新工科背景下“機械設計”課程教學改革*

劉征宏 ，姚固文 ，徐玉梁

（貴陽學院機械工程學院，貴州 貴陽 550005）

0 引言

在工程教育不斷革新發展的背景下，為響應國家號召，加速新型經濟的升級轉型，促進新型經濟的蓬勃發展，教育部在2017年提出了“新工科”建設的行動路線（“天大行動”），力求進一步推動工程教育的改革與創新。近年來，新工科對應的是一些新興產業，包括對部分傳統工科專業轉型升級和深化改造的產業。與老工科相比，新工科更加強調學科實用性與綜合性的交叉融合。新工科和新興產業并不是一種斷裂式的出現，很多時候是對傳統行業的延續，也是轉型升級的意義所在，機械設計專業正是其典型代表。我國社會發展的基礎是工業，互聯網時代對于專業知識提出了復合的要求，即我們要將工業變得更加智能，所以老工科并不會沒落，而是在互聯網等科技的融入下煥發新的活力，培養出更多行業所需的人才。

未來崛起的新興產業和新型經濟迫切需要同時具備扎實的工程實踐能力、豐富的創新創業意識、強有力的國際競爭力的高素養、高水平新工科人才。從2015年開始，高檔數控機床與機器人和新材料等專業逐漸出現人才缺口擴大的問題。因此，需要加快建設和發展新工科，提前進行人才結構規劃，以培養未來技術和產業發展的領軍人物。在新工科教育的背景下，全國高校應緊跟當地經濟發展的戰略走向，為實施“中國制造2025”重大戰略和經濟由高速度發展到高質量發展的轉變提供人才支持。機械設計專業在行業中起著不可或缺的作用，“機械設計”課程更是基石中的基石[1]。基于此，課題組對現有的課程進行了設計改革，通過優化教學內容和教學手段，銜接實踐體系，開展探索性教學實踐，開放理論與實踐教學資源，不僅培養了學生的創新思維能力，也使得高校更加注重學生的全面發展。

1 傳統“機械設計”課程的缺陷

1.1 教學內容缺陷

傳統“機械設計”課程的教學目標來自原有教學大綱，大部分專業課程的內容較為固定，教學的內容也局限于書本理論知識和部分經典案例。理論性的知識比較枯燥，且難以與當下社會實際相結合，導致了這些理論知識通常被相關專業的學生看作是理想化的、精煉化的專業術語。教學內容主要圍繞基本原理展開，工程應用能力的訓練并不充足。在教材使用方面，目前市面上教科書種類很多，但這些教科書都是采用大量的篇幅來論述理論，并且其所引用的案例也大多相似，缺乏創造性；雖然其案例具有代表性但也充滿了時代特色，在快速更新迭代的今天略微顯得陳舊，同時也限制了授課老師和學生的思維。目前，高校教學中普遍存在學生的專業理論與工程實際聯系不足的現象，導致了現階段很難滿足既掌握一定專業理論又具有豐富經驗，同時實踐能力強的綜合型人才的社會需求。在歐美等西方發達國家，評價一位工程人才，往往除了提到作為一個工程人員對理論知識的深刻理解外，更重要的是擁有一雙具備創造力、洞察力的慧眼[2]。

1.2 教學方式缺陷

目前，我國機械類課程主流的教學方式仍是單向輸出，即以課堂形式為主，由老師將教材上的理論知識以口頭講述的方式傳授給學生，在學期末以試卷考試的形式考查學生對知識的掌握情況。但在實際情況中，以文字的形式表達教材內的知識對學生而言較為抽象，甚至晦澀難懂。在傳統教學方法下，師生之間的交流溝通僅存在于課堂上，老師無法實時掌握學生的學習情況。在學時安排方面，要在1學期或1學年內將教學內容講得通俗易懂、深入透徹也是非常困難的。為了在有限的時間內完成教學進度，部分高校一股腦地向學生灌輸知識，這種“趕鴨式”的單向灌輸式教學極大地影響了學生學習的自主性和樂學、善學、好學習慣的養成[3]。

1.3 實踐體系缺陷

目前，“機械設計”課程的實踐教學體系逐漸滿足不了現代人才的培養要求。各地高校以課堂傳授理論知識為主，缺乏案例學習、社會實踐、研討學習等多元化的學習途徑，實踐體系尚不完善。部分高校開設有實驗課程，但存在教學設施落后、實驗設備老舊、校企合作力度小以及教學資源有限等問題，學生所學理論知識無法用以實踐是許多高校的通病。部分高校即便開設了實踐教學，但也基本只有實驗課模式，實踐內容還是單一重復；部分高校甚至從未開設實踐實驗環節，導致了學生即使理解所學課程在職業生涯中的重要性，但由于單一理論學習的乏味、不清楚課程與工程實踐的結合點，也很難獨立發現問題并解決問題。部分高校學生始終停滯在模式化的計算和機械化的繪圖過程，整個設計環節是對往屆學生實踐的重復性模仿[4]。在該學習模式下，學生容易產生應付心理，對實習實訓漫不經心、對實踐內容敷衍了事，最后演變成隨便畫幾張設計圖、只做簡單的計算，甚至出現為求結果正確，隱瞞過程中出現錯誤的情況。

2 “機械設計”課程的教學改革

“機械設計”課程作為機械專業學生的必修課程之一，其主旨是幫助學生理解掌握機械設計的完整過程，然而傳統的設計任務、設計主題已經難以滿足新技術、新時代、新產業的需求。基于此，高校需要結合互聯網大數據、虛擬現實等技術，立足新時代新工科背景，全面推動“機械設計”課程的教學改革。

新工科背景下，以學生為中心，圍繞學生綜合素質的全面協調發展，對“機械設計”課程的教學內容進行調整，優化教學方法，鼓勵學生借助計算機軟件和信息處理等技術，接受系統的操作訓練，促進理論聯系實際、知識結合操作的專業學習。整體“機械設計”課程教學改革思路，如圖1所示。

圖1 “機械設計”課程教學改革思路圖

2.1 教學內容改革

“機械設計”專業課程強調過程與應用，因此拓展“機械設計”課程理論教學內容尤為重要。“機械設計”課程的教學內容應以工程中存在的實際問題為導向，以繼承和創新兩種主要方式，使理論知識與實際應用更緊密地結合。此外，教師在教學過程中應指導學生獲得有用的綜合實際經驗，將行業的先進成果和設計方法引入教學內容中，并通過實踐檢驗學生是否具備成為工程師的綜合素質和必要的工程技能，以促進學生知識、能力、職業素養三方面共同發展。新工科教育背景下的教學內容革新更注重內在聯系，致力于幫助學生以通俗的方式理解抽象的、晦澀難懂的專業名詞和推理邏輯，專注于促進學生實踐能力的提升和創新能力的培養。

地方高校最重要的屬性之一就是具有地方特色，其在教育內容上也具有地方特點[5]。培養適應社會產業需求、專業能力強的人才是高校的重要任務。隨著大數據、物聯網與智能制造等新興產業的出現，在技術變革突飛猛進的同時，產業需求也相應地發生了變化。“機械設計”課程的教學內容應多與地區發展情況相聯系，對接當地產業需求，明確教學目標，以產業需求為導向，順應發展趨勢，規劃具有更強指向性的教學目標。此外，可以將當地優秀企業中的經典設計案例帶入課堂，針對企業中具體的裝備問題，組織學生探討裝備的設計思想，引導學生站在企業的立場上綜合考慮設計的可靠性、安全性、生產性等要素。

2.2 教學方式改革

傳統教學的授課形式讓學生缺乏學習熱情，且參與度不高。新工科背景下，教學方式應聯系學習、思考、領悟、動手四個環節，利用PPT、板書、視頻、教學故事、教學案例、優秀課堂錄像、影視資料等創新教學方法，有機結合案例分享分析、引導體驗式教學以及分組操作式教學等多類型的教學方法和多元化教學手段講授教學內容。豐富理論知識，強化實驗操作，注重關聯性、時代性，將具有代表性的設計理論、制造方法與前沿技術有機結合，不斷跟蹤行業發展動向，實時更新教學內容，以加深學生對抽象、難懂的機械設計知識的理解。理論教學應重原理、重方法，課上講授要重點強調設計思想，強化思考推導公式的邏輯，弱化對最終公式的死記硬背；鼓勵學生主動使用網絡資源自學，主動發現問題、提出問題、解決問題。教學過程突出學生主體性，強調以學生為主體來布置作業。例如，可以將一些與學生日常生活問題緊密相關的課題作為作業，鼓勵學生合作探索、共同操作，在交流過程中學以致用，激發學生的智慧，促進學生養成善于發現、勤于思考、勇于探究、敢于創新的良好學習習慣。

新工科背景下，學生專業能力培訓與課程思政教學同樣重要，思政教學是現代高等工程教育中不可或缺的存在。在新工科的建設中融入課程思政機制，實現“1+1＞2”的效果，是新時代背景下中國特色社會主義高等教育事業的未來發展方向[6]。課程思政教學是為了實現課程專業知識與思想政治理論的同向同行，實現協同育人的目標。高校應以領路人的身份，以身作則，積極引導當代學生樹立正確的家國情懷與歷史觀、大局觀，傳承、創新中華民族優秀文化，育德育人。

2.3 完善教學實踐體系

“機械設計”課程理論性強、實踐性強、綜合性強。新工科背景下，教學環節的設置應當在現有基礎上添加其他實踐方式，保證實踐體系的多元化。具體內容如下：

1）在理論教學環節，嘗試開設符合當下時代背景、與產業前沿聯系緊密且具有創新性的綜合實驗和課程設計環節，強化學生的工程實踐能力。

2）積極開展各類競賽，強化實踐教學，形式多樣的比賽可以促進學生的創作欲望，鼓勵學生運用課堂所學知識，踴躍參加各類創新創業大賽和實踐實習，將參賽和實習過程中遇到的問題、創新點以及積累的經驗帶回課堂，與老師同學研討，進而拓展課堂內容、豐富授課手段，增加學生的收獲。

3）加強校企聯合，定期組織師生團隊進入相關企業考察實習，了解產業最新動態，定期檢修、及時更新更換實踐教學設備，加大實訓實習基地的投資建設，為師生提供優質的工程實踐場所，避免硬件設施的缺乏成為教學路上的阻礙。

4）加強實習工作的管理。建設高水平、負責任的實習指導教師隊伍，完善實習指導教師遴選機制，選派經驗豐富、業務能力強、安全防范意識高的骨干教師對實習學生進行全程監督指導。

5）在校企聯合合作的實踐培養方針下，引導鼓勵學生真正走進產業前沿，實地考察企業一線的先進生產設備和制造工藝，了解專業前沿技術及未來發展趨勢，通過走入企業、參與企業增強其實踐能力[7]。

6）學校與企業深度合作、協調配合，共同擬定實踐課程的目的和任務大綱，確定學生實習實踐能力最終的水平要求。學生在企業工程師帶領下完成任務，既增長了見識，也鍛煉了設計開發能力。

2.4 優化教學考核評價體系

傳統的評價機制對于學生的培養要求不夠明確，評價指標也不夠全面，很難對現有的培養方案做出及時反饋。考核評價是衡量教學效果和檢查學生學習情況的重要依據，課程考核是檢測學生掌握知識和運用知識的情況的常用手段。因此，為了配合新工科背景下的教學改革，評價體系也需要做出優化調整。

考核標準要合理化，改變單純以考試成績為指標的考核方式，探索并豐富新的考核手段，結合課程教學內容、教學方法和實踐體系改革建立新的考核模式。圍繞學生的發展，由考查知識點轉變為評價學生對知識的綜合運用，加強對整個學習過程的考查并反饋結果。整體評價體系思路如圖2所示。

圖2 評價體系思路

改革傳統的“出勤次數+課堂作業+期末成績”的考核評價模式，摒棄唯升學、唯分數、唯論文的觀念，加大過程考核在整個評價體系中的占比，促進形成多元化的評價體系。多元的考核方式包括出勤考核、定期評價、平時作業、實驗實訓以及期末考試。按時間劃分階段定期對學生評價并納入考核成績，防止出現考試前臨時抱佛腳、一學期只學最后兩周等情況。考核評價的最終目的不在于以成績將學生區分開來，而是通過考查反映出學生具體的不足以完善考核體系。教師應根據考核結果對癥下藥，引導學生自主學習、主動實踐，并進行科學、合理、多元的學科總結，激發學生的學習積極性，正確引導學生有效地學習。

3 結語

新工科背景下“機械設計”課程教學改革要求相關專業的學生在新教學環境中全面發展，將學生培養成符合新時代要求的應用型、創新型人才。教學改革的持續推進是高校培養學生各方面能力的著力點，對新工科教育的不斷深化發展具有深遠影響。以立體化、多層次、多維度的思維方式，多方面協調配合，逐步提升學生工程實踐技能和職業素養，以滿足新工科時代的產業與社會需求，培養出能夠適應和引領未來工程需要的復合型專業人才。