基于兩性一度的機械設計課程教學改革*

◆王榮先 張旦聞 王定保

0 引言

在2018年6月召開的“新時代全國高等學校本科教育工作會議”上，教育部提出“兩性一度”的金課標準[1]。“兩性一度”即高階性、創新性和挑戰度：高階性要求重視知識能力素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維；創新性要求課程內容反映前沿性和時代性，教學形式呈現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化；挑戰度要求課程有一定難度，需要跳一跳才能夠得著。

機械設計課程是機械類、近機類專業的主干課程，介紹機械通用零部件的結構原理及設計方法，培養學生綜合運用所學知識研究開發新的零部件及設計機械裝置[2]。教學內容涉及機械制圖、工程材料、理論力學、材料力學等基礎課程，具有理論性強、創新要求高、教學難度大等特點。教學模式以課堂講授（56 ～64 學時）為主，實驗課（8 ～10學時）和課程設計（2周）為輔。隨著計算機仿真技術的發展，以CAD、SolidWorks、MATLAB等為代表的功能強大的現代設計分析軟件已被廣泛應用于機械工程領域。機械設計的理論和研究方法發展迅速，機械設計課程研究對象、教學內容也隨之發生變化[3]：研究對象從傳統機械轉向現代機械；研究方法由靜態理論分析到動態仿真分析，由經驗設計到計算機優化設計。這些變化豐富了機械設計課程的教學內容，也增加了教學難度。為適應這種變化，進行“兩性一度”的機械設計課程教學改革顯得十分必要。

本研究基于“兩性一度”金課標準對機械設計理論課和實踐課進行教學改革，通過重構機械設計課程體系，將現代科技教學和課程思政內容引入教學環節，開發創新性實驗，豐富理論教學和實踐教學內容；立德樹人，提升教學目標的高階性；建設在線課程，進行線上和線下、過程性評價與終結性評價相結合的混合式教學模式改革，促進機械設計課程達到“兩性一度”的金課標準。

1 機械設計教學模式現狀

機械設計為機械類專業的專業基礎課，當前教學過程中普遍存在下面一些問題。

1）教學內容固化，以傳統的通用機械零部件為研究對象，如螺栓、齒輪、軸承等標準件，課程體系以理論知識為主，不利于培養學生的創新意識。教學內容與工程實際結合不緊密，沒有體現當代先進的機械設計成果，與高速發展的現代科學技術銜接不緊密，不利于體現課程目標的高階性。

2）教學模式固化。教師課堂教學形式單一，講解基本概念，進行公式推導，使學生處于被動接受的狀態，參與教學活動的機會少，缺乏工程實踐經驗，分析理解能力有限，不利于培養學生的發散性思維和創造性思維[4]。

3）實驗內容少。實驗裝置落后，學生操作對象多為模型；實驗項目少、步驟固化且均為驗證性實驗，缺乏創新實驗項目。學生按套路進行實驗，實驗結果雷同，缺乏挑戰度，不利于培養解決復雜問題的綜合能力。

2 機械設計課程教學改革內容

基于“兩性一度”的機械設計教學改革內容及步驟如圖1所示，教學環節包括：將現代科技成果引入課堂，導入課程思政元素，重構課程體系，課程內容反映前沿性和時代性；建設機械設計在線課程，豐富教學資源，開發創新性實驗項目，重視知識能力素質的有機融合；創新教學模式，進行線上、線下混合式教學和開展虛擬仿真實驗，教學形式多樣化，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維；改革考核評價方式，提升課程教學要求的挑戰度。

圖1 教學改革內容及步驟

2.1 重構課程體系

按照“兩性一度”的標準，提升教學目標，增加教學內容，將機械設計在線課程線上資源和線下教學內容相結合，重構課程體系。

2.1.1 根據學科優勢導入課程思政元素，強化育人意識，提升育人能力，使機械設計課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應 在教學過程中，讓學生了解我國機械設計發展史，學習奮戰在科研一線的科技工作者的愛國奉獻精神；讓學生了解我國機械工業與世界先進國家的差距，堅信通過科技創新實現中華民族的偉大復興；培養學生具有良好的職業道德，弘揚大國工匠精神，激發科技報國的家國情懷和使命擔當。

2.1.2 將現代科技發展的新技術融入日常教學中 介紹我國月球車、高鐵等先進的機械裝備，加強有關零件設計的新方法、新技術學習，強調創新設計。由于課時有限，將拓展的教學內容放在線上教學平臺，供學生自學。

2.1.3 增加實驗內容，豐富實驗形式 基于機械設計課程理論教學的基本內容，通過開發新的實驗裝置，增加實驗內容，擴大對理論知識點的覆蓋面。實驗項目由過去的四個增加到五大類18 項，涉及機械設計常見的通用零件，如螺栓連接、鍵連接、帶傳動、齒輪傳動等。實驗類別由過去單一的驗證型實驗擴展為創新型、測量分析型與驗證型實驗相結合的混合式實驗，增強學生的實踐能力。基于機械工程學科虛擬仿真實驗教學共享平臺，進行多種形式實驗教學，提升實驗教學的高階性、創新性和挑戰度。

2.1.4 課程設計與創新項目相結合 課程設計環節是在理論課、實驗課的基礎上開展的實踐教學活動。根據學生學習情況，將課程設計題目由過去的統一進行帶式輸送機減速器的設計改為自主選題，鼓勵學生以創新設計為目的，結合挑戰杯、“互聯網+”大學生創新創業大賽等創新活動自主命題，解決課程設計題目單一、內容雷同的問題。學生通過使用SolidWorks、UG、MATLAB和ANSYS等設計分析軟件，進行機械設計課程設計，參加機械設計創新大賽，提高創新實踐能力，普遍感到新穎，有挑戰度。

2.2 創新教學模式

采用先進的現代教學手段，在智慧教室開展以學生為中心的線上、線下混合式教學實踐。重視學生創新意識的培養，開展以創新實驗為主、驗證實驗為輔的實驗教學實踐。

搭建機械設計在線課程，基于超星學習通、手機學習通APP平臺建設機械設計課程線上教學資源，線上教學資源豐富，形式豐富，使用方便，內容包括授課視頻、電子教案、課件、動畫、習題、試題庫、實驗視頻、課程設計展示、學生創新作品展示、考研教學資料、科技論文等。超星學習通平臺功能強大，具有提交批改作業、討論、通知、測試、答疑功能，為學生線上、線下學習提供便利。學生按照教學計劃，自由安排時間觀看授課視頻，參與網上互動，完成章節測試和作業。

課堂教學在學校智慧教室進行，教師每周排四小時見面課，根據學生學習情況，圍繞知識點進行學習任務與活動設計，采用案例式、探究式等多種教學方式進行線上、線下混合式教學實踐，促進師生之間、學生之間的交流，激發學生學習興趣。

改革前的機械課程設計通常安排在理論課結束以后進行，學生在兩周的時間內完成帶式輸送機減速器的設計，繪制裝配圖和零件圖，撰寫設計說明書。改革后的機械設計課程設計和理論課同步進行，學生提前準備題目，有較充分的時間進行設計前的準備，有助于創新能力培養。

對學生成績的考核評價方式由過去單一的終結性評價變為多元化考核綜合評價，其中線上學習成績占10%，實驗、線下平時成績占20%，期末測試成績占70%。過程性評價基于大數據，記錄學生的學習過程，掌握學生的學習情況，促進學生自主學習，促進教學質量的持續發展。

2.3 重視實踐教學

針對課程中的重點、難點，結合學校辦學定位和人才培養目標，學校教學團隊將先進技術引入實踐教學環節，創新實驗裝置，增加實驗教學內容，創新實驗教學方法，重視對學生工程實踐能力的培養。基于機器視覺技術研發多種機械設計實驗裝備，包括齒輪傳動綜合實驗系統[5]、螺栓連接實驗系統、鍵連接實驗系統、帶傳動實驗系統等。實驗類別由原來的驗證性實驗擴展為以測試分析為主、驗證性實驗與創新型實驗相結合的多類型實驗。改革后的機械設計實驗內容如表1所示。

表1 機械設計實驗項目及類別

教學實踐表明：上述實驗教學項目增加了實踐教學對理論知識點的覆蓋，解決了實驗技術落后、實驗方法單一、實驗內容簡單、缺乏創新實驗等問題，提高了實驗教學目標的高階性、創新性和挑戰度，教學效果良好，有助于培養學生的創新應用能力。其中創新性實驗裝置不僅可以用于實驗教學，指導學生進行機械設計課程設計，還可用于實際工程檢測。

在課程學習期間，教學團隊教師指導學生參加挑戰杯、“互聯網+”大學生創新創業大賽、機械設計創新大賽等多種學科創新競賽，獲得多項獎勵。這種項目式學習有助于培養學生的科研能力和創新能力，為其未來從事機械設計工作、解決實際工程技術問題奠定基礎。

3 結束語

本研究基于“兩性一度”金課標準，通過重構機械設計課程體系，導入課程思政元素，在超星學習通教學平臺建設在線課程，改革教學模式，在智慧教室進行線上、線下混合式教學實踐，基于機器視覺技術開發創新性實驗項目，指導學生參加機械創新大賽等多項教學改革，使機械設計課程教學具有高階性、創新性和挑戰度。改革后的機械設計教學內容豐富，教學形式多樣，激發了學生學習的積極性，在培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維方面發揮了積極作用。