機械類課程實踐教學體系貫通式重構的探索與實踐

岳勇 金鑫 郭俊先 謝建華

［摘 要］課程實踐教學是培養人才解決復雜工程問題能力的重要環節。新工科背景下，機械工程教育亟須改革現有的實踐教學體系，以適應新經濟發展對人才的需求。文章以新疆農業大學機械制圖、機械原理、機械設計及機械制造共4門機械類課程的實踐教學體系為例，詳細分析了機械類課程實踐教學體系中的傳統教學方法及存在的問題，提出通過科教融合，將科研項目案例貫通整個課程教學體系，實現教學體系的重構。基于PBL教學模式開展以學生為中心的教學方法改革，為推動傳統工科專業實踐教學環節的改造升級提供借鑒和參考。

［關鍵詞］新工科；機械類課程；實踐教學；PBL；重構

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）23-0028-05

目前，世界正經歷百年未有之大變局，新一輪產業變革和科技革命持續演進，國家推動創新驅動發展，實施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等。新時代，教育部提出了開展新工科建設，并發布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》《教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”，旨在探索形成領跑全球工程教育的中國模式和方案，助力高等教育強國建設[1-2]。

新工科建設的重要內容之一就是要積極推動機械工程等傳統工科專業教育的改造升級和邊界再設計，使學生具備“新素養”，主動適應以新技術、新模式、新業態、新產業為代表的新經濟發展模式，解決裝備制造業等行業在不斷向智能化和高端化迭代演進中面臨的復雜工程問題[3-6]。要培養能夠解決復雜機械工程問題的專業人才，就要按照“學生中心、產出導向、持續改進”的工程教育專業認證要求重構機械工程專業人才培養方案和課程體系[7-11]。機械制圖等機械類課程實踐教學是培養學生機械工程素養和實踐能力的重要抓手[12-13]。本文以新疆農業大學機械設計制造及其自動化專業、農業機械及其自動化專業開設的機械制圖、機械原理、機械設計及機械制造共4門機械類課程的實踐教學體系為研究對象，按照一流本科專業的建設目標及機械工程專業認證要求，以培養學生綜合運用知識解決復雜工程問題的能力為目的，以項目案例為牽引，從頂層設計出發，對四門機械類課程的實踐教學體系進行貫通式重構，并介紹具體實施方案，為地方兄弟院校傳統工科專業改革提供借鑒。

一、傳統機械類課程實踐教學體系存在的問題

機械設計制造及其自動化專業、農業機械及其自動化專業機械類課程的傳統實踐教學主要包括機械制圖中的機械制圖工程測繪等2個實踐環節，機械原理中的機構運動簡圖測繪等3個實驗環節，機械設計中的軸系部件設計與分析等2個實驗環節和課程設計環節，機械制造中的機械制造生產實習、課程實習及課程設計環節（見圖1）。該教學體系存在以下問題。

（一）教育理念相對落后，前后實踐環節之間的關聯不夠緊密，對照新工科建設要求有差距

機械制圖、機械原理、機械設計、機械制造作為機械類專業的核心骨干課程，經過多年發展，各課程理論知識體系有著嚴密的邏輯遞進關系。但是，通過對現有的機械類實踐教學體系進行分析后不難發現，實踐教學環節中不同課程的實踐對象不同，導致前后課程實踐環節關聯不夠緊密，各部分缺乏貫通和疊加。比如，機械制圖中工程測繪的繪圖對象是一級減速器、齒輪油泵，三維造型設計的對象則是制圖教材的案例；機械原理中的實驗對象是其他齒輪減速器；機械設計中課程設計的實驗對象則是教師虛擬的沒有應用工程背景的二級齒輪減速器（蝸輪蝸桿減速器），學生每上一門課都要重新適應新的實踐對象再進行實踐，前后實踐環節缺少緊密的聯系，這不利于培養學生的邏輯思維能力。

（二）理論和實踐脫節，科教融合度較低，實踐對象的工程應用背景體現較少

傳統的機械類基礎實踐課內容基本都是圍繞驗證、鞏固課程理論知識而設置的，缺乏科研（工程）項目背景，比如零部件強度設計中仍沿用傳統的手工計算，而非實際科研工程項目中采用的數值仿真和試驗校核，實踐教學的設計與工程實際應用脫節，難以激發學生學習興趣。很多學生的學習經歷都是連續的，即從高中直接進入大學，接觸社會實踐的機會較少，對機械的了解主要限于生活中接觸的范圍，缺乏科研（工程）觀念，難以將理論知識和工程實際相結合。同時，由于實踐課內容較偏重理論驗證，其設計理論性也較強，容易使學生覺得實踐距離生活和工作實際較遠，難以調動學生參加實踐的積極性，也難以激發學生創造、創新的熱情。

（三）教學內容滯后，課程思政浸潤度不足

機械類課程中，能夠體現大國工匠精神的科研（工程）項目實踐教學內容是課程思政融入的有利載體，以科研（工程）應用實例為原型進行案例教學，能充分發揮教學引領性、啟發性、實踐性，培養學生思維能力、判斷能力、決策能力、創新能力和綜合素質，以潤物細無聲的方式培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技創新報國的愛國主義情懷和使命擔當。機械制圖等4門課程的傳統實踐教學大綱、方案由任課教師按專業培養方案里所要求的知識點進行編制，缺乏現實科研（工程）項目的支撐，可以講的“故事”較少，思政與實踐內容結合比較少。

二、機械類課程實踐教學體系重構策略

教學團隊結合專業培養方案中機械類基礎課程及實踐課的培養目標、畢業要求，將傳統課程中相對獨立的、碎片化的實踐教學環節進行有機整合，關注課程思政與實踐教學環節的引領關系、課程理論與實踐教學環節的映射關系、前置課程實踐教學環節與后續課程實踐教學環節的遞進關系，以及實踐教學環節與知識、能力、素養的支撐關系，制訂了以創新實踐能力培養為主的機械基礎實驗教學總體目標和大綱，構建了具有“兩性一度”（高階性、創新性、挑戰度）的貫通式機械類課程實踐教學體系（見圖2）。

（一）按照科教深度融合的要求，挖掘機械類課程實踐教學案例

以課程及實踐教學的培養目標、畢業要求為依據，充分收集、挖掘已有的科研（工程）成果以及學校以往各類競賽獲獎作品，提取能夠用于機械類課程實踐教學的案例，特別是將能夠貫通機械制圖、機械原理、機械設計及機械制造課程實踐教學環節的案例作為實踐教學對象，實現理論知識與工程實際的深度融合，提高課程教學內容高階性，以調動學生參加實踐的積極性，激發學生創新熱情，提高學生創新能力。

（二）按照課程思政建設的要求，重構機械基礎類課程實踐教學內容

依據實踐教學總體目標和要求，與相關企業積極協調，以科研（工程）實物或等效模型作為實踐課實踐對象，充分挖掘科研（工程）案例背后蘊含的馬克思主義觀點與科學精神，弘揚大國工匠精神、科技報國的家國情懷和使命，按照其在不同實踐課的體現程度進行有效分解并融入對應的實踐課各個環節中，將其納入實踐課教學目標、教學大綱、教學方案、實踐課指導教材等各方面，貫穿現場實驗指導、課程設計指導、生產實習各環節。

（三）按照新工科建設要求，改革機械類課程實踐教學環節

按照新工科建設的目標要求和新修訂的培養方案中有關機械類基礎課程實踐教學的培養目標、畢業要求，以機械工程實踐創新能力培養為目標，圍繞科研（工程）成果中的典型案例，從機械制圖、機械原理、機械設計及機械制造等課程培養目標維度進行剖析，重構實踐教學環節，實現機械類課程實踐教學從“碎片化實踐教學”向“貫通式實踐教學”轉變[14]。

通過重構，實現機械類課程實踐教學體系“一根紅線串到底”，使完整案例貫通整個實踐環節，將不同課程實踐教學環節所要達成的知識、能力、素養及思政目標融入其中，讓學生在實踐教學中實現對課程知識的運用，進一步加深對課程理論知識的理解。同時，通過對案例的剖析，培養學生的創新能力，構建以理論指導應用、在應用中實現創新的螺旋式上升能力培養為主線的實踐教學體系，讓學生將舉一反三中的“一”學懂弄通悟透，觸類旁通，把“一”真正“舉”起來，最終達到學生自己可以反“三”的培養目的。

三、機械類課程PBL教學模式

PBL教學法是一種基于現實世界的以學生為中心、以問題（或項目）為導向的教學方法，在每門課程中把理論知識與實際科研項目進行有機結合，充分發掘學生的主觀能動性和創造潛能，以提高學生解決工程實際問題的綜合能力。PBL教學法顛覆了傳統教學中以教師為中心、學生被動灌輸知識的教學模式。近年來，該方法不斷被應用于理工科及經濟管理等專業教學，并取得了良好的效果[15-19]。

PBL教學法是一種新型教學模式，在不同國家和地區、不同行業和領域可以有不同的表現形式和設計方法，但其核心主要在于設計問題、解決問題、評估問題[20]三個方面。根據機械類課程實踐教學特點，其PBL教學法設計主要按以下三個階段來完成。

（一）基于現有科研項目，凝練問題

提出合適的問題是實施PBL教學的首要環節。提出的問題既要有現實工程意義，也要滿足當前理論教學需要。每年，實踐教學團隊要結合現有科研（工程）項目，根據課程內容進行問題凝練和設計，使學生能夠在現實的、具體的問題中，鍛煉個人利用所學理論知識解決問題的能力。此外，針對同一個理論問題，設計的問題要盡可能多，以滿足不同學生的不同興趣愛好。

（二）基于團隊分工合作，解決問題

每門實踐教學課開課前，要求每4～6名學生自由組合成1個項目小組。小組選舉推薦1名綜合協調能力強、學習認真、工作負責的成員作為小組組長，負責選擇問題并根據問題具體情況給各位成員分配任務、記錄討論情況、收集整理小組資料等。項目小組在接到任務后，即可開始結合在理論課、實踐課上學習到的知識，通過查閱線上線下文獻、現場調研等多種途徑和方法，提出解決問題的思路和辦法，形成一份完整報告并提交給教師。

（三）基于師生綜合分析，評價效果

客觀公正地評價學生提交的報告，是PBL教學模式的關鍵環節。課程結束后，首先，實施小組內成員自評，即小組成員根據各自的工作情況進行自我評價（占考核成績的30%）；然后，實施各小組互評，即每個小組對其他小組提交的報告進行客觀評價（占考核成績的30%）；最后，教師點評，即教師站在專業的角度對各小組的報告進行總體評價（占考核成績的40%），綜合得出每名學生的成績。

四、機械類課程實踐教學體系重構示例

將教學團隊教師主持參與的自治區科技重大攻關和重點項目“3兆瓦風力發電機組的研制及1.5兆瓦風電機組的產業化”子課題中某風電機組齒輪增速箱的設計成果作為項目案例，把其轉化為機械類課程實踐教學對象（見圖3），以此來說明基于PBL教學模式實現機械類課程實踐教學體系貫通式重構的思路和方法。

在機械制圖中的機械制圖測繪實踐教學中，學生先前往新疆農業大學的新疆智能農業裝備重點實驗室參觀風力發電機組，如圖3（a）所示，由教師介紹風力發電原理，教師在此過程中結合國家風電產業發展史培養學生的大國工匠精神、科技報國的家國情懷和使命。隨后進行風力發電機變速箱拆裝、測繪，如圖3（b）所示，在后續的計算機繪圖中據此結構按照給定參數進行三維造型設計，如圖3（c）所示。在此階段可提出問題，如從多維度分析為什么要大力發展風力發電、齒輪傳動有何特點、如何表達齒輪等機械機構。此階段可以讓學生自主進行拆裝測繪，各小組可根據其選題的參數進行三維建模，同時自主選擇感興趣的其他設備的機械零部件進行三維建模，并在一周后將成果進行課堂展示，最終形成課程報告。

在機械原理實驗課中，讓學生再次參觀風力發電機齒輪箱中的齒輪，并在機械制圖實踐課上所制作的三維模型中選取一對齒輪，從運動學角度分析齒輪機構的運動特點，依據實物繪制出機構運動簡圖。在此階段可提出問題，如從多維度分析為什么要大力發展風力發電、齒輪傳動有何特點、如何表達齒輪等機械機構。讓學生再次進行自主拆裝測繪，各小組可根據其選題的參數進行三維建模，同時自主選擇感興趣的其他設備的機械零部件進行三維建模，并在一周后將成果進行課堂展示，最終形成課程報告。

在機械設計實驗課中，讓學生從結構設計和動力傳動方案設計角度著手，學習齒輪箱設計結構和工作原理，掌握齒輪輪系設計的基本要求，培養學生機械零部件設計能力和創新意識，并在課程設計中利用所學理論知識完成一個風電齒輪箱的設計和數值仿真分析，如圖3（d）、（e）所示。

在機械制造課程的實踐環節，以風電齒輪箱中某個齒輪為對象進行加工工藝設計，如圖3（f）所示，開展數控加工編程教學。據此，實現了一個風電機組齒輪箱案例貫通整個機械類課程的實踐環節，并把不同課程實踐教學環節的知識、能力、素養及思政要素融入其中，實現科教融合，提升了學生解決復雜工程問題的能力。

五、結語

在新工科建設背景下，為推動機械工程的改造升級，教學團隊開展了機械類課程實踐教學體系的改革探索，從科教融合入手，基于PBL教學模式，以工程案例貫通機械類課程實踐教學主要環節，探索了如何構建與一流機械工程專業人才培養相適應的機械類課程實踐教學模式。

在長期的機械類基礎課程改革和實踐下，新疆農業大學機械設計制造及其自動化專業成功獲批國家級一流本科專業建設點，農業機械化及其自動化專業獲批自治區一流本科專業建設點。通過貫通式實踐環節的系統訓練，學生參與了較為完整的機械產品設計制造過程，解決復雜工程問題的能力得到了提高。2019年至今，學生在各類學科競賽中獲省部級及以上獎項35項，其中國家級獎項11項，省部級獎項24項，取得了良好的教學效果。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 教育部高等教育司.教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知[EB/OL]．（2017-02-20）[2023-06-05].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

[2] 林健.新工科專業課程體系改革和課程建設[J].高等工程教育研究，2020（1）：1-13.

[3] 李培根.工科何以而新[J].高等工程教育研究， 2017（4）：1-4.

[4] 劉坤，陳通.新工科教育治理：主體構成與框架建構[J].教育科學， 2020， 36（4）：63-69.

[5] 石雪飛，李珂.傳統工科課程在新工科建設要求下的改革[J].教育教學論壇， 2020（3）：80-82.

[6] 蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J].中國大學教學， 2016（11）：27-30.

[7] 中華人民共和國教育部.教育部關于印發《普通高等學校本科教育教學審核評估實施方案（2021—2025年）》的通知[EB/OL]．（2021-02-03）[2023-06-05].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A11/s7057/202102/t20210205_512709.html.

[8] 李良軍，金鑫，周佳.分布式制造領域人才培養體系的構建[J].高等工程教育研究，2017（5）：72-77.

[9] 江桂云，羅遠新，李聰波.“大工程觀”視域下一流機械工程人才培養研究與實踐[J].中國大學教學， 2020（Z1）：37-41.

[10] 初紅艷，劉志峰，昝濤，等.機械制造課程群體系構建與實施：基于工程教育認證畢業要求[J].高等工程教育研究， 2017（5）：140-144.

[11] 王永泉，胡改玲，段玉崗，等.產出導向的課程教學：設計、實施與評價[J].高等工程教育研究， 2019（3）：62-68.

[12] 姚建濤， 劉曉飛， 唐艷華，等.新工科背景下創新創業實踐教學體系探索[J].河北農業大學學報（社會科學版）， 2020， 22（6）：1-6.

[13] 朱立達， 鞏亞東， 于天彪.新工科視域下機械類創新人才培養模式探索與思考[J].高教學刊， 2020（15）：31-36.

[14] 李津津，葉佩青.新工科背景下貫通式項目制研究型綜合實踐教學模式探討[J].中國大學教學， 2020（10）：58-61.

[15] 張小凡， 陽樂， 李佳圓.PBL教學在流行病學教學中應用于不同學習風格學生的效果[J].現代預防醫學， 2020， 47（14）：2685-2688.

[16] 金鑫，李良軍，杜靜，等.基于BOPPPS模型的教學創新設計：以“機械設計”課程為例[J].高等工程教育研究，2022（6）：19-24.

[17] 金鑫，杜靜，岳勇，等.新工科背景下OBE驅動機械設計課程創新教學模式[J].機械設計，2023，40（4）：154-160.

[18] 葉荔輝.基于STEM教育理念的PBL教學模式設計與實踐研究[J].電化教育研究， 2022， 43（2）：95-101.

[19] 赫永達， 張衛國， 陳亞麗.PBL模式在雙語教學改革中的應用研究：以“計量經濟學”教學為例[J].教育理論與實踐， 2022， 42（12）：49-53.

[20] 皮江紅，廖依帆.工業4.0背景下高等工程人才“四維”能力培養：丹麥奧爾堡大學PBL教學模式及其啟示[J].高等工程教育研究， 2022（4）：194-200.

［責任編輯：蘇祎穎］