基于目標導向組織機械設計課程教學的探索

穆璽清　張繼林

[摘 要]工程能力是工科專業本科生應具備的一種關鍵能力。該研究探討在OBE理念下以培養解決復雜工程問題的能力為目標，以設計出符合要求的機械結構教學為導向，開展了機械設計課程教學探索。這個教學過程通過梳理課程目標，重新構建課程體系，以設計項目具體產品為主線，采用案例項目引導、討論式課堂授課、增加實操環節以及多元化的評價措施，在突出以學生為中心的實施過程中使教與學有機融合，從而使學生的學習主動性得到調動以及其判斷和解決工程問題的能力得到有效提升。

[關鍵詞]機械設計;目標導向;高校教學

[中圖分類號] G642.421 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）11-0057-03

我國產業經濟的飛速發展，對工科類專業本科生工程能力的要求不斷提高。教育部開展基于學習產出（OBE）標準的工程專業認證和管理，是對高校調動學生學習探索的積極主動性、培養學生發現和解決工程實際問題能力等要求的全面落實[1]。機械設計是機械大類專業培養學生機械設計能力的學科專業基礎課程，是一門理論性和實踐性很強且直接面向實際設計應用的課程[2]，在培養學生工程專業意識、機械專業思維、綜合分析和解決專業實際問題的能力方面占有重要地位。這門課程總共有56學時（其中實驗8學時），3.5學分。

從結構出發設計出合理的具體完整機器是學習機械設計課程的最終目的。如何使學生更深刻地理解機械設計內涵，如何使學生感興趣且深入地學習課程內容，如何使學生的分析和設計能力得到提升，這些都是施教者經常思索和探究的問題。機械設計課程的概念、名詞、公式、圖表眾多，而且大量的公式、國家標準、規范與課程內容融合交織，具有內容雜、重點不突出的特點，因此存在學生普遍感到內容零亂、把握不住重點等問題。設計機器沒有固定模式，但一般要經歷產品規劃，方案設計，技術與施工圖設計以及產品試制、調試與鑒定等階段。以能力培養為目標、以具體結構設計為導向，將具體機器的制造和圖紙設計穿插在課程教學過程中，有助于提高教學質量、獲得良好教學效果。其具體做法主要有以下幾方面。

一、根據人才培養方案制訂機械設計課程目標

機械設計課程組依據機械設計制造及其自動化專業人才培養方案要求以及課程支撐畢業要求指標點1.2、2.2、3.3、6.2、10.1，使學生在工程知識方面具有解決機械制造及其相關領域復雜工程問題所需的工程基礎和專業基礎知識及其應用能力;在問題分析方面能夠基于機械工程科學原理，提出機械制造及其相關領域復雜工程問題的解決方案;在設計/開發解決方案方面能夠基于設計方案進行設計計算，完成機器總體結構、零部件及其相關工藝設計，并能用模型、圖紙、程序、設計報告等進行合理表達;在工程與社會方面能夠基于機械工程材料、機械設計與制造技術等工程知識，合理評價機械產品和制造技術對社會、安全的影響;在溝通和交流方面能夠通過報告、設計圖紙和論文等形式與同行進行有效溝通，陳述自己的想法。

課程組基于OBE理念，以學生為中心，以工程能力培養為原則，按照人才培養方案中的畢業要求對課程賦予的指標和關聯關系，將機械設計課程教學分為理論教學、實驗教學、大作業（作業）指導三大環節，通過各環節的協調互補，使學生能夠掌握機械設計基本理論，具有機械設計能力、機械零件（機械系統）實驗能力、工程問題的解決能力;同時通過對課程教學模式、課程教學內容及課程教學方法的探索與改革，將提高解決工程問題的能力貫穿于教學過程的各個環節，由此梳理和確定機械設計課程目標[3]。

目標1：掌握常見通用零件的工作原理、特點、失效形式和設計準則等基本知識，具有根據使用條件選擇和校核的能力。

目標2：熟悉機械工程領域的設計規范和技術標準，對各種通用零件進行設計計算、結構設計和結果修正。

目標3：能夠將通用零件的設計理論與方法應用于具體機械或系統傳動裝置技術中，具有綜合運用設計方法分析或解決具體工程問題的能力。

目標4：能夠通過設計報告或設計文件表述或撰寫機械傳動裝置及其主要零件設計問題。

課程目標注重要求學生對機械設計的基本原理、基本知識和基本理論的掌握，注重學生分析解決問題能力和工程實際應用能力的培養。

二、將案例、項目貫穿于教學全過程的組織

機械設計課程的教學組織以畢業要求和課程目標為基礎以及以畢業要求的能力達成為目的展開。可將機械設計課程教學體系分為課堂教學、實驗教學和課程設計三大部分，各部分既獨立又相互交織[4]。課堂教學將案例與課程內容相結合，實驗教學除了做實驗還增加了與案例、項目有關的項目大作業，課程設計將案例方案優化后進行結構設計具體化。課程圍繞案例、工程項目以及提出問題并解決問題的思路構建機械設計課程教學體系，將原有相互獨立的部分加以有機融合，將案例或項目設計內容貫穿于課程教學的全過程。其教學過程組織如圖1所示。

三、以學生為中心的教學模式的探索與實施

傳統機械設計課程的教學模式存在教師滿堂灌、內容多且課時緊張、學生學習被動且對教師的依賴性強、教師與學生之間是支配與被支配的關系等問題。因此，課程組通過多種教學方式方法和教學設計嘗試，在激發學生學習興趣、學生學習熱情以及提高學生在教學活動中的參與度等方面做工作，改變傳統授課方式，打造了以學生為中心的案例與知識點結合、學生與教師互動、學生由被動變為主動、教師由灌輸變為引導的教學模式。

（一）用案例、項目引導學生的思考與探索

教師將學生已經完成的機械原理課程設計題目、參賽設計題目、工程實踐項目或機械設計中出現的問題作為案例引入機械設計課堂教學中，從學生已有的理論和知識基礎出發，引導學生圍繞案例問題進行思索[5]，在思索學習中獲得新知識，再隨著案例問題的逐步解決使學生對新知識的理解加深，從而達到從“案例—教材內容—案例”途徑獲得和理解相關知識的目的，同時通過引入分析問題、啟發解決問題的過程，達到培養學生分析解決工程實際問題的能力的目的。

零部件設計是設計一臺完整的機器必不可少的步驟，它涵蓋分析（場合、載荷）、設計（材料、結構）、制造（熱處理、工藝）等多個環節。以設計案例產品為主線的課程講解，串連起與產品設計相關的知識。以減速器、洗衣機的設計為例，通過預設功能實現和相關知識穿插實施教學，學生就會思考與該產品相關的很多問題，比如設計機器應考慮哪些因素、如何設計制造零部件等等。教師帶著問題講授，學生帶著問題學習并按任務目標完成設計或項目大作業。教師在教學活動中是組織者、引導者和推進者，學生則是參與者、思考者、獲得者，從而形成教師開展案例式、問題式、討論式教學而學生開展追問式、探究式、參與式學習的教與學的氛圍。將案例、項目貫穿于教學過程的始終，案例、項目問題的解決意味著課堂學習任務的完成，使學生在求索、追問中主動建構起機械設計理論和知識體系，加深相關知識的理解，促進專業人才培養方案的進一步落實。

（二）探索討論式課堂教學模式

課程組按任務驅動的模式分解課程知識點，案例、項目的設計覆蓋課程相關內容，將機械設計課程內容分成總論、常用機械零部件類型和選擇、疲勞強度設計、摩擦學設計、結構設計以及靜強度設計六個部分。學生按照“實踐歸納—理論學習—再實踐總結”模式參與到課程的學習中。課程組根據課程性質將上課教室設在實驗室，學生以會議室圍坐的方式就座，在學生的前方有多媒體屏幕及教師用黑板，在教室的左方、右方、后方再各放一塊供學生討論和商議書寫所用的黑板。例如學習螺栓組連接件布置方式的問題時，教師設定條件，要求學生按不同布置方式分組驗算和討論。學生在自己組的黑板上寫出結果，然后組內或各組之間相互比較、討論和爭辯，再由教師將各組最佳結果進行匯總，通過引導、比較并由學生分析得出最合理的布置方案，從而達成共識。這種討論式課堂學生參與熱情高、知識獲得效果好。實驗室教學依托實驗教學設施使學生能夠看得見、摸得著各種零件、各種機械傳動，加強了學生對機械設計理論知識應用于實際并解決實際問題的直觀感受，增強了學生將理論與實際工程問題的結合意識和解決實際問題的意識。

（三）加強知識的鞏固與綜合能力的提升

課后作業布置、批改和答疑也是學習過程中的重要環節。除正常發布課后作業、思考題外，課程組圍繞以往學生在機械設計課程里普遍出現的問題，有針對性地安排2～3次項目大作業。比如鍵連接知識，學生通過課堂學習很容易掌握和應用，但是做課程設計要將尺寸、形位公差標注到相關零件圖的鍵槽上時容易出現的問題很多。因此，課程組在學生學完鍵連接后專門安排一次既能選出和校核鍵連接又能正確標注鍵槽的與案例、項目有關的大作業，使學生的制圖、公差、零件的相關知識得到綜合應用，有助于學生深度理解標注與零件的關系。又如學生學習了帶傳動后，做設計帶傳動及畫出帶輪零件圖的大作業，讓學生第一次感受到將自己設計計算出的結果數據繪制成零件圖紙的過程，并強調圖紙就是工件成形的指令，從而在培養學生強烈工程意識[6]的同時讓學生對先修課程及本課程內容的綜合應用有了明確的感知，也培養了學生的綜合分析應用能力。學生在學習了齒輪或蝸輪傳動后，再做一次設計及繪制零件圖的大作業，除了能夠正確填寫參數表，其繪制零件圖的能力也得到了鞏固，再經教師的批改和點評后，在后續機械設計課程設計零件圖中出現的問題也得到了大幅度減少，從而提升了綜合運用機械設計方法解決具體工程問題的能力。

四、多元化評價體系的構建

機械設計課程考核采用多元化評價體系[7]。評價項目有課堂出勤、課堂表現、大作業（作業）、實驗和期末考試等，其中課堂出勤、課堂表現、大作業（作業）、實驗屬于學習過程考核評定內容。總成績根據學習過程考核成績和期末考試成績綜合評定，學習過程考核成績占總成績的40%、期末考試成績占60%。其中學習過程考核成績比例分配為課堂出勤（20%）、課堂互動中的參與程度（10%）、作業完成情況（30%）和實驗（40%）。作業完成情況包括平時作業和大作業，各占50%。

五、結論

目標導向組織課程教學的方法在機械設計課程教學中的實踐和應用，通過以學生為中心，案例、項目與教材內容結合，理論與實際結合，啟發式與探究式結合以及教師與學生互動的教學方式，提高了學生的學習主動性和教學參與度，加強了學生的學習過程考核，課堂教學效果明顯，學生實際設計能力有了提升。但還存在以下不足：（1）個別章節安排自學，有少數學生還想強化和深入學習相關內容，但受課時所限，很難顧及這些學生;教師盡管通過微信把機械設計學科的前沿內容、共同的疑難問題發送到學習群里了，但對學生是否了解了、是否感興趣無法掌握。（2）課程組對各知識點歸納整理了選擇題、簡答題等，以便能及時了解學生在課前、課中及課后對知識的掌握情況。但在現有模式下能夠實施的次數有限，而且對學生答題情況的記錄也不夠翔實等。

培養更多更好適應科學技術和社會發展需求的機械類人才，不斷進行教學理念、教學模式、教學方式的探索和改革勢在必行。提升解決復雜機械工程問題的能力需要在專業課程體系的各個環節中循序漸進、不斷探索。發揮網絡課程資源優勢、充分利用在線學習平臺、掌握學生的學習過程、探索與實踐線上線下混合教學模式以及優化學生學習成果評價體系，都是課題組進一步探索和實踐的方向。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 彭翔，李吉泉，姜少飛，等.面向工程能力培養的機械設計課程教學改革研究[J].機械設計，2018（S2）：179-181.

[2] 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].10版.北京：高等教育出版社，2019.

[3] 劉瑛，劉潔，李佰洲.工程教育認證背景下機械設計課程的教學實踐[J]機械設計，2018（S2）：339-342.

[4] 朱美華，奚鷹，陸佳瑋，等.成果導向教育理念在“機械工程材料”教學中的實踐[J].機械設計，2018（S2）：45-47.

[5] 胡文龍.基于CDIO的工科探究式教學改革研究[J].高等工程教育研究，2014（1）：163-168.

[6] 周震，凌益萍，董華青.基于工程精神與工程意識養成的拔尖創新工程人才培養路徑研究[J].浙江工業大學學報（社會科學版），2015（1）：114-119.

[7] 潘懋元，陳春梅.高等教育質量建設的理論設計[J].高等教育研究，2016（3）：1-5.

[責任編輯：龐丹丹]