金屬材料工程課程設計“一核心四協同”教學理念改革與實踐

陳桂娟 譚秀娟 馬志鵬 畢鳳琴

摘? 要：金屬材料工程課程設計作為培育材料專業學生工程能力的重要實踐教學環節，對標工程教育標準仍存在題目陳舊、工程背景不強、團隊協作及創新意識培育不足等問題。該文以材料專業綜合課程設計為對象，基于工程教育理念，從題目設置、教學模式、組織形式、引導機制及考核方式維度出發，構建以培養學生解決復雜工程問題能力為核心，CDIO項目驅動、團隊協作組織、學科競賽引導和形成性評價考核共為協同的“一核心四協同”教學理念。金屬材料工程課程設計應用表明該理念實踐成效顯著，可有效提升課程目標達成度、學生學科競賽獲獎率。

關鍵詞：課程設計；工程教育；復雜工程問題；CDIO項目驅動；形成性評價

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）S1-0144-05

Abstract： As an important practical teaching approach for cultivating mechanical students' engineering ability， Metal Material Engineering Curriculum Design still has some problems according to engineering education standards， such as outdated topics， weak engineering background， and insufficient cultivation of teamwork and innovative awareness. Based on the concept of engineering education， this article presents a "One Core and Four Coordination" concept for the comprehensive curriculum design from the point of topic setting， teaching mode， organization form， guidance mechanism and assessment method. This concept centers on cultivating students' ability to solve complex engineering problems， and takes CDIO project drive， teamwork organization， subject competition guidance and formative evaluation and assessment as four collaborative ways. The application for Mechatronics and Hydraulic Integration System Design curriculum design shows that the concept has a good practice effect with an obviously improvement of the curriculum goals achievement， and the award rate in the subject competition.

Keywords： curriculum Design; engineering education; complex engineering problems; CDIO project-Driven; formative evaluation

基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目“‘雙創’人才培養理念下工程材料‘金課’建設與實踐”（SJGY20210142）、“基于創新創業教育的新材料設計實踐教學體系研究”（SJGY20210134）、“創新創業教育與材料專業工程人才融合培養的研究”（SJGY20210147）

第一作者簡介：陳桂娟（1981-），女，漢族，遼寧瓦房店人，博士，副教授。研究方向為材料科學與工程教學管理。

自我國2016年正式加入《華盛頓協議》以來，工程教育理念成為高等教育本科人才培養的主流思想，各大高校在人才培養方案規劃、實踐教學體系建設等方面總結了諸多教學理念、方法及模式[1-3]。實踐教學是學生獲得工程能力的重要途徑，成為工程教育改革的核心關注點，工程教育通用標準對其既有課程體系學分比例的底線要求，又有內涵建設的質量要求。課程設計作為實踐教學的重要環節，對鞏固和加深理論知識，培養學生創新意識，提高動手能力具有重要意義，然而對標工程教育“一核心，三理念，七標準，十二要求”，仍普遍存在題目單一陳舊、工程問題背景不強、團隊與創新意識培養不足等問題，亟待開展其教育教學理念與模式研究[4-7]。

近年東北石油大學金屬材料工程（簡稱材料）專業持續開展CDIO、卓越工程師計劃及工程教育專業認證等本科人才培養體系改革工作，并于2020年獲批黑龍江省一流專業建設點[8-9]。專業積極探索面向工程教育的實踐教學模式改革，針對金屬材料工程為主體的專業綜合課程設計，基于成果導向（OBE）理念重構課程目標，以學生為中心改革教學方法與組織形式，持續改進課程考核評價方式，構建了“一核心四協同”課程設計教學理念，旨在提升學生知識交叉運用能力，培育學生團隊合作精神、主動創新意識以及卓越工程素養，進而具備解決復雜工程問題能力。

一? 課程設計任務與目標

東北石油大學材料專業于第三學年下學期開展為期兩周的金屬材料工程課程設計，其主要任務是培養專業學生使用現代工具進行機械零件生產工藝流程設計與選材能力，訓練學生人際交往能力和團隊合作精神，建立工程意識和創新意識，具備初步的復雜機械工程問題解決能力，為培養合格工程師奠定基礎。

課程基于OBE理念的目標如下：

1）了解機械零件服役工況，通過相關失效分析，確定該零件所需的主要性能指標；

2）熟悉各種金屬材料性能、用途和加工生產工藝，能夠根據零件所需性能指標合理選材；

3）結合選材特性，設計零件的生產工藝流程，具備解決基礎工程問題的初步技能；

4）掌握機械零件的繪圖方法，具備計算機繪圖及編制文件的能力；

5）能夠運用經濟決策方法，評估所需材料的全壽命使用成本。

金屬材料工程課程設計作為金屬材料工程專業綜合性實踐課程，課程目標支撐了問題分析、設計/開發解決方案、使用現代工具、個人與團隊合作及項目管理等多項畢業要求，既有知識的運用又有非技術因素綜合素養的培育，涵蓋了培養學生解決復雜工程問題能力所需關鍵要求，創新設計教學模式與實施舉措是課程落實工程教育理念的重要保障。

二? 傳統課程設計存在的問題

（一）? 題目單一陳舊，創新訓練不足

傳統課程設計僅設置同一類型題目，區別也僅是設計參數不同，題目的總體設計方案、關鍵結構設計步驟以及相關設計方法已形成定式，學生設計內容同質化嚴重；同時，由于設計題目多年不變，內容陳舊，往屆學生留存了大量圖樣及相關參考資料，難免有部分學生存在抄襲現象，導致學生缺乏學習的主動性、積極性，也就無法有效培養學生分析問題和解決問題能力，更談不上創新設計能力的培養。

（二）? 復雜工程問題對標性不強，非技術因素缺失

工程教育注重培養學生解決復雜工程問題的能力，而運用深入工程原理、非常規標準與方法，平衡多因素沖突是解決復雜工程問題應具備的核心能力。課程設計題目設置普遍存在工程背景缺失，設計流程固定，分析原理同質，工程標準單一等，設計目標僅面向解決技術問題，并未考慮經濟、安全、法律、文化及環境等因素，培養過程方式無法有效對標復雜工程問題所需能力。

（三）? 團隊協作不足，合作意識欠缺

教學過程中采用一組一題的合作學習模式，目的在于鍛煉學生團隊協作能力，培育合作意識。現實執行過程中部分小組存在成員協作不足，缺乏擔當意識，個別學生“蹭吃蹭喝”，設計任務僅靠幾個能力較強的學生完成，嚴重違背了課程設計合作學習模式的初衷。

（四）? 考核方式單一，缺乏形成性評價

工程教育目標達成注重形成性評價，期望學生獨立完成設計過程，而最終考核成績僅依據完成圖紙及設計報告情況評定，對過程考核不足，缺乏對各設計環節學生表現的形成性評價，無法有效判斷學生任務完成的獨立性、主動性、創新性，難以有效調動學生學習積極性。

三? “一核心四協同”教學理念內涵

培養學生解決復雜工程問題能力是本科工程教育的基本定位與核心問題，本文在解析復雜工程問題基本特征，學生應具備能力基礎上，遵循工程教育“成果導向、學生中心、持續改進”理念，結合材料專業課程特點與教學目標，從題目設置、教學模式、組織形式、引導機制及考核方式維度提出了具有工程教育特質的“一核心四協同”課程設計教學理念[10-11]。

“一核心”是以培養學生解決復雜工程問題能力為核心，依托工程背景設置題目，從多角度提出高階設計要求，保證課題具備復雜工程問題特征。“四協同”一是CDIO項目驅動教學模式協同，構建包含構思、設計、實施和操作等環節的課程設計流程，通過“做中學”促使學生既掌握工程基礎理論和專業知識，又得以訓練問題分析、系統設計、使用現代工具以及項目管理能力；二是團隊協作組織形式協同，體現“學生為中心”理念，合理搭配學生項目團隊，按興趣與能力分工協作完成設計任務，鍛煉團隊合作精神；三是項目競賽引導機制協同，基于“成果導向”理念鼓勵學生以課程設計題目參與學科競賽，積極調動學習主動性，培育創新意識[12-13]；四是形成性評價考核方式協同，以過程匯報、成員互評、結題答辯和材料審核等多種形式“持續改進”成績考核評價方式，對學生的設計過程、設計態度和設計質量進行多維度評價[14]。

四? “一核心四協同”教學理念實踐

（一）? 復雜工程問題項目設置

基于復雜工程問題基本特征，任課教師依托行業企業科研或工程項目，深入挖掘其中機械產品、裝置或系統，轉化為課程設計題目。要求一組一題，題目具有明確工程背景，設計內容具備復雜性，存在材料、機械、力學等專業知識交叉運用，遵循工程標準與規范，需考量非技術因素平衡等。將上述要素整理規范形成設計任務書，分配給學生團隊明確任務要求。

例如，任課教師結合東北石油大學（以下簡稱“我校”）材料專業辦學定位，設置了諸如“游梁抽油機鋼絲繩生產工藝設計” “井下抽油泵的凡爾（球） 生產工藝設計”等石油機械零件生產工藝的系列題目。該類題目具有顯著的油氣裝備行業工程背景，學生在理論課程、實習實驗環節積累了相關知識；任務內容包含材料、機械、力學等專業知識交叉運用，學生需使用深入的工程原理進行分析；設計過程需要考慮油田設備服役環境、操作規范及安全環保要求，了解零件常見失效形式；分析加工零件的材料應具備的力學性能、工藝性能、采購成本；根據實際情況和選材方案，設計零件尺寸，滿足使用要求；參考同類零件材料生產加工工藝流程，從能源消耗和環境保護角度制定合理方案。學生要在遵守規范標準前提下平衡多項因素，該類題目要素恰當地契合了復雜工程問題特征[15]。

（二）? CDIO項目驅動教學模式

CDIO倡導在工程領域具體情境中實施學生專業知識、團隊協作和創新實踐能力培養[16]。基于CDIO項目驅動課程設計模式共分四階段：①構思階段，學生理解課題研究目的意義，分析所解決工程問題復雜性，掌握設計任務技術與非技術要求，教師協助分析本項目涉及關鍵知識點；②設計階段，學生進行資料調研，提出初始設計方案，項目組研討、論證、分析、優化，確定最終實施方案，完成項目成員任務分配，教師輔助指導方案論證思維、方法與技巧；③實施階段，學生利用專業知識與相關設計分析軟件，形成模型、圖紙、報告等成果形式，互動交流修訂設計內容，期間教師定期解答學生設計過程中的問題，對個別困難學生進行重點指導；④驗收階段，項目組代表通過答辯展示設計成果，匯報成員工作，交流經驗體會，教師點評項目情況，講授經驗教訓，完成學生考核評定。

例如，4～5名同學組成課設小組，推選出組長，認真解讀任務書，確定課設題目為“抽油機空心抽油桿的生產工藝設計”；首先，組會剖析課題，明確設計內容，組長進行任務分解并分配，分頭調研資料，累積抽油機空心抽油桿服役工況、失效形式等相關知識；其次，定期開展組內碰頭會，實現資源共享，確定下一步工作重點——確定抽油機空心抽油桿正常工作時應滿足的性能要求，并選擇不少于三種符合要求的材料；再者，結合工藝性和經濟性對所選材料進行綜合分析，小組討論選定最佳材料，并確定抽油機空心抽油桿的熱處理工藝、加工尺寸、技術要求以及檢驗項目和檢驗方法；然后，應用SolidWorks軟件繪制工程圖紙，制定和規劃抽油機空心抽油桿的整體工藝流程、檢驗、熱處理等工藝卡片。最后，撰寫項目結題報告，制作匯報ppt展示設計成果，教師評價與學生互評確定考核成績。

（三）? 團隊協作組織形式

團隊協作意識是現代工程師應具備的基本素養，是解決復雜工程問題所需的重要能力，也是實踐教學課程設計訓練的關鍵任務。其實施途徑一是構建團結互助項目組，以成績為區分度，按成員合作意向，自由搭配形成項目團隊，保證成員能力均布，協作氛圍融洽。二是采用組長負責制運行課題，成員競爭聘任項目組長，負責課題協調管理，包括成員任務分配與溝通交流，制定項目執行計劃等。三是項目任務分配模塊化，依據項目內容、成員興趣與能力專長將任務分解為多個模塊，做到成員任務分配合理、責任清晰，確保項目執行進度。四是建立監督促進機制，項目總體成績與個人成績掛鉤，項目組成員進行動態淘汰，培養成員團隊與責任擔當意識。

例如，為構建4～5人的項目團隊，以成績績點為依據將學生知識水平分為4個層級，不同層級學生按照能力互補自由組合原則形成團隊，避免部分小組成績優異學生集中，成員合作不和諧等問題。不局限于學生成績，通過自薦或推選方式，確定管理協調能力強、知識水平高、有責任擔當的學生作為項目組長，負責項目組織實施。按任務要求將項目分解為零件服役工況分析、失效形式分析、選材及優化、確定零件尺寸、制定生產加工工藝流程、成品檢驗涂裝、評估全壽命使用成本以及撰寫設計報告和匯報材料等任務模塊，成員各司其職分擔項目任務，組長協調任務執行情況。以項目總體成績作為成員個人成績均值，建立成員團隊責任意識，針對個別消極怠工成員，組長與成員可申請其退出項目團隊，取消課程成績，激發成員完成任務主動性。

（四）? 學科競賽引導機制

學科競賽是提升學生創新意識、實踐能力和團隊合作精神，培養學生專業能力素質和綜合能力素質的重要途徑，與課程設計教學目標具有異曲同工之處，開展二者過程、內容與組織形式的深度融合有助于共同促進目標達成。競賽導向可增強課程設計高階性，以參與競賽為目標設置部分課程設計題目、要求與成果形式，難度上明顯高于傳統課程設計，可促使學生掌握高階知識，形成高階思維和能力以解決復雜工程問題；競賽導向提升課程設計創新性，學科競賽聚焦于以發明創新填補工程技術與產品空白，以課程設計培育競賽項目有助于提升學生創新意識；競賽激勵提升課程設計挑戰度，在傳統課程設計中，學生趨向容易完成挑戰性低的題目，而在學科競賽激勵制度下，依托課程設計參與學科競賽，顯著增強學生挑戰復雜性設計題目的意愿。

例如，教師依托課程設計指導學生團隊，完成先前已立項的創新創業訓練項目，預研培育“互聯網+”創新創業大賽等新項目，輔助教師執行相關科研課題，開展下一學期畢業設計題目前期鋪墊。學科競賽與課程設計促進融合，教師學生教學相長，近些年專業學生課程設計主動性顯著增強，成果形式更加豐富，質量有效提升，學科競賽學生參與率、獲獎率明顯升高。

（五）? 形成性評價考核方式

形成性評價是一種在教學過程中對學生學習過程進行評價的方式，著重關注學生的學習效果、過程、參與程度和學習態度等。金屬材料工程課程設計依據執行過程、組織形式、成果要求制定了形成性評價方式，考核成績主要包括組內評分、組間評分、指導教師評分（設計過程）、課程設計論文打分（指導教師和答辯小組平均分）、課程設計答辯，具體評分細則見表1。

五? 教學理念改革實施成效

（一）? 課程目標達成度顯著提升

我校材料專業2018年開展工程教育認證改革工作以來，基于“一核心四協同”教學理念持續改進金屬材料工程課程設計教學工作，教學成效日漸顯著。課程目標達成度是反映教學效果的直觀指標，2015級傳統教學模式與2017級新型教學模式下，學生課程的目標達成度如圖1所示。由圖1可知，5項課程目標均不同程度有所提高，尤其是目標2非技術因素、目標4團隊合作和目標5項目管理有顯著提升，這正與“一核心四協同”理念強調的解決復雜工程問題為核心、團隊協作協同、CDIO項目驅動協同宗旨具有良好的匹配性，形成性評價協同又進一步促進了上述宗旨的落實。

（二）? 學科競賽參與獲獎率明顯增高

學科競賽與課程設計互助協同，為課程設計建立了成果導向，為學科競賽提供了實踐平臺。專業師生依托金屬材料工程課程設計開展學科競賽培育，近三年（2020—2022年）獲批了大學生創新創業訓練計劃項目國家級2項，省級40余項，獲得“互聯網+”大學生創新創業大賽省級以上獎勵30余項，獲得全國大學生金相技能大賽、中國大學生材料熱處理創新創業大賽、中國大學生工程實踐與創新能力大賽、“挑戰杯”黑龍江省大學生創業計劃競賽特等獎、金獎10余項。相比于前三年（2017—2019年）專業學生的學科競賽參與率25.4%（95項/374人）與獲獎率10.4%（39項/374人），近三年參與率提升至51.3%（249項/485人），獲獎率達到35.1%（170項/485人），且顯著高于學院平均水平，學科競賽與課程設計形成了和諧共贏促進機制。

六? 結束語

課程設計作為培育學生工程能力的重要途徑，如何在教學模式中有效融入工程教育核心理念是其教育教學改革的重點。本文以金屬材料工程課程設計為對象，結合教學過程提出了目標與舉措逐一匹配的“一核心四協同”綜合課程設計教學理念，實踐應用佐證了理念的成效性，其核心思想與實施舉措為專業實踐環節教學改革工作提供了良好借鑒與參考。

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