基于問題導(dǎo)向的“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”教學(xué)改革研究

丁 凱，徐鴻翔，陳修祥，俞成濤

（江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

引言

“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”是高校機(jī)械/近機(jī)械類專業(yè)本科生開設(shè)的一項(xiàng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。在培養(yǎng)機(jī)械相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才的全局中，本課程可有效增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)械設(shè)計(jì)類工作的適應(yīng)性，并初步培養(yǎng)其開發(fā)創(chuàng)新能力［1-2］。近年來，隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的提出、“互聯(lián)網(wǎng)+”與傳統(tǒng)制造業(yè)全面融合，社會對高校應(yīng)用型人才產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力的要求越來越高［3-4］。然而，對于地方應(yīng)用型本科院校而言，由于課程設(shè)置順序、學(xué)生自身綜合素質(zhì)等方面的問題，使得在傳統(tǒng)教學(xué)模式下開展的“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”教學(xué)質(zhì)量往往不盡如人意，從而導(dǎo)致本課程對學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的支撐作用不強(qiáng)。因此，積極開展“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”教學(xué)改革探索，對提升本科院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量從而滿足用人單位需求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”教學(xué)過程中的典型問題

“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”是綜合運(yùn)用“機(jī)械制圖”“材料力學(xué)”“工程材料及熱處理”“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）、“機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測”等課程的理論知識，解決常用機(jī)械傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)共性問題的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。由于涉及理論課程多、時(shí)間跨度長、對學(xué)生的綜合素質(zhì)要求較高，學(xué)生在“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”開展過程中往往存在諸多問題，現(xiàn)以筆者所在單位為例，將最典型的幾類問題列舉如下。

（一）理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)

作為與“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）理論課程相配套的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”安排在上述兩門理論課程結(jié)束后進(jìn)行。對于課程設(shè)計(jì)核心的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容，如帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)、軸的設(shè)計(jì)等，在理論課上會從工作原理、設(shè)計(jì)思想及方法等方面進(jìn)行講解。但由于理論課教學(xué)過程中缺乏明確的設(shè)計(jì)對象實(shí)例，許多學(xué)生無法深刻理解設(shè)計(jì)思想與過程，難以做到學(xué)以致用。在課程設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生往往機(jī)械地模仿甚至照抄計(jì)算實(shí)例，這種做法雖然可以讓學(xué)生“知其然”，但不能“知其所以然”。究其原因，出現(xiàn)這種結(jié)果的關(guān)鍵在于理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)之間出現(xiàn)了脫節(jié)現(xiàn)象。

（二）先修課程基礎(chǔ)知識遺忘嚴(yán)重

“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”的先修課程多數(shù)與“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”安排在不同學(xué)期，與課程設(shè)計(jì)開展時(shí)間之間存在長短不等的時(shí)間差。以筆者學(xué)校2019級機(jī)電專業(yè)人才培養(yǎng)方案為例，“機(jī)械制圖”“機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測”“理論/材料力學(xué)”等課程在第1～4學(xué)期開設(shè)，而“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”在第5學(xué)期開設(shè)。由于時(shí)間關(guān)系，等到學(xué)生開展課程設(shè)計(jì)時(shí)，很多基礎(chǔ)知遺忘嚴(yán)重。且對于地方應(yīng)用型本科院校的學(xué)生而言，基礎(chǔ)相對薄弱、主動(dòng)學(xué)習(xí)能力相對較差，上述問題更為嚴(yán)重。

（三）設(shè)計(jì)思想缺失，標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范意識淡薄

通過理論教學(xué)及實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練促使學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想是“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）及其課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)最為重要的教學(xué)目標(biāo)之一。在“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）理論課教學(xué)環(huán)節(jié)，教師會結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容對機(jī)械設(shè)計(jì)思想及一般過程進(jìn)行講授，但由于學(xué)時(shí)數(shù)的限制，一般難以結(jié)合具體案例進(jìn)行講解。這就導(dǎo)致多數(shù)學(xué)生難以真正理解掌握技術(shù)設(shè)計(jì)的思路與方法，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)面對題目感到茫然無措、無從下手，往往需要較長時(shí)間回顧復(fù)習(xí)才能進(jìn)入狀態(tài)，從而導(dǎo)致效率低下。

另外，在先修課程教學(xué)過程中均涉及大量標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的學(xué)習(xí)。但由于在“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”開展之前，學(xué)生并沒有經(jīng)歷可以充分訓(xùn)練其遵守標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范意識的實(shí)踐環(huán)節(jié)，導(dǎo)致很多學(xué)生在課程設(shè)計(jì)成果中展現(xiàn)出的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范性極差，最終導(dǎo)致人才培養(yǎng)質(zhì)量受到明顯影響。

（四）缺乏嚴(yán)謹(jǐn)、敬業(yè)、負(fù)責(zé)的工匠精神

在兩周的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生要完成設(shè)計(jì)計(jì)算、圖紙繪制及設(shè)計(jì)說明書的編寫，工作量較大。有部分學(xué)生為加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，對設(shè)計(jì)過程敷衍應(yīng)付，一味地模仿甚至抄襲各類參考資料中的計(jì)算實(shí)例，全然不顧自己設(shè)計(jì)內(nèi)容的實(shí)際情況，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果漏洞百出。更有甚者直接從網(wǎng)上購買課程設(shè)計(jì)成果充為己用。上述現(xiàn)象均表明有部分學(xué)生不能用正確的態(tài)度對待學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)過程中缺乏嚴(yán)謹(jǐn)、敬業(yè)、負(fù)責(zé)的工匠精神。

綜上所述可以看出，對于地方應(yīng)用型本科院校學(xué)生而言，其在“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”教學(xué)過程中存在顯著的問題，而這些問題將直接影響本課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，進(jìn)而影響人才培養(yǎng)質(zhì)量。以上述問題為導(dǎo)向，筆者開展了“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”教學(xué)改革研究。具體而言，研究內(nèi)容主要聚焦于兩方面：其一，開展“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”與“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）理論課程嵌入式教學(xué)，以克服理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)、先修課程基礎(chǔ)知識遺忘嚴(yán)重、設(shè)計(jì)思想缺失、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范意識淡薄等問題；其二，基于理論課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)嵌合教學(xué)過程，融入課程思政教育，幫助學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)、敬業(yè)、負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)與工匠精神，為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

二、理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)嵌入式教學(xué)方法探討

目前國內(nèi)已有一些學(xué)者開展了“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”與“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）理論課程相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)的探索。但整體而言，目前對“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”與“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）理論課程嵌入教學(xué)的方法尚沒有公認(rèn)的合理方案，有待深入研究。

（一）“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”任務(wù)分解及其與理論課程教學(xué)內(nèi)容的合理編排

開展“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”與“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）理論課程嵌入式教學(xué)方法研究，關(guān)鍵在于充分考慮課程設(shè)計(jì)的核心設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容與理論教學(xué)內(nèi)容各章節(jié)的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合理論課教學(xué)內(nèi)容順序遞進(jìn)關(guān)系，對課程設(shè)計(jì)任務(wù)分解嵌入編排至理論教學(xué)過程中開展，做到理論聯(lián)系實(shí)際，使得學(xué)生“知其然，知其所以然”。

基于上述理念，理論課以“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”為例，課程設(shè)計(jì)則以“單級直齒圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)”為例，首先按照“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”步驟統(tǒng)籌考慮理論課教學(xué)內(nèi)容安排，制訂“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”任務(wù)分解方案及其與理論課程教學(xué)內(nèi)容的先后順序。對于課程設(shè)計(jì)而言，需要與理論教學(xué)相嵌合的內(nèi)容為設(shè)計(jì)計(jì)算部分。開展理論計(jì)算之前首先對設(shè)計(jì)任務(wù)及減速器工作原理進(jìn)行講解，然后將課程設(shè)計(jì)核心理論計(jì)算內(nèi)容分解為電機(jī)選擇、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力參數(shù)計(jì)算、帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算、軸系零部件設(shè)計(jì)及選型、連接、箱體、潤滑與密封、附件等任務(wù)模塊。進(jìn)一步，將“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）教學(xué)內(nèi)容分解為以下部分并依次開展教學(xué)：緒論、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析&平面連桿機(jī)構(gòu)&凸輪機(jī)構(gòu)等、帶傳動(dòng)、齒輪機(jī)構(gòu)、機(jī)械連接、軸系（包括軸、滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器）、其他部分（包括蝸桿傳動(dòng)、輪系、滑動(dòng)軸承及其他內(nèi)容）。

基于上述分解情況，考慮理論計(jì)算的步驟，將課程設(shè)計(jì)各任務(wù)模塊與理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行嵌入編排。為讓學(xué)生盡快了解減速器、熟悉設(shè)計(jì)任務(wù)，首先，將課程設(shè)計(jì)任務(wù)、減速器工作原理介紹、帶傳動(dòng)及齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)、傳動(dòng)比基本概念及分配方法嵌入緒論部分進(jìn)行講授，并以減速器為例講授設(shè)計(jì)方法與思路。其次，將設(shè)計(jì)任務(wù)下發(fā)給每名學(xué)生開始設(shè)計(jì)計(jì)算。再次，理論教學(xué)講授平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等內(nèi)容。這樣安排的目的在于：上述內(nèi)容的教學(xué)時(shí)間將持續(xù)大約3周，學(xué)生可利用這一時(shí)間段充分掌握課程設(shè)計(jì)任務(wù)、減速器工作原理、帶傳動(dòng)及齒輪傳動(dòng)，并完成帶傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比分配，然后完成電機(jī)選擇、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算。最后，“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）理論教學(xué)內(nèi)容按照帶傳動(dòng)、齒輪機(jī)構(gòu)、軸系、機(jī)械連接的順序依次進(jìn)行，課程設(shè)計(jì)各任務(wù)模塊則嵌入相應(yīng)的理論教學(xué)內(nèi)容后完成。

上述將課程設(shè)計(jì)任務(wù)分解并嵌入理論教學(xué)過程的方法，一方面可以將課程設(shè)計(jì)的理論計(jì)算內(nèi)容分散至平時(shí)教學(xué)過程中完成，從而可以讓學(xué)生有更充足的時(shí)間和精力進(jìn)行圖紙繪制；另一方面可以實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)，有助于學(xué)生對機(jī)械系統(tǒng)工作原理的理解、相關(guān)設(shè)計(jì)方法的掌握，同時(shí)樹立正確的設(shè)計(jì)思想。

（二）進(jìn)行先修基礎(chǔ)知識喚醒式強(qiáng)化訓(xùn)練，強(qiáng)化提升標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范意識

如前所述，先修知識遺忘是導(dǎo)致部分學(xué)生課程設(shè)計(jì)完成質(zhì)量不高的關(guān)鍵原因之一。針對這一問題，結(jié)合課程設(shè)計(jì)與理論教學(xué)嵌入式教學(xué)方案，將每一分解模塊的理論計(jì)算內(nèi)容作為相應(yīng)理論教學(xué)的平時(shí)大作業(yè)。進(jìn)一步，對理論計(jì)算結(jié)果的表達(dá)開展基礎(chǔ)知識喚醒式強(qiáng)化訓(xùn)練，即產(chǎn)生圖紙的設(shè)計(jì)內(nèi)容必須手工繪制零件圖，為后期集中繪圖環(huán)節(jié)做好準(zhǔn)備。這些強(qiáng)化訓(xùn)練與理論教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，但數(shù)據(jù)要求均由每個(gè)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)任務(wù)原始數(shù)據(jù)計(jì)算得來。完成這些強(qiáng)化訓(xùn)練，學(xué)生就相當(dāng)于同時(shí)完成了理論課的課后作業(yè)及課程設(shè)計(jì)相應(yīng)的計(jì)算內(nèi)容，可謂一舉雙得。

需要強(qiáng)調(diào)的是，對于上述強(qiáng)化訓(xùn)練，必須執(zhí)行嚴(yán)格的過程考核。具體而言，這一過程中涉及的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容，需要將完整的設(shè)計(jì)過程記錄在專用作業(yè)本上；而重要的設(shè)計(jì)結(jié)果如齒輪、軸等，則必須按照課程設(shè)計(jì)圖紙繪制要求，將零件圖繪制在標(biāo)準(zhǔn)A3或A4圖紙上，且要嚴(yán)格遵守機(jī)械制圖中的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。上述設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果、圖紙每次均要給出成績，最后同時(shí)計(jì)入理論課程的平時(shí)作業(yè)成績、課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算說明書成績及圖紙規(guī)范性成績。

（三）依托保留的集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)強(qiáng)化提升學(xué)生綜合素質(zhì)

課程設(shè)計(jì)主要計(jì)算內(nèi)容分解嵌入理論教學(xué)過程后，集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要開展裝配圖草圖及正式圖紙、零件圖的繪制。在此環(huán)節(jié)中，指導(dǎo)教師應(yīng)加強(qiáng)過程監(jiān)控力度，采用共性問題共性輔導(dǎo)、個(gè)性問題單獨(dú)指導(dǎo)的方法，力求讓所有學(xué)生明白畫的是什么、為什么這么畫，杜絕一味地模仿、抄襲。從圖面布局、線型運(yùn)用、視圖表達(dá)、尺寸標(biāo)注等方面開展精細(xì)化指導(dǎo)，進(jìn)一步夯實(shí)學(xué)生的基本功、強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范意識，提升設(shè)計(jì)能力與素養(yǎng)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)、負(fù)責(zé)的職業(yè)素養(yǎng)、道德與規(guī)范。

此外，在集中實(shí)踐環(huán)節(jié)中，可根據(jù)學(xué)生繪圖進(jìn)度，選擇合適時(shí)間開展答辯。答辯內(nèi)容主要針對學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中所暴露出來的問題，促使學(xué)生對課程設(shè)計(jì)真正重視起來，幫助其樹立基本的機(jī)械設(shè)計(jì)思想、掌握基本的設(shè)計(jì)方法，全面提升其綜合素質(zhì)。

（四）成績評定

對于上述理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)全周期過程考核，時(shí)刻灌輸“態(tài)度決定一切”的成績評定理念。由于任務(wù)分解后的理論計(jì)算內(nèi)容及相匹配的基礎(chǔ)知識喚醒式訓(xùn)練的重要性，將其作為平時(shí)成績并適當(dāng)提高比例。對于缺乏誠信、投機(jī)取巧的學(xué)生（如購買設(shè)計(jì)成果）采用一票否決制，直接取消成績，再一次強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生敬業(yè)、嚴(yán)謹(jǐn)、負(fù)責(zé)的工匠精神和職業(yè)道德以及杜絕抄襲、恪守誠信的行為準(zhǔn)則。綜上所述，最終的成績評定公式為：總成績=說明書（25%）+圖紙（30%）+規(guī)范性（15%）+經(jīng)濟(jì)性分析報(bào)告（10%）+答辯（20%）。

三、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)課程思政教學(xué)研究

廣泛開展課程思政教學(xué)是推進(jìn)“三全育人”、落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的重要途徑［5］。對于“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”這一實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化課程思政建設(shè)，并與理論課教學(xué)課程思政建設(shè)相互支撐，對于全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

課程思政素材對于開展課程思政教學(xué)有著極強(qiáng)的支撐作用，因此結(jié)合課程內(nèi)容建立課程思政素材庫至關(guān)重要。針對前述課程設(shè)計(jì)任務(wù)分解后的每一模塊，同時(shí)兼顧理論課教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合課程設(shè)計(jì)理論計(jì)算過程，按照“工作原理—運(yùn)動(dòng)與機(jī)構(gòu)分析—失效形式分析—設(shè)計(jì)、校核與制造”的脈絡(luò)進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)；對這一脈絡(luò)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，深度挖掘其中所蘊(yùn)含的課程思政元素進(jìn)行串聯(lián)。以此為中心，充分利用各類網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺、學(xué)習(xí)強(qiáng)國平臺等資源，做到每一模塊至少有1～2個(gè)課程思政素材可以與教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)深度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在潛移默化中進(jìn)行思想政治教育，達(dá)到潤物無聲的教育效果。在此基礎(chǔ)上分類整理視頻/圖片/文字資源，分模塊建立課程思政素材庫，并不間斷補(bǔ)充更新內(nèi)容。

另外，無論是“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”還是“機(jī)械設(shè)計(jì)”（基礎(chǔ)）理論課程，其內(nèi)容均具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，大多與實(shí)際生活密切相關(guān)。因此教學(xué)過程中宜采用啟發(fā)式教學(xué)，即首先提出問題，讓學(xué)生帶著問題去思考，尋找日常生活中對應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，使其在學(xué)習(xí)理論知識之前具備一定的感性認(rèn)識，更重要的是讓其在獲得這一感性認(rèn)識的過程中，充分認(rèn)識到所學(xué)課程的應(yīng)用性及對社會的重要性，認(rèn)識到自己的理論知識和實(shí)踐能力提升之后可更好地服務(wù)、造福社會，這一過程本身即是很好的思想政治教育過程。

結(jié)語

機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)承擔(dān)了培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)簡單機(jī)械和傳動(dòng)裝置及分析、解決一般工程問題能力的角色，對于機(jī)械/近機(jī)械專業(yè)學(xué)生而言，其重要性不言而喻。對于不同高校而言，由于學(xué)情不同，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革要因地制宜，如何選擇合理的方向方法更為重要。對于地方應(yīng)用型本科院校而言，仍然要以現(xiàn)存的主要問題為導(dǎo)向，注重探索如何能訓(xùn)練提升學(xué)生的機(jī)械相關(guān)課程群的基本素養(yǎng)，并強(qiáng)化培養(yǎng)、塑造學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)、敬業(yè)、負(fù)責(zé)的工匠精神，為其具備工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力打下扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。