基于新工科建設背景下的《機械設計》教材建設的幾點思考

摘 要：新工科建設需要有新的教材和新的教法。本文從培養適應經濟社會和產業發展需要的卓越機械類工程人才的視角出發，通過研究兩本國外《機械設計》經典教材的體系和特色，并與我國現行的《機械設計》教材進行比較分析，提出了我國《機械設計》教材建設在革新教育教學理念、優化教材結構、更新教材內容以及強化與工程實際和現代信息技術融合等方面需進一步改進的幾個方面，力圖為新工科建設背景下的《機械設計》教材建設提供一些參考。

關鍵詞：新工科;機械設計;教材;課程;成果導向教育

2017年，我國提出新工科教育理念和工程教育改革，旨在以立德樹人為引領，通過研究和實踐圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系，著力培養適應未來社會和產業發展需要的多元化、創新性卓越工程人才[1]。為此，李培根院士指出，“新工科”計劃的推進關鍵在于對“新”的內涵的認識。而“新”的內涵首先表現在面向未來的工程人才應該具備怎樣的“新素養”。為了使學生具備“新素養”，需要工程教育的新結構，其主要的著眼點應該在專業和課程的邊界再設計、課程重構等。“新工科”要落地在教材和教學方法的“新”[2]，可謂一語中的。

教材是人們按照教育教學目標，遵循相應的教育教學規律而組織的教學資源，具有規范化、程序化、具體化的特點。作為教學內容的物化形態，教材是教學系統必須具有的實質性的因素，在教學中占據重要地位[3]。所以，一本優秀的教材，必須堅持正確的政治方向和價值導向，體現先進的教育教學理念，教學目標明確，教材內容應具有科學性、先進性和適用性，教材結構合理、完備且應具有一定的彈性與靈活性。具體到新工科背景下的相關教材建設，需要圍繞培養解決復雜工程問題的多元化、創新性卓越工程人才的目標，在教材的教育教學理念上要進一步強化諸如OBE、CDIO等先進工程教育理念的引領，在教材內容上要進一步強化與工程實際、現代信息技術以及經濟社會和產業發展新成果的深度融合，在教材體系和結構上要進一步優化，盡力滿足項目化學習、案例學習、模塊化學習等不同學習方式的要求。

本文從培養適應經濟社會和產業發展需要的卓越機械類工程人才的視角出發，針對目前我國《機械設計》教材建設現狀和存在的問題，通過研究兩本國外《機械設計》經典教材的體系和特色，并與我國現行的《機械設計》教材進行分析比較，提出我國《機械設計》教材建設需進一步改進的幾個方面，力圖為新工科背景下的《機械設計》教材建設提供一些參考。

一、目前我國《機械設計》教材的現狀分析

機械設計課程是一門培養機械類專業學生機械設計能力的技術基礎課。課程教學目標是培養學生掌握通用機械零部件設計計算的基本知識、基本理論、基本方法和創新思維，以及機械創新設計構思和綜合設計技能的實踐能力的基本訓練。通過學習，要求學生具有以下能力：（1）掌握通用機械零部件的設計原理、方法和機械設計的一般規律，具有機械系統綜合設計能力;（2）具有應用計算機輔助設計的能力;（3）具有運用標準、規范、手冊、圖冊等有關技術資料的能力;（4）掌握典型機械零件的實驗方法，獲得實驗技能的基本訓練;（5）樹立正確的設計思想，了解國家當前的有關技術經濟政策[4]。

目前，我國正式出版的《機械設計》教材有130余種，其中既有一批多次再版、經久不衰的經典教材，也有一批獨具特色、個性鮮明的新教材。對照新工科建設的新要求，不少教材不論是在培養學生掌握最先進知識包括自然科學、工程科學等專業知識方面，還是在培養綜合能力包括應用所學知識解決工程實際問題、工程創造創新創業能力、團隊意識、溝通交流和領導能力、終身學習能力等核心技能和職業素養方面，都不同程度存在需要進一步改進的地方。具體體現在以下幾個方面：（1）教育教學理念有待更新。在著力培養學生的綜合素質尤其是學生發展的核心素養，滿足學生個性化、多樣化發展等需求方面的意識和理念有待提高。（2）教材結構有待優化。由于機械設計課程所涉及的內容繁雜多樣，在教材結構上一方面表現出系統性、整體性、邏輯性有待進一步完善，另一方面在教材內容組織上開放性不夠，一定程度上還滿足不了彈性教學、分層教學的要求。（3）教材內容更新力度不夠。體現學科專業新理論、行業發展新動態，反映新知識、新技術、新工藝和新規范，展現經濟社會發展新成就、科技發展新成果的內容還是比較欠缺。（4）教材的適用性有待提高。按照現代教育理論，探討進一步符合學生年齡特點、認知規律和學習特點，適應項目學習、案例學習、模塊化學習等不同學習方式要求方面尚需努力。（5）與現代信息技術，尤其是計算機輔助設計、計算機輔助工程以及計算機輔助制造等方面的深度融合不夠。還不能將學生從一些煩瑣的常規計算中解放出來，從而使學生有更多精力專注于核心知識、技能的學習研究中去。

二、對兩本國外《機械設計》經典教材的分析

他山之石，可以攻玉。現在結合兩本國外機械類專業《機械設計》經典教材的特點，分析目前我國《機械設計》教材的不足，旨在對我國相關教材建設起到積極的促進作用。第一本是由德國D.穆斯等編著的《機械設計》教材（原書第16版，以下簡稱第一本教材）[5]，第二本是由美國羅伯特·諾頓編著的《機械設計》教材（原書第5版，以下簡稱第二本教材）[6]。這兩本教材分別作為德國、美國的優秀經典教材，大致代表了21世紀以來國外《機械設計》教材的發展方向。

第一本教材的體系結構和內容大體和國內傳統的《機械設計》教材相同，該書定位為既可以作為高等院校教材，又可用于工程實踐，所以除配套專門的《機械設計習題集》外，還配套有《機械設計表格手冊》，全面收錄了機械設計課程教學內容所涉及的計算和設計所必需的數據、圖表、標準摘要和設計經驗，可以說覆蓋了通用機械零部件設計的主要數據，手冊結構緊湊、內容豐富、簡明扼要、便于查閱。該教材緊密結合生產實際和行業發展最新情況，十分注重通用機械零部件的結構設計，并提供了大量全新的通用機械零部件的結構形式。

第二本教材的體系結構新穎，共分為2篇。第1篇為基礎篇，主要圍繞工程材料靜動態力學性能，詳細介紹了材料和工藝、應力應變和撓度、靜態失效理論、疲勞失效理論和表面失效等，以及傳統機械原理課程中的運動和受力分析以及有限元分析的基本方法等，所占篇幅約占全書的一半。第2篇為機械設計篇，除傳統的通用機械零部件設計之外，還安排了系列設計案例研究，且將這些案例貫穿后續具體通用機械零部件設計的各章節。該書十分強調專業綜合與設計能力的培養，將CAD/CAE等技術充分融入通用機械零部件設計計算的各環節。另外一個鮮明的特點就是課后習題設計獨具匠心。全書886道習題中，有200道習題貫穿后續各章節，隨著各教學章節的次第開展，同一主題的設計要求由易到難，把通用機械零部件設計問題的復雜性漸次展開，由簡單到復雜，由單一到綜合，非常符合學生的學習認知規律。

通過對上述兩本國外優秀經典教材的分析可以發現，當下《機械設計》教材圍繞培養學生解決復雜工程問題的能力，有以下發展趨勢。

1.將通用機械零部件的設計分析與CAD/CAE技術深度融合

目前我們正處于工業化與信息化相互交織、深度融合的過渡期，如何將信息化技術深度融入課程教材，不同的《機械設計》課程教材給出了不同的回答。如第一本教材中，根據一些通用機械零部件的設計分析邏輯順序，給出了零部件的設計計算框圖，讓學生據此自行編制相應的計算程序。而在第二本教材中，作者針對不同的機械零部件設計，應用SolidWorks，Mathcad，MATLAB，Excel等軟件，全方位培養學生的建模、分析和計算能力，讓學生既能充分體會機械設計過程的本質是一個逐步迭代、不斷尋優的過程，也充分利用計算機手段，將學生從傳統的、煩瑣的、重復的單純計算中解脫出來，進而培養學生在現代信息技術手段背景下解決工程實際問題的素養。比如，在軸的強度計算和設計中，通過引入奇異函數，加之計算機計算技術，可以很方便、準確地進行計算設計，把學生從受力分析、彎矩和扭矩圖的計算分析等煩瑣的計算中解放出來，既了解了軸的強度計算和設計的基本理論、基本方法，又進一步拓展到奇異函數法、CAE技術分析求解等方面，進一步培養學生利用現代信息技術手段解決工程實際問題的素養和能力。

2.進一步強調解決工程實際問題能力的培養

在《華盛頓協議》或中國工程教育認證標準中，有關畢業要求的第一條就是要求畢業生能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決復雜工程問題。這個要求如何具體落實在課程教材之中，也是需要我們深入思考的一個重要問題。比如，在我國傳統的《機械設計》教材中，我們往往給出的是預先施加在機械零部件上的“載荷模型”，然后以此為基礎教學生如何通過這些載荷按照相應的設計準則計算確定這些載荷所引起的應力和變形。且不說在實際的機械設計過程中，這些載荷除了外加載荷之外，往往還應該包括由于零部件自身的質量和運動加速度所引起的慣性力，而且這些“載荷模型”從何而來？他是面向工程實際的嗎？實際上，這些“載荷模型”是已經簡化的數學模型，它的前身應該來源于面向實際機器系統的物理模型，機械零部件設計中建立計算模型的次序應該是“工程實際對象—物理模型—數學模型（載荷模型）”。在第二本教材中，面向具體的機械零部件設計問題，首先要求學生在觀察、分析甚至實驗的基礎上，對實際的工程設計問題的主要方面做出合理的簡化與假設，從而建立物理模型，然后據此再進一步簡化建立機械零部件設計計算所需要的數學模型，即“載荷模型”。這樣的建模方法和過程才是真正面向工程實際問題，符合機械設計課程教學目標的。事實上，不但是第二本教材如此，許多美國版《機械設計》教材都是這樣做的[7-8]。但我國傳統的《機械設計》教材在這方面明顯是一個弱項。

3.進一步強調采用系統集成的方法來培養學生的綜合設計能力

教材凝結了教學目標、教學內容及教學模式。教材既是師生教學活動的基本依據，也是師生教學活動的對象和客體，它作為教學目標的物化形態并通過師生的教學活動來求得教學目標的實現[3]。機械設計課程主要講授通用機械零部件的設計理論、設計方法，一門課程涉及十幾類典型的通用機械零部件，這些通用機械零部件所履行的功能不同、所依據的設計計算方法各異，極易給初學者造成課程就是一個“食品拼盤”的錯誤印象。如何在這些看似分散、功能各異的通用機械零部件設計的背后發現工程設計的基本思想、基本方法，教材內容的構造和教學模式的選擇在教材中間應有明確的體現。比如，在第一本教材中，作者從所設計的零部件必須滿足規定功能的前提出發，從零部件材料的可選擇性、設計的可靠性（包括應力分析和結構設計）以及零部件加工的可能性三方面入手，來開展教學內容的組織，以此培養學生的綜合設計能力。而第二本教材則試圖采用系列案例研究的方法，來實現遞進培養學生綜合設計能力的目標。這些系列案例給出同一設計問題的不同方面的目標要求，覆蓋了課程所涉及的各類通用機械零部件的設計，以此為學習者提供整體工程設計的訓練，且為后續的項目教學提供素材，以進一步鞏固學生對課程中分析設計知識、技能和團隊合作精神的培養。

4.進一步強調教材內容與新知識、新技術、新產品的融合

一本優秀的教材，其內容必須具有適用性、科學性、先進性。所謂適用性，就是教材必須與經濟建設和社會發展相適應，與學生的知識基礎和認知規律相適應，教材的深度廣度同課程學習目標和專業人才培養目標相適應，同時要充分吸收現代學習理論的新成果，適應項目化學習、案例學習、模塊化學習等不同學習方式的要求。所謂科學性，是指教材內容必須經過實踐檢驗或者科學實驗證明是正確的，不能把一些無定論、猜測性、主觀臆想的內容引入教材。所謂先進性，就是教材要及時展現經濟社會發展新成就和科技領域新成果，及時吸納學科專業新理論，反映新知識、新技術、新工藝和新規范，實現教材內容成熟與創新的有機統一，使學生通過學習，體會到工程設計領域的綜合性和創新性，同時也要為學生提供進一步自主學習的空間。比如，在第一本教材中，一方面，每章最后提供的參考文獻、設計標準、專利等共有約400篇，且所引用的最新資料時間截至原文版教材出版的前一年;另一方面，還特別強調讀者在使用該教材進行工程實踐時，一定要有結合最新的和完整的德國標準和供貨商提供的最新設計資料進行設計計算和選型的意識;而第二本教材在每章的最后，分別以參考文獻、參考書目和網上資料的形式提供了共約380篇文獻資料，且所引用的最新資料時間截至原文版教材出版的前兩年。這些豐富翔實的資料為學生進行自主學習、研究性學習提供了廣闊的空間。在這方面，我國傳統的《機械設計》教材也存在需要進一步改進的空間。

5.注重課后習題的系統設計

習題是教材的重要組成部分，是學習過程中不可或缺的重要環節，是學生掌握知識、形成技能、培養運用知識解決工程實際問題能力的主要載體和有效工具。習題作為學生學習成果的具體體現，通過學生大量習題的演練和任課教師批改作業，可以部分回答引導工程教育改革理念的成果導向教育（OBE）所強調的：（1）我們想讓學生取得的學習成果是什么？（2）我們為什么要讓學生取得這樣的學習成果？（3）我們如何有效地幫助學生取得這些學習成果？（4）我們如何知道學生已經取得了這些學習成果？同時，恰當的習題還有助于學生建立學習自信心，提高用專業語言進行表達和交流的能力，感受課程的嚴謹性和確定性，進而形成正確的工程設計思維和工程價值觀。在這方面，第二本教材做了比較深入的研究探索，它基于以學習者為核心的建構主義學習理論，構建了一套比較科學的課后習題體系。比如，圍繞拖車掛接裝置的設計，習題3-4要求學生運用所學的運動與受力分析方法，對拖車掛接裝置進行靜態受力分析;習題4-4要求學生基于習題3-4的計算結果進行掛接裝置的應力分析;習題5-4則要求學生用習題4-4計算得到的應力進一步計算靜態安全系數;習題6-4則進一步要求學生結合本章學習的疲勞失效理論對同一掛接裝置進行疲勞失效分析;習題7-4則要求學生對該掛接裝置進行接觸應力分析;而在第八章，作為案例研究內容，對該掛接裝置進行了有限元分析。這樣的習題設計與安排，通過不斷引入新的設計要求，將工程設計問題的復雜性梯次展開，接續培養和檢驗學生解決工程問題的能力。對照這樣的課后習題設計思想，無須諱言，近年來我國機械設計課程與教材的建設和改革，還缺乏基于OBE教育理念對教材習題的系統設計和深入研究，而且由于多方面的原因，布置學生演練的習題量較少，導致學生得不到全方位遞進的、嚴格規范的、艱苦的基本技能和創新思維的訓練。

三、結束語

機械設計課程作為機械類專業的一門技術基礎課，在機械類專業的課程體系中起著承前啟后的重要作用。對于未來機械設計課程的教材建設，我們應圍繞新工科建設的新要求和培養適應未來社會和產業發展需要的多元化、創新性卓越工程人才的目標，要進一步創新和吸收先進教育教學理念，廣泛吸收當下先進學習理論和學科、專業以及行業發展的新知識、新技術、新工藝和新規范，基于培養學生面向解決復雜工程問題能力進一步優化教材結構體系和內容，進一步與工程實際和現代信息技術相融合，真正打造出一批“中國特色，世界水平”的優秀的《機械設計》教材。

參考文獻：

[1]鐘登華. 新工科建設的內涵與行動[J]. 高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]李培根. 工科何以為新？[J]. 高等工程教育研究，2017（4）：1-4，15.

[3]曾天山. 論教材在教學中的地位與功能[J]. 現代中小學教育，1995（5）：25-27.

[4]教育部高等學校機械基礎課程教學指導分委員會.高等學校機械基礎系列課程現狀調查分析報告暨機械基礎系列課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社，2012.

[5]穆斯，等.機械設計：第16版[M].孔建益，譯. 北京：機械工業出版社，2011.

[6]諾頓.機械設計：第5版[M].黃平，等譯. 北京：機械工業出版社，2015.

[7]希格利，米施克.機械工程設計：第6版[M].北京：機械工業出版社，2008.

[8]莫特.機械設計中的機械零件：第3版[M].北京：機械工業出版社，2004.

武寶林，天津工業大學機械工程學院教授。