面向創新設計能力培養的機械設計基礎實驗教學改革探索

桂 亮，金 悅，郭 婷，王永泉，奚延輝

（西安交通大學 機械基礎國家級實驗教學示范中心，西安 710049）

工程教育專業認證是國際通行的一種工程教育質量保證制度，遵循成果導向，以學生中心、持續改進為理念[1]。我國高校大規模啟動該項工作，旨在面向工程實踐、依托產教融合協同育人，培養符合地方產業發展的工程人才，大力提升工程人才培養質量。2019 年教育部全面啟動了一流本科課程建設，提出了“兩性一度”（高階性、創新性、挑戰度）的課程標準[2]，旨在推進課程改革創新，實施科學課程評價，完善以質量為導向的課程建設激勵機制，形成多類型、多樣化的教學內容與課程體系。

實踐教學是本科生整個教學體系中的重要環節[3-4]，尤其對工科專業而言，重要程度不可言喻，其可以幫助學生加深對理論知識的理解與應用，培養學生運用實驗手段研究解決機械類專業復雜工程問題的能力[5-6]。因此，近些年很多學校在工程教育認證和一流課程建設標準的指導下，陸續開展了實踐教學成效的持續改進，如清華大學在流體力學課程中設計了創新性實驗教學項目，增強了學生發現問題、分析問題和解決問題能力的實踐創新能力[7]；上海交通大學在材料綜合實驗課程中引入創新性實驗項目，建立以學生小組為執行主體的項目運行模式[8]；華中科技大學光纖光學課程改革更新實驗課程，實驗內容緊跟目前光纖通信前沿與熱點技術，有利于學生獨立解決問題能力、自學能力的培養[9]。

機械設計基礎是機械工程、能源與動力工程等工科專業的核心基礎課程之一，起著承上（基礎知識）啟下（專業知識）的作用[10]。西安交通大學每年有近40 個班的1 000 余名學生參與此課程學習。本文以該課程為例，依據工程教育專業認證和一流課程建設原則，闡述了近幾年來從實驗內容、環節的設置、指導方法和持續改進等方面的教學改革措施。

一、課程實驗教學改革背景

機械設計基礎課程是將原先機械原理和機械零件課程合并組建而成的一門專業基礎核心課程，課程目標是培養學生在機械設計領域的創新意識，從而具備識別、分析和解決復雜工程問題的能力。為了幫助學生掌握常用機構的分析與設計方法及機械零件的設計原理、方法等，課程設置了16 學時的實驗環節。在過去的實驗教學過程中，總體上能夠達到幫助學生理解相關知識的效果，但仍存在以下四方面問題。

（1）實驗項目以驗證理論知識、掌握實驗技能為主，綜合性和設計性實驗開設率低，學生大都“被動參與”。

（2）實驗內容和環節不利于培養學生創新設計能力，教學主要為知識傳授服務，與工程教育專業認證的“以學生為中心”、產出導向的理念不符。

（3）實驗考核方式單一，主要以實驗結果為主，學生可自主發揮的空間有限，不利于提升學生的積極性。

（4）不論是教學內容還是教學模式，多年不變，未能基于學生的反饋進行持續改進。

二、課程實驗教學改革措施

（一）實驗教學改革理念

工程教育專業認證標準遵循三個基本理念：成果導向（Outcomes Based Education，OBE）、以學生為中心和持續改進[11]。OBE 的核心任務是教學設計，教學實施的目標是學生通過教育過程取得學習成果。因此，實踐教學活動的實施要圍繞學生的實踐學習成果產出來設計[12]，按照自上而下的方向設計路徑，以培養目標為最高導向，經由畢業要求和課程關聯矩陣逐層分解、映射得到[13]，從而設計出相應的實踐環節；“持續改進”是工程教育專業認證的核心理念之一[14-15]，是基于學生實驗學習效果評價的質量改進和保障機制。實驗教學活動應該包含多個閉環反饋和改進環節，需要通過實驗教學內容的合理設置，實驗教學方法和實驗教學手段的改進來引導學生、啟發學生，從而提升實驗教學的效果，預期實現以下目標。

（1）加強實驗的綜合性、研究性和創新性，加大學生學習投入，讓學生體驗“跳一跳才能夠得著”的學習挑戰，同時優化考核評價，增強學生經過刻苦學習收獲能力的成就感。

（2）實驗環節設置堅持將知識、能力有機融合，培養學生深度分析、解決復雜工程問題的綜合能力和高級思維。

（3）將前沿學術研究引入實驗教學，體現前沿性與時代性，積極引導學生進行探究式與個性化學習。

（4）實踐教學內容和環節的設置依據學生的反饋每年持續改進。

（二）實驗教學項目綜合化

基于OBE 的理念，實現學習產出最終要落實到課程的教學上，這是一個自上而下的反向設計過程。根據畢業要求和課程關聯矩陣逐層分解得到課程的教學目標，而課程教學又是通過理論教學和實踐教學實現對學生能力的培養。按照培養學生解決復雜問題能力的目標定位，實踐教學要與理論教學相結合，選擇恰當的載體，使學生經歷復雜工程（系統）的過程和要素，并在構建過程中掌握深入的工程原理，體現知識、技術和方法的綜合應用。因此，課程重新規劃了實驗項目，大幅度刪減了傳統的驗證型實驗，增加了綜合型實驗的比重，構建起驗證型—綜合型并存的綜合化實驗項目體系，在每項綜合實驗項目的設計中力求建構一種面向復雜工程問題能力培養的教學背景或情境，包括：（1）需運用數學、運動學、力學等科學和工程原理在一定約束下對特定功能的機構組合系統進行分析、描述；（2）內容涵蓋設計、建模及實現，具有綜合性和一定挑戰度。

改革后的課程教學計劃設置了2 個綜合型實驗（3選2）、2 個驗證型實驗（4 選2），見表1。課程目標對畢業要求的支撐關系及實驗環節對課程目標的支撐關系如圖1 所示。3 個綜合性實驗主要培養學生的機構分析與設計能力、系統方案設計能力及問題解決能力。

圖1 機械設計基礎課程目標對畢業要求的支撐關系

表1 改革前后的實驗項目對比

（三）實驗教學過程節點化

教學過程決定了教學內容實施的好壞，如何設置實驗環節來承載相應的教學內容，以便更好地引導學生將學到的理論知識和實踐應用結合起來，是教學效果提升的舉措保證。在改革后的實驗教學中，提出了“階段目標節點驅動”的教學理念，以綜合實驗一“面向機器復雜功能的運動系統創新設計與實現”為例，其教學環節設置如下。

1.環節一：查閱機構優化設計文獻并撰寫綜述

以工業機器人為對象，針對某一具體方向，查找近年相關機械產品，了解其功能實現的機構、工作原理、特點和優勢。自選主題，撰寫文獻綜述報告。要求閱讀相關研究文獻不少于20 篇，其中近五年的文獻不少于10篇，參照綜述論文格式進行撰寫，不少于3 000 字。

2.環節二：案例模型學習與搭建

按照給定模型案例，學習創意組合模型結構設計的方法，按照說明書要求搭建案例模型。

3.環節三：產品方案設計與建模

各小組根據給定的實驗任務、所查資料，以各組案例模型零件為依托，設計能實現功能需求的運動系統方案，利用三維建模軟件對所設計的產品方案進行建模，并進一步優化設計方案。

4.環節四：方案系統搭建與實現

以小組為單位，根據搭建設計方案整體模型（零件以案例模型零件為主要依托，也可利用3D 打印機等自行加工或借助其他零件），使其能實現設計的目標功能需求。

5.環節五：方案展示與評價

撰寫實驗報告、答辯PPT，進行方案展示與答辯。

各環節時間節點如圖2 所示。

圖2 綜合實驗各環節時間節點

改革后的課程教學計劃中綜合型實驗大幅增加，其特點和組織方式均不同于傳統的驗證型實驗，更注重強調以學生為主體，3～5 個學生一組，根據設定的題目由小組探索并尋找解決方案，引導學生進行主動實踐，給學生探索、創新的空間。因此，綜合實驗的指導主要采用基于項目制的探索導學互動式實驗教學方法，以學生為主體的“變教為導，以導促學，學思結合，導學互動”。

（四）實驗教學考核指標化

綜合型實驗由若干遞進的任務環節構成，其考核形式不能像驗證型實驗僅僅依靠實驗結果進行考核，而應該將過程評價和結果評價相結合，個人考核和團隊考核相結合。因此，從課程目標出發，針對每個綜合型實驗，各任務環節均有評價指標。以綜合實驗“面向機器復雜功能的運動系統創新設計與實現”為例，其考核包括兩部分：小組成績和個人成績。個人實驗成績=小組成績×個人貢獻度。其中小組成績由實驗各個環節評分得出，見表2。個人貢獻度是指該學生在本實驗中的貢獻程度，由各組學生自行商定并說明貢獻度分配理由，見表3。

表2 綜合實驗評分量規表

表3 組員貢獻度

（五）實驗教學改進持續化

每個綜合型實驗結束時，要求每一名學生填寫綜合實驗效果調查問卷。每學期末，實驗指導教師對調查問卷進行統計分析，如圖3 所示。根據學生的反饋和實驗報告、答辯等環節發現的問題進行討論，對下一輪實驗從內容優化、環節設置、實驗考核及指導方法等方面提出進一步的改進措施。

圖3 綜合實驗效果調查結果

以綜合實驗二“機器功能驅動的機構優化設計與評價”為例，本實驗旨在加深學生對機構組成結構的認識，培養學生機構分析及設計的能力及三維建模的能力。為了更好地激發學生對機構設計的興趣，每年的選題都在不斷優化，與各類學科競賽主題、機構學前沿研究熱點等內容相結合。如2017 年與第八屆全國大學生機械創新設計大賽主題相結合，要求設計一款水果采摘機構；2018—2021 年則圍繞仿生機構，而每一年的要求均有所不同。

又如綜合實驗三“軸系結構設計與組裝”，整個實驗跨度7 周時間，在進行環節“軸系結構設計”時，部分內容尚未學習，因此，對部分零件功能、應用場合不清楚。基于此在第二年教學中進行了改進，在軸系結構設計之前增加了一個環節“軸系零件測量與軸系設計認知學習”，要求學生對軸系模型中相關零件的功能、應用場合進行梳理，并通過軸系展板等進行軸系結構的認知學習，并根據各組學生的掌握情況進行指導。環節改進后，學生反饋效果很好。

三、實踐教學改革成效

（一）學生積極性和成績大幅提升

經過改革，學生參與實驗的積極性和互動性大大提升，從資料查找環節、設計環節到答辯環節，各組學生會積極與指導老師討論，并對實驗提出他們的感受和改進建議。實驗報告撰寫認真，三維建模、機構設計與分析的能力得到訓練，如圖4 所示。改革前后學生的實驗成績對比如圖5 所示，可以看出改革后學生成績有很大幅度提升。

圖5 實踐教學改革前后實驗成績對比

（二）學生創新設計能力持續增強

由于機械設計基礎課內綜合實驗的選題和環節設置均與全國大學生機械創新設計大賽緊密結合，學生對機構創新設計的興趣和能力大大加強。圖6 為學生為快速方便摘柑子而設計的“助力柑子采摘器”，其采摘頭采用聯動式對稱十桿機構，通過一個滑塊帶動兩個搖桿運動，通過兩搖桿帶動切割刀片完成開合運動，實現采摘。該作品由于其獨特的十桿機構設計和良好的采摘效率獲得了第八屆全國機械創新設計大賽一等獎。自從實踐教學改革以來，本校在歷屆全國大學生機械創新設計大賽中的成績不斷創新高，第七屆獲國賽一等獎5 項，二等獎5 項；第八屆獲一等獎12 項，二等獎2 項；第九屆獲一等獎10 項，二等獎7 項。連續三屆國賽獲獎數量居全國高校第一。

圖6 助力柑子采摘器

四、結束語

圍繞機械設計基礎課程實驗教學，西安交通大學從實驗教學內容、教學環節設置、教學手段及學生考核評價等方面開展了一系列的探索與改進。

（1）優化了實驗項目與內容，加強實驗的綜合性、研究性與創新性，提出將課內綜合實驗和機械創新設計大賽主題、前沿學術研究相結合，豐富了實驗教學內容和難度，讓學生體驗了“跳一跳才能夠得著”，增強學生收獲能力的成就感。

（2）設置了符合本科生認知規律的實驗教學環節及對應的指導方法，有力支撐了學生解決復雜工程能力的培養。

（3）實施了過程評價與結果評價相結合、個人考核與團隊考核相結合的考核方法，并建立了實驗教學持續改進流程，不斷提升實驗教學質量。

（4）實驗教學的系列改革極大激發了學生的學習興趣，培養了學生對機構的創新設計能力，在連續三屆機械創新設計大賽中獲獎數居全國第一。