基于專業認證的“機械設計”課程教學方法的研究

羅曉蘭，陳建義

[中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249]

“機械設計”是一門培養學生工程思維與機械創新設計能力的技術基礎課，是工科機械類系列教學的主干課程[1]。本課程主要學習機器或機構的基本傳動原理和機構設計中的基本理論與方法，培養學生對復雜機構或機械傳動系統運動方案的設計能力，以及對復雜機械工程運動學問題進行分析、求解、論證的能力。是培養學生工程素養和工程設計能力一個很好的訓練平臺。

但是，隨著當今世界工程教育質量要求的提高，沿用已久的“機械設計”課程教學模式存在以下問題：一（1）課程內容散雜，學生學習沒有主線，知識傳授是碎片式的，不能激發學生學習的主動性；（2）課程內容陳舊，與“新工科教育”或”機器人產業發展”極不適應；（3）以教師授課為中心，學生被動聽課，不能發揮學生學習的主動性。這些都與工程教育專業認證的教育理念相違背。為此，必須積極開展以專業認證標準為要求的“機械設計”課程教學方法的研究，強化以學生為中心，以學生主動學習為目的的教學理念，培養學生養成與“新工科教育”相適應的重工程實踐、重工程集成創新的工程素養。

一、新形勢下“機械設計”課程的任務和挑戰

隨著國家創新驅動和“中國制造2025”等新戰略的實施，以“互聯網+”和“智能機器人”為特征的新技術新業態、新產業等一系列與機械設計和先進制造密切相關的產業蓬勃發展，迫使當今的工程技術人才要具備更高的創新能力和跨界整合能力[2]。為此，作為培養新形勢下的機械專業人才的重要平臺，必須重新認識高等工程教育的本質和內在發展規律。在“機械設計”課程教學中，引入工程專業認證為標準的“新工科”人才培養模式，以機械工程在新技術、新業態、新產業中的應用實例和發展趨勢，激發學生主動學習的興趣和熱情，構建“新工科”背景下的課程教學體系，培養懂原理、會設計、懂材料、能加工的機械工程人才[3]。發揮“機械設計”課程在工程技術人才培養方面的優勢，著力培養學生的工程意識和創新能力。

二、專業認證標準下的“機械設計”課程的課堂引入

工程教育專業認證倡導的是“成果導向教育”（簡稱OBE）的工科教育理念，其教學設計和教學目標必須以學生最終獲得的學習成果為評價依據[4]。為此，與課程設計和教學目標緊密相關的“機械設計”課程的課堂引入方式就顯得尤為重要。

（一）以教學大綱中的課程教學目標為標準，精心設計每一堂課的教學進度

“機械設計”課程是機械類專業的專業基礎課，與“理論力學”“材料力學”“機械設計制造”等多門課程內容有關。為此，在新的章節開始前，應注意以舊引新，尋找新舊知識的關聯和生長點，使學生明白學習此章節新知識的目的和作用，并通過關聯已學知識，強迫學生記憶，為培養學生的綜合工程素養奠定基礎。同時，授課應以系統傳授知識為主，將相關課程內容集中授課，突出重點、難點，通過邊講邊問的教學方式，集中學生注意力，啟發思考，師生互動，體現以學生為中心的教學理念。在課程的重點和難點處，精心關聯基礎理論與難點之間的關系，小步快進，以提問、設問等師生互動方法，當堂反饋矯正，力求把問題在課內解決，提高課程教學效率。

（二）清晰授課內容的脈絡，增強課程知識點的邏輯性

為加強學生主動學習的積極性，解決課程內容碎片式傳授的問題，“機械設計”課程授課必須從明確本門課程各章節之間的邏輯聯系和明確每一節課中各問題之間的邏輯關系兩方面著手，形成課程內容學習的主線條。為此，在“機械設計”課程學習中，圍繞機械設計的研究對象為脈絡，即：研究機械、機械傳動及其設計中的一些基礎知識為主線，在講解各章節中傳動裝置的設計基礎理論和方法時，以回答和解決“機械或機構是否能動？如何動？如何按照要求確切地動”這三個遞進問題為思路，引導學生學習“機械設計”課程中的機構傳動及機構工程設計的基本理論和基本方法，由于脈絡明確，可以非常容易地吸引學生上課的注意力，并能夠與教師授課進度同步思考，互動學習，將雜散的課程內容形成整體，激發學生的學習熱情以及對新知識的記憶和理解。

三、通過移動互聯網技術，構建靈活多樣的“機械設計”授課方式

在“新工科”背景下，為培養新技術、新產業、新業態需要的，具有工程實踐能力和工程集成創新能力的新一代綜合型工程人才，必須在滿足單科課程教學目標的前提下，同時引入大量的工程設計、制造、經濟等相關知識的學習，在學生頭腦中形成“知識的爆炸”。但是，迫于課堂教學學時的限制，傳統的課程授課方式已經難以完成這個艱巨的任務。為此，必須通過移動互聯網技術，構建傳統模式以“雨課堂”“騰訊課堂”等為代表的線上、線下齊頭并進的授課方式。

（一）沿用計算機屏幕等多媒體顯示與黑板板書相結合的線下授課方式

板書或多媒體屏幕顯示是幫助教師展示內容、概念、重點、脈絡的重要手段。雖然，這是傳統的也是沿用多年的授課教學模式，但是，這種教學模式可以使師生面對面交流，課堂互動，便于教師把握課堂節奏，提高學生的學習效率。只是在采用這一傳統授課模式時，注意板書與多媒體屏幕顯示應互為補充，不能過于重復，而且，對板書與計算機屏幕顯示的要求是：醒目、得當、藝術。

（二）以移動互聯網技術，構建“雨課堂”等線上教學模式

為形成“新工科”要求的知識融合，必須突破時間與空間的限制，構建以互聯網及移動技術為基礎的，以“雨課堂”或“騰訊課堂”為手段的線上授課模式。一方面，可以通過線上授課，布置課程預習和選修課程復習要點，發布與課程相關的先進技術資料學習要求和工程案例分析。另一方面，可以通過線上進行課程測驗、提交學習報告等，并實現個性化對學生進行答疑、講評，使師生溝通更加順暢。這種線下的輔助教學模式，突破了時間和空間的限制，為課程內容與相關知識的融合學習，為每一位學生達到專業認證標準下獲得的最終教學效果提供有力的幫助。

四、注重理論與實踐的結合，培養解決復雜工程問題的能力

當今的高等工科教育正面臨著各種新技術、新業態、新產業帶來的重大變革，且以“互聯網+”為特征的智能制造、智能機器人等技術蓬勃發展，對傳統工程技術人才有了更高的要求。這也對培養高層次的機械設計和機械制造高端人才的“機械設計”課程內容帶來了極大的挑戰，面對新時代和新技術下的人才要求，拓展“機械設計”課程中基本理論和基本方法。培養能夠解決復雜工程問題的技術人才，就成為了工程教育專業認證標準要求的必然。

（一）緊跟時代發展，提高教師自身業務素養

面對日益更新的新知識和新技術形勢，作為課堂教學的組織者、引導者，教師先進知識的儲備、創新問題的解決思路等，將極大地影響學生“新工科”背景下的工程素養及復雜工程的跨界整合能力培養。為此，教師必須努力更新自身知識儲備，通過自身學習、生產實習、課程教學研討和科研等方式，及時注意到機械學科的新發展、新動向，緊跟先進技術的前進步伐，以期在教學中，具備培養適應新形勢下的工程技術人才的能力。

（二）培養工程意識，提高解決工程問題的能力

“機械設計”課程的教學重點之一就是培養學生的工程意識。為此，課堂中必須采取多種措施，實現工程意識的培養。首先，可將課程內容與工程問題解決思路緊密結合，以期獲得工程復雜問題的解決思路。例如，在講解“斜齒輪”和“錐齒輪”設計時，提出“當量齒輪的概念”，然后講解如何利用“當量齒輪”，將斜齒輪和錐齒輪轉化成直齒圓柱齒輪，再運用直齒圓柱齒輪相關設計方法和公式，完成斜齒輪或錐齒輪的設計方法。這種基礎理論與工程問題的結合，使學生獲得了解決復雜工程問題能力的訓練。其次，可通過拓展課程中的基本理論和基本方法，培養學生的工程意識。例如，在講解連桿機構運動特性時，將曲柄滑塊機構的急回特性拓展引入在活塞壓縮機的設計當中，解決活塞壓縮機運動裝置中曲柄合理轉向確定；拓展引入最大傳動角的確定方法，解決活塞壓縮機獲得最大傳力性能的條件下，運動裝置關鍵部件的尺寸設計方法。最后，可引入動畫和視頻，形象、直觀地展示機構特性與工程應用之間的關系。例如，引入飛機起落架的運動動畫，展示連桿機構“死點”的工程運用；引入標準直齒輪的加工視頻，加深齒輪“范成法”的加工原理等。多種措施的采用，加深學生對課程內容的理解，使學生更易于掌握“機械設計”課程中的重點、難點內容。而且通過將課程基礎知識與復雜工程問題解決思路的結合和拓展，可開拓學生工程視野、培養學生的工程意識，達到提高學生解決復雜工程問題的能力。

（三）將教學與科研結合，追蹤新知識和新能力的培養

科研項目的研發，代表著當今先進技術的開發和運用。縱向科研項目體現了國家亟待解決的技術和理論難題，代表著此領域的最新理論、最新技術和最新邊界條件的攻關；橫向科研反映了生產企業在生產、制造技術、操作工藝方面急需解決的難點和重點。為此，通過在教學中結合課堂教學內容，展示橫、縱向科研成果的工程案例講解。一方面，通過這種學以致用的成就感，激發學生對新技術、新工藝的求知好奇心；另一方面，也可以以舊引新，促進新知識和新能力的學習，為培養“新工科”要求懂原理、會設計、懂材料、能加工的機械工程人才奠定基礎。例如，在講解錐齒輪機構時，引入“十二五”國家重點研發計劃——“深海水下管匯連接器的工程樣機研制”中，連接器二次鎖緊裝置中錐齒輪的應用實例，再現當時結構設計時碰到的困難，以及后續解決問題的思路來源等過程，極大地激發了學生學習的熱情，對培養學生追蹤新知識和新能力起到了促進作用。

（四）以機構的組合思路，培養創新能力

習近平總書記在歐美同學會成立100周年慶祝大會上的講話指出：“創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力，也是中華民族最深沉的民族稟賦。在激烈的國際競爭中，唯創新者進，唯創新者強，唯創新者勝。”[5]作為為國家培養高等專業技術人才的高等教育，培養學生的創新思維和創新能力，是我們高等教育的使命和應盡的責任。工程中的實用機械裝備，都是由若干個基本機構通過各種連接方法組合而成的一個機構系統。而且，智能制造、智能機器人新業態下的機械裝備正朝著大型化、高參數、集約型、高效能的方向發展[6]。正是利用機械裝備的這些特點，以“機械設計”課程教學平臺，闡述一種創新設計思路，即可以通過機構的組合，輔以控制系統及計算機程序算法等，從而獲得設計先進機器的創新思路。例如，在講解“機械設計”課程中的“輪系”章節時，就重點說明輪系是由一系列齒輪組成的系統，根據齒輪組合方式不同，形成了可用于汽車換速、換向、拐彎等用途的運動裝置。這就是一個典型的機構組合的創新實例，當然，還可以引出以不同學科組合而形成的創新實例。例如，“智能機器人”的設計就是以傳動機構、先進控制系統及計算機編程的組合。通過這些“組合”的工程案例教學，一方面說明創新不是不可碰及的行為，是學生通過各門基礎課學習后可以實現的愿景；另一方面，也教授給學生一個可以通過“組合”而形成創新的工程思路。

五、結束語

新形勢下的高等工科教育正在往“新工科”方向發展，如何在工科的專業基礎課或專業課中，以工程教育專業認證標準的要求，培養新形勢下的高級工程技術人才，是目前高等教育面臨的問題。為此，通過“機械設計”課程的這個教學平臺，以新形勢下工程人才的要求，提升教師工程素養。利用移動互聯網技術，構建靈活多變的授課方式。以激發學生的學習熱情，培養學生工程能力和創新能力為目的，探索出一套與“新工科”教育相適應的“機械設計”課程教學方法具有重要且深遠的意義。