新工科背景下機械類課程設計實踐教學“四能力”培養模式構建

李 貴，王興東，鄒光明，劉懷廣

（武漢科技大學a.機械國家級實驗教學示范中心；b.機械自動化學院，武漢 430081）

0 引言

機械類專業的實踐課程設計主要包括機械原理、機械設計和專業課程設計等，使學生能夠設計針對復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的機械系統，并能夠在設計環節中體現創新意識，考慮多種非技術因素，為培養學生解決復雜工程問題的能力形成有效支撐。通過課程設計，可使學生較全面地應用工程知識解決復雜工程問題，獨立完成一項機械傳動裝置或設備的設計任務。如機械原理課程的“飛剪機構設計”、機械設計課程的“傳動裝置齒輪減速器設計”、專業課程的“起重機設計”等均是復雜的工程系統。

隨著“中國制造2025”“人工智能2.0”“一帶一路戰略”以及“互聯網+”與傳統制造業全面融合，需要更多和更新型工科制造人才的支撐，迫切需要創新工程教育理念，發展新工科教育［1］。通過工程教育專業認證，改革工程專業教育的人才培養模式，對傳統工科專業的升級改造，實施個性化一專多能復合型人才的培養，這些都離不開新工科的機械類［2］。而課程設計實踐教學改革是機械類專業新工科建設的一個重要突破口，可以成為新工科建設試驗田，通過傳統制造業和現代先進技術跨界融合式發展，實質性推進知識與能力并重的一專多能的復合型創新人才培養進程。

那么，在實施課程設計實踐教學的新工科建設過程中，通過課堂教學、現場指導與自主學習相結合，除了進一步鞏固和強化課程設計的工程知識、設計計算，同時還融合數字化、可視化和智能化設計技術，使學生能夠對復雜工程設計全周期、全流程的基本方法和步驟了解并逐漸掌握，了解影響設計目標和技術方案的各種實踐因素，并運用現代工具和科學方法對多種創新設計方案進行比較和綜合。通過實施課程設計的新工科建設，在解決課程設計復雜工程問題的全流程中培養學生的工程能力、實踐能力、創新能力和自主學習能力，為學生進入工程實踐工作夯實基礎。

1 課程設計實踐教學現狀與發展趨勢

機械類專業的課程設計包括基于理論課程的課程設計和基于專業培養方向的課程設計，基本分布在大三至大四學年的各個學期，并與最后的畢業設計相銜接，是實踐教學體系的重要組成部分。當前的課程設計實踐教學的現狀歸納起來主要有以下幾方面：

（1）機械類課程設計實踐教學普遍都只注重對于理論課程知識的學習，對于實際機械裝備或機器的結構、尺寸和裝配工藝認識不深入，缺乏與工程知識的結合和對復雜工程設計方案的創新設計，使得工程能力得不到提高。

（2）課程設計題目及任務單一，設計過程完全規范化甚至模板化，導致課程設計的結果千篇一律，雖然可以培養學生課程設計的理論計算能力。但解決復雜工程問題的實踐能力得不到提高，難以體現學生的個性化和差異化的設計理念。

（3）課程設計學時分布不合理，設計學時緊張，一般設計周期都是固定的2～3 周時間，每個學生獨立完成設計計算，尺筆繪圖和撰寫設計說明書。只能是按流程完成上述內容，沒有多余的時間留給學生進行自主學習，自主探索并進行方案的創新設計，限制了學生的創新思維發揮，抑制了自主學習能力和創新能力的培養。

（4）課程設計依舊突出傳統課程設計的手工計算、尺筆繪圖等，并沒有強化培養學生利用現代工具解決復雜工程問題的能力，難以滿足數字化、信息化和智能化技術時代機械制造企業對復合型創新人才的需求。

（5）在課程設計過程中，方案設計相關聯的非技術因素考慮的極少，包括社會、健康、安全、法律文化、環境、經濟以及項目管理等方面的制約因素。缺乏能夠根據設計任務分析工程問題的實施背景，不能針對性應用相關知識評價這些因素對設計方案的影響。

針對上述問題，早期研究主要集中在實踐課程教學體系的建設、課程設計的內容及其教學方法等［3-8］。而過渡到根據新工科建設和工程教育專業認證要求對機械類專業的課程設計進行了相對比較全面的改革探索，提出了很多具有普適性的方案。主要是將先進的設計方法、技術和工具引入課程設計中［9-13］。還有一些學者，將課程設計與工程項目、學科競賽等結合來改變傳統課程設計任務單一的問題［14-16］。更重要的是希望通過課程設計能夠培養學生的創新理念、創新思維、創新能力以及能夠綜合運用工程知識解決復雜工程問題的能力［17-21］。

因此，課程設計實踐環節對于培養學生的工程能力、實踐能力、創新能力和自主學習能力具有重要作用。機械類專業的教育教學改革必須與制造業的轉型升級深度融合，遵循新工科的發展方向和需求，以市場和企業需求為導向，推進產教融合，突出專業特色，培養更多的工程實踐能力強的個性化創新型人才。

2 課程設計實踐教學四能力培養模式構建

機械類課程設計實踐教學工程能力、實踐能力、創新能力和自主學習能力（簡稱四能力）培養模式如圖1所示。主要從機械類課程設計實踐教學內容的優化設計、實踐教學方法等方面進行綜合改革，提出通過解決課程設計的復雜工程問題，面向以個性化培養學生的工程能力、實踐能力、創新能力和自主學習能力的實踐教學方法。

圖1 課程設計實踐教學四能力培養模式

（1）對機械類課程設計的教學內容進行豐富和優化，首先從工程專業教育認證要求對課程設計任務中的復雜工程問題內容進行具體化設計，豐富選題范圍、突出專業冶金特色，并結合專業特色與個人興趣擴展至自主選題。改革課程設計的教學內容，以面向工程設計和產品開發全周期、全流程設計/開發解決方案為核心，在實踐過程中以培養工程能力，實踐能力和創新能力為導向，突出方案的創新設計和優化設計。

（2）對機械類課程設計的教學方法進行改革，著重探索提高學生自主學習能力、創新設計能力和團隊協作能力的培養途徑和方法。改變傳統的多人同一設計任務的單獨設計的教學方法，實施多人組團，一團一題多方案優化設計的教學方法。首先通過團隊成員的自主大膽創新設計得到多種設計方案，團隊協作對多方案進行研討、論證、比較與綜合后確定最佳設計方案，團隊成員合力完成最佳方案的優化設計。以提高課程設計廣度和深度，促進學生個性化人才培養及解決復雜工程問題能力和創新能力的達成。

3 突出四能力培養的教學內容優化設計

合理地選擇課程設計任務十分重要，以機械設計課程設計為例說明豐富選題和突出創新性的實踐舉措。機械設計課程設計一直以傳統的適用于冶金礦山機械的普通減速器作為設計題目，雖然是適用于冶金礦山傳輸設備，但是與普通的減速器設計并沒有較大區別，無法體現專業冶金特色。設計題目和任務單一，理論和實際聯系不夠緊密，學生的創新設計能力和思維得不到有效的發揮。而且與減速器設計相關的參考資料非常豐富，在圖書館、網絡上可以找到許多相關資料，只要按照資料上的步驟按部就班地做，就能順利完成課程設計任務，其計算內容也大多完全一致，而且所繪制的方案圖紙也完全參考設計教材，基本上無創新性設計。這種傳統的課程設計重點在于培養學生的計算能力和尺筆繪圖能力，并沒有涉及解決復雜的工程問題，這不能滿足當前工程教育認證和新工科建設的要求。相應地在解決復雜工程問題所需要的工程能力、實踐能力、創新能力和自主學習能力得不到提高。

通過豐富機械設計課程設計選題及任務（見圖2），突出專業的冶金特色，緊密聯系冶金裝備的工程實際，即冶金行業的高溫、高速、重載的工作環境。由此，在傳統課程設計任務的基礎上，引入機械相關領域的傳動裝置設計任務，如冶金設備中的轉爐傾動機構驅動裝置、燒結機驅動裝置等冶金工程裝備的復雜工程設計問題。同時，與機械類學科競賽實現無縫對接，將歷年的各類機械學科競賽選題也納入課程設計中。此外，還可以引導學生進行自主創新選題，進一步豐富選題類型及設計任務。如此，學生可以在多任務之間根據個人的興趣進行差異化選題，實現多任務個性化設計，而且不提供參考模板，完全由學生自主創新設計。因此，通過豐富課程設計選題范圍，優化課程設計內容，將課程設計與專業冶金特色和工程實際相結合，突出方案的創新設計，提高學習興趣和效果，促進學生四能力培養目標的達成。

圖2 豐富機械類課程設計選題及任務

4 多成員團隊協同自主創新設計實踐教學方法

在基于多任務選題的前提下，突出學生解決復雜冶金裝備設計任務相關問題能力培養的基礎上，提出一種基于團隊創新設計的“分享式”實踐教學方法，如圖3 所示。該教學方法充分利用學生的團隊合作設計能力，分組開展課程設計，小組成員自主確定設計目標。基于設計性能、創新性、經濟等方面確定各自的設計目標。在此目標的基礎上，各團隊成員自主通過資料檢索查閱，企業調研等方法確定各自的創新設計方案，并對比和分析所設計方案對環境、社會、法律等方面的影響，形成方案設計可行性分析及設計報告。針對團隊成員提出的多種設計方案，基于確定的設計目標來比較綜合各設計方案的優缺點，并綜合各方面的因素，共同確定最終的創新設計方案。團隊成員間再次協作，完成優化設計方案計算、分析、圖紙繪制及撰寫說明書等。所完成的成果也不局限于說明書和圖紙，可以多樣化。另外，課程設計還可將機械類創新設計競賽納入課程設計任務中同步實施。

圖3 多成員團隊協同自主創新設計實踐教學方法

該教學方法同時還改革教學過程，將課程設計任務與所對應的理論課同步實施，如機械設計課程設計任務在機械設計理論課開課前布置到位，明確課程設計的基本目標、創新設計要求和評價標準。使學生帶著設計任務學習，與理論課學習保持同步，加大課程設計的周期，使學生有足夠多的時間進行調研、查閱文獻來支撐方案的自主創新設計。并在正常教學規定的集中時間、固定地點進行設計成果的展示與匯報。一方面可以激勵其他學生上進，激勵被展示學生再接再厲；另一方面，可以起啟發作用，為其他學生提供創新思路，是一種全員參與的“分享式”課程設計過程。

5 結語

以解決課程設計的復雜工程實踐問題為切入點，結合冶金機械裝備的核心前沿技術，將課程設計與專業特色及學科競賽等相結合，豐富了課程設計選題及教學內容，允許學生自主選題，突出了個性化人才的培養，提高了學習興趣與創新設計效果。提出了多成員團隊協同自主創新設計實踐教學方法，由團隊自主確定設計目標，進行多方案創新設計，并將課程設計與理論課程同步實施，加大課程設計的調研、查閱文獻等周期。因此，可以探索通過優化和豐富課程設計實踐教學內容，改革課程設計實踐教學方法等來實現在新時代、新工科和工程教育認證背景下個性化培養學生四能力的新途徑。