學與工程、產品設計、化學工程等;第二類專業（近機類）主要包括：材料成型、工業設計、工業工程等。在48個學時中，包括40個理論學時和8個實驗學時。72個學時包括60個理論學時和12個實驗學時。這樣既能有足夠的學時把理論知識講解清楚，也能有足夠的實踐學時開展綜合性、設計性實驗，同時要求實驗項目應根據理論課程進度統籌安排。

機械工程專業的教師應參與到非機類、近機類專業教學體系制訂中，避免一些課程開課時間不恰當。表1列出各先行課程和本課程開課時間建議。

軸上零件圖、減速器裝配圖等都需要工程制圖的知識，一般對工程制圖掌握不好的學生，很難理解機械設計中較復雜的圖形。工程力學知識是進行機構和機械零件受力分析、運動分析和強度、剛度計算的基礎，也是學好本課程的關鍵基礎知識之一。金屬工藝學和工程材料是學習材料性能、牌號、熱處理等知識的課程，這些都是學習齒輪、凸輪、軸等零件選擇材料的基礎知識。要理解機械零件的技術要求就需要互換性與技術測量這門課的知識。因此，以上任何一門課都是學習本課程的必備條件。

5. 恰當的課上習題與課外作業

在講解一些習題的同時，也要安排適當的課上練習，便于學生及時理解機械習題的解題方法，教師不僅要布置基本題型也要擴展習題，即引入一些經典的設計練習，不是就題論題，也不是簡單的模仿，而是靈活使用所學的技巧解決一些難題、復雜的習題或設計型的練習題。

例如繪制機構運動簡圖的教學中，引入一道綜合題，如繪制減速器的機構運動簡圖，減速器含有帶傳動、蝸輪蝸桿傳動、直齒圓柱齒輪傳動等，說明繪圖要按比例繪制，并且按運動方向畫圖，如先畫電機、再畫帶傳動、最后畫箱體內的傳動等。同時要注意一些繪圖細節，如軸承、軸、聯軸器怎么畫簡圖，也要說明繪制機構運動簡圖的實質是為了表達機構的運動原理與組成情況。簡圖的繪制與運動尺寸密切相關，而與實際外形尺寸無關。課內習題不僅可以鞏固理論知識，也可以加強學生機械設計、繪制工程圖及解題能力。

工程課程有一個普遍現象，就是學生明白老師所講解的知識，但是不知道怎么用。這就要求老師在布置習題時應由簡入難，讓學生有一個適應的過程，進而提高其學習的興趣。題的選擇非常重要，既要有針對性，也要有一定的覆蓋性，同時也要分析有多少學生會做題，做錯題或不會做的原因是什么，找到根源，課上糾正問題的所在，及時改進教學方法。在不斷深入研究的過程中，提高教學質量。

機械設計習題的布置既要有一定的連貫性，也要不斷加深難度，更要將理論知識與生活、實踐相結合。恰當的課上習題與課外作業是學好機械設計基礎的基本的、必要的環節，也是重要的教學手段之一。

二、實驗教學

（一）存在的問題

1. 為實驗而實驗

本課程傳統的實驗目標只是為了加深學生對機械理論與原理的理解，進一步驗證理論課上講授的機械知識。學生僅僅為了實驗而實驗，為了任務而實驗，不是積極地、主動地參與實驗教學，不能發揮他們的靈感與創造性。

2. 實驗模式單一

在實驗指導書的指導下，學生根據要求、方法、步驟，一步一步地完成實驗任務。學生們的數據處理結果相同，思維模式被限定，從而制約他們的開拓與創新。

3. 實驗內容孤立

本課程的傳統實驗是根據理論課的章節設計的，內容涉及面偏窄，未形成一個完整的機械實驗體系;同時忽略課程之間的聯系和相關性，因此，每個實驗都是孤立的，沒有廣泛性和關聯性。創新性、設計性及綜合性的實驗對于培養學生綜合運用課程的理論知識、現代化手段和解決實際機械工程問題的能力是必不可少的，通過這樣的實驗才能有利于培養應用型人才[10]。

4. 實驗評定單一

實驗報告的質量是實驗成績的評定的主要依據，通常情況下，期末考試試卷中不涉與實驗相關的內容，從而使很多學生做實驗時的態度不認真，也不去思考。由于實驗內容相同，學生的實驗報告經常是互相參考、應付了事，實驗教學的目標根本無法實現。

（二）解決的措施

實驗課程是本課程的教學基石，完善的教學手段和體系既影響學生的學習態度和興趣，也直接影響教學質量和效果，因此，對于實驗課程的教學方法、內容、評價體系的持續改進也是本課程的研究重點[11]。為了提高學生的綜合素質、創新能力和科研素養，應對課程實驗教學進行必要的改革。

1. 恰當的實驗模式

在編寫實驗指導書時，充分考慮有利于開拓學生科學思維和增強創新意識的實驗項目與實驗方案。精心制作實驗的教學課件，并采用現代化教學手段進行教學，提高教學質量和效果。采用學生為主體的實驗教學模式，開設自主實驗、合作實驗，盡可能調動他們獨立分析工程問題并解決問題的積極性。實驗過程中要求學生應具備嚴謹的科學態度，并逐步培養創新意識。實驗題目的設計旨在拓展學生的工程實際能力，每一個項目可以選擇不同的方案，形成具有個性化的實驗教學活動，擴展學生的思維。

建議開展的實驗有：“連桿機構創意設計”、“軸上零件組合設計”、“多種機構組合設計”、“變速器傳動機構設計”等，通過創意實驗來鞏固、加深學生所學的機械理論，開拓視野、充分發揮想象、提高教學效果。

2. 調整考核體系

由于實驗教學項目的更新，需要調整實驗環節的考核方法。嚴格控制實驗室紀律，切實地根據實驗課前表現、課上實驗過程及課后實驗報告，對實驗成績進行綜合評定。課前表現主要包括預習情況、實驗項目的準備。為了進一步提高學生實驗的興趣，要求實驗教師對每一個實驗項目進行考核。既要考核實驗理論也要考核實驗操作，同時對書面報告也要進行評價，具體的評定形式有觀察實驗結果、隨機提問、單獨展示某一實驗過程等，真正地督促學生積極參與實驗，并對每位學生的實驗能力給出合理的評價[12]。

考核方式要真正實現多樣化。特別是具有綜合性、設計性的實驗，可以將單獨考核與分組答辯相結合，用個人得分與小組成績的綜合得分來評定學生的實驗能力。比如，在變速器傳動機構設計實驗中，多種機構、構件、機器的綜合運用組裝成各種傳動方案，如運用不同型號的電動機、帶傳動、直齒圓柱齒輪傳動、圓錐齒輪傳動、軸承、聯軸器等進行組裝，通過變速裝置的搭建、調試、輸入與輸出數據的采集和處理過程，獲得運用先進的工程技術手段和理論課程的知識解決實際工程問題的較好訓練，也對每個學生的實驗能力進行了綜合檢驗和考評，這種系統的、綜合的實驗考評方式，將對學生的實驗操作過程、實驗結論進行全方位的考核，激發學生自主性和積極性，有利于實現所要求的實驗目標。

3. 師資隊伍建設

實驗項目的更新、先進的實驗設備與儀器的應用、現代化的教學手段的運用，對于實驗教師的要求越來越高，特別是各種實驗結果的分析、前后貫穿的理論知識的綜合使用，要求他們熟練掌握課程理論知識，還要具有隨機應變的、較強的動手能力。最好的方式是理論教師與實驗教師相互輔助共同完成實驗教學，共同參與實驗改革，這樣可以將理論知識與實驗操作知識融合起來，避免理論與實踐脫節，也便于達到理想的實驗教學效果。

三、結論

機械設計基礎課是非機類工科專業的基礎課程，是培養學生掌握機械基礎知識、具備機械設計初步能力的重要課程。在教學過程中，由于學生對先行課程的基礎知識掌握不牢，缺乏實際工程經驗，教師教學手段傳統且單一，“雙面難”的局面非常突出。本文從理論教學與實驗教學兩方面分析在教學中存在的問題，提出了以“學生為核心”、以“教師為主導”、以現代化手段為支撐、以設計性、綜合性實驗為載體的理論與實驗教學相融合的教學模式。當然，隨著科技的進步、先進的教學手段的不斷出現，在未來仍需要對本課程的教學進行不斷地探索、研究和改革，使教學更科學、更合理、更有效，為高校培養應用型人才的目標而服務。

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*基金項目：國家科技部重點研發計劃項目“材料大數據挖掘與分析技術”（編號：2016YFB0700504）;攀枝花學院教研教改基金資助項目“非機類機械設計基礎理論教學與實驗的研究”（編號：JJ1643）

作者簡介：翟秀云（1974-），女，漢族，黑龍江克山人，博士，副教授，研究方向：機械工程、材料科學與工程。