新工科背景下“機械制造基礎”課程改革探索與實踐

陳暉，朱海，劉林

（東北林業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱 150040）

0 引言

目前，新工科建設背景下，高等教育培養(yǎng)面向未來適應新產業(yè)新技術的高層次機械工程人才，應使學生具備工程創(chuàng)新思維、解決復雜工程實際問題和國際視野的能力。傳統的課堂教學模式已經不能適應人才培養(yǎng)需求，基于“新工科”建設和工程教育專業(yè)認證理念，開展教學模式和課程改革的研究與實踐持續(xù)進行[1-2]。

“機械制造基礎”課程是機械類和近機械類專業(yè)的學科基礎課程，課程在金工實習實踐教學的基礎上，在知識層面上，能夠對典型零件的制造工藝過程進行分析和解釋，得到合理有效的結論，能夠從多種制造方案中選擇最優(yōu)方案，體現創(chuàng)新意識，為解決復雜工程問題打下堅實基礎。傳統的機械制造基礎課程教學方法和課程形態(tài)存在知識、能力、思政教育相對獨立，課程功能單一，形式陳舊的問題。課程之間相互聯系松散、鏈接缺少精細設計，由此構建的課程體系中，大學生能力要求深度不足[3-4]。本文針對當前機械制造基礎課程教學出現的問題，以學生綜合能力提升為目標，從課程體系構建、教學項目設計、教學過程和考核評價機制幾方面教學改革，對未來機械工程師進行課程的知識、能力和素質目標的綜合培養(yǎng)。

1 課程簡介

1.1 課程概述

“機械制造基礎”是高等院校機械類、近機械類專業(yè)的重要的學科基礎課，是機械類本科專業(yè)的主干課程之一。該課程是機械類和近機械類學生學習機械設計基礎、先進制造技術、機械創(chuàng)新設計、機械制造工藝學等專業(yè)課程的先修課。我校從東林機械類專業(yè)設立伊始就開始了“機械制造基礎”課程，數十年來授課教師們不斷進行教學改革和探索，積累了豐富的教學改革實踐經驗。教學團隊2006年建設了校級精品課程，2016年起展開機械制造基礎系列課程的在線課程的建設并持續(xù)改進研究，實現從線下教學到線上線下混合式教學的轉變。

1.2 擬解決的痛點問題

“機械制造基礎”課程作為機械類和近機械類專業(yè)的必修學科基礎課程，傳統課程體系、教學內容及實踐教學等方面普遍存在以下問題：1）教學內容及教學設計形式單一、課堂教學量大、不能激發(fā)學習興趣，學生對各章節(jié)之間的聯系和課程間的聯系缺乏清晰的認識，對新材料、新工藝的認知較慢。2）傳統授課方式重理論、輕實踐，理論聯系實際不足，學生面向工程應用場合的適應能力不足。3）考核內容、形式和評價體系不夠科學。期末試卷考核內容主要以基本理論為主，缺少工程應用的分析綜合類題目；平時成績考核方式主要以數次作業(yè)和出勤狀況評定，缺少過程性評價和即時的成績反饋，學生在考前幾日進行死記硬背，知識的理解和運用未能內化和深化。

2 課程改革思路

2.1 課程目標

本課程的建設基于國際工程教育專業(yè)認證和國家級一流本科專業(yè)建設，持續(xù)改進。課程目標為：1）知識目標。掌握機械零件成型方法和機械加工的工藝過程、結構要求及影響要素等機械制造方面的基礎理論知識。2）能力目標。能夠將所學機械制造理論知識與工程應用有機結合，根據工程實際從多種制造方案中選擇最優(yōu)方案，體現創(chuàng)新意識。了解機械工程領域的發(fā)展趨勢和前沿技術，培養(yǎng)學生終生學習的能力。3）素質目標。強化學生工程倫理教育，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神，能夠綜合運用安全、質量、環(huán)保等知識，適應新工科復合型工程人才。

2.2 教學設計思路

針對上述痛點問題，構建新的機械制造基礎課程內容體系，既體現課程自身的基礎性，又體現課程的先進性；結合工程案例，提高學生知識內化和應用知識能力，培養(yǎng)工程應用型人才；開展多元化系統化考核方式，激發(fā)學生的學習興趣，實現課程目標中知識目標、能力目標和素質目標的達成。

課程基于超星學習通教學平臺，采用線上線下混合式教學，循序漸進將“基礎理論強化→工程案例分析→典型零件工藝規(guī)程擬定→結合學科競賽的創(chuàng)新實踐項目”融入課程教學中，使課程保證自身基礎性的同時具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，全方面進行知識能力素質的培養(yǎng)，如圖1所示。

圖1 教學設計思路

3 課程改革實踐

機械制造基礎課程在新工科建設背景下，工程教育專業(yè)認證推動下，課題教學團隊經過不斷研討和實踐，基于超星學習通網絡教學平臺，進行課程內容及資源建設，并不斷持續(xù)改進應用于線上線下混合式教學實踐中。

3.1 課程內容及資源建設

構建培養(yǎng)適應未來“新工科”機械工程師人才的機械制造基礎課程內容體系，既體現課程自身的基礎性，又體現課程的先進性和實踐性，融合專業(yè)知識和育人元素。

基于超星學習通平臺，進行在線課程建設，根據課程目標，每章節(jié)課程內容由思維導圖及教學要點、課程PPT、視頻資源、擴展資源、工程案例、思政話題及思考題等組成，并隨著新工藝、新技術、新業(yè)態(tài)的出現不斷更新改進，如圖2所示。

圖2 課程內容與資源

課程建設資料庫、作業(yè)庫、試卷庫、活動庫、討論庫、PBL分組任務、擴展資源等課程資源庫，便于學生預習和復習，并延伸課堂開拓視野。

3.2 課程改革實施

1）將課程思政寓于課程。以講故事、線上主題討論、線下討論等多種方式實施課程思政建設，如在講解鉆孔時增加有關“倪志福群鉆的故事”線上主題討論；在講解鍛造時，引入“中國模鍛之父”曾蘇民院士的故事和我國自行研制的8萬噸級大型模鍛壓機，做到育人教育，使學生能自然接受，一方面引導學生勤于思考勇于創(chuàng)新，一方面介紹了書本上沒有的新技術。有效激發(fā)學生科技強國的愛國熱情，提高學生學習興趣，促進學生對課程知識的理解、掌握、拓展與深化。

2）將生態(tài)文明融入課程。生態(tài)文明素質教育通過課堂、線上主題討論和作業(yè)的方式實施，促進學生思考環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。如在講解熱加工時，除了滲入工匠精神等思政元素之外，還融入“綠色鑄造”“綠色焊接”的理念，提出問題引發(fā)思考。在學習通線上發(fā)布相關綠色環(huán)保的文獻提示同學進行思考，線下課堂進行小組討論，學生主動思考，提出問題并思考解決問題的方案，達到生態(tài)文明素質的提高。

3）基于工程案例的分組項目。課堂教學引入機械制造工藝的各種工程案例，提出問題，并通過超星學習通搶答、發(fā)放問卷和主題討論等課堂互動的形式引發(fā)思考展開討論，并計入過程學習的考核成績。比如在講解焊接應力的時候，討論焊接應力的危害、形成的原因及多種解決措施，培養(yǎng)學生解決問題的能力、創(chuàng)新意識及工程思維。基于典型零件加工工藝過程的分組項目（PBL）的實施，設置任務情境，小組討論互動，讓學生在查閱文獻過程中將材料的選擇、毛坯的成型、熱處理工藝及機械加工等機械零件加工工藝全過程等知識點梳理并應用于工程實踐，同時提高語言表達能力和團隊合作能力。學生討論后將小組項目上傳學習通平臺并進行教師評價及學生間互評，提高學習興趣，致力于培養(yǎng)高素質機械工程師人才。

4）國際視野的拓展。新工科的理念將面向未來的學科前沿和行業(yè)需求，重視國際化視野，從而培養(yǎng)更符合未來社會需要的高層次創(chuàng)新人才。課程資源中既涵蓋傳統機械制造理論基礎的英文資料，又包含新材料、新工藝及先進制造技術的前沿性英文資料。結合小組項目，通過“查閱文獻→整理文獻→撰寫PPT→英文匯報→小組討論”的方式提高學生多項能力并開拓視野，提高自我學習的能力。

5）結合教師科研，將教師的科研實例融入課堂。將課程基礎性和先進性融合，既有利于學生對基礎知識的把握，又有利于學生了解科技前沿[5]。如在講解鑄造縮孔縮松缺陷時將教師科研實物TiAl鑄件（用于航空航天發(fā)動機的葉片）在教室中展示，既分析了基礎理論并觀察縮孔縮松缺陷，又了解了先進材料及制造工藝，引發(fā)對學科前沿的濃厚興趣。課堂上教師請同學分享金工實習3D打印作品或激光切割作品，親身經歷使學生易于接受新工藝，隨后教師分享科研中激光燒結3D打印實物，讓同學了解激光加工的同時也了解其它的3D打印方法。

3.3 考核評價改革

基于超星學習通網絡教學平臺，機械制造基礎課程采用線上線下混合式教學模式，教學實踐過程中不斷改進與之相適應的課程考核體系。由過程性考核、階段考核和期末考試結合，考查學生的基礎知識、實踐能力、團隊協作能力、思辨能力和創(chuàng)新素質。過程性考核采用超星學習通平臺統計線上過程學習，由章節(jié)學習、課堂互動、討論、線上作業(yè)和線上測試、項目分組任務（PBL）等組成。考核評價構成如圖3所示。

圖3 考核評價構成

通過學習通資源中章節(jié)學習次數考查學生參與線上學習的情況，學生根據教師要求及興趣進行課程內容、視頻講解、拓展資源、思政話題等的學習并參與討論。選人、搶答、課堂測試、投票及問卷等豐富的課堂互動，可以廣泛引起學生學習興趣，不僅通過超星學習通系統記錄過程學習分值，亦可進行學情分析，獲得實時反饋，并據此調整下一階段的教學，并有針對性地對落后同學進行單獨輔導。

以作業(yè)形式發(fā)布思維導圖任務，學生通過認真思考來梳理知識點之間的聯系，建立章節(jié)及課程的邏輯關系[6]。提交的思維導圖作業(yè)通過教師評分及學生間互評的形式計入過程考核成績，教師擇優(yōu)選出部分匿名思維導圖作品并以問卷的形式讓學生投票選出3個或5個優(yōu)秀思維導圖，教師對其額外加分。

基于超星學習通平臺“統計”功能，對于線上及線下的各種測試及活動，保證了過程成績核算的完整及公平性。

4 改革成效

通過課程強化學生扎實的機械制造基礎知識，又通過引入工程案例培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新思維，實現知識、能力和素質的綜合培養(yǎng)。結合課程思政的主題討論提高了愛國情懷，全人教育取得進步。通過與專業(yè)平行班成績對比，全面實施教學改革班級的優(yōu)良率好于普通班級的優(yōu)良率。持續(xù)實施教學改革的2020級優(yōu)秀良好比例高于2019級優(yōu)秀良好比例，持續(xù)教學改革取得良好效果，綜合成績對比如圖4所示。此外，所授班級同學積極參加學科競賽并在2023年全國大學生金相技能大賽和中國大學生機械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽等國家級比賽中取得優(yōu)異成績，課程綜合能力素質、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)取得了優(yōu)異的效果。

圖4 班級成績對比

5 結論

1）在新時代背景下，新工科建設成為我國高等教育改革的重要方向，機械制造基礎課程通過線上線下混合式教學，有意識地將課程內容嵌入了基礎理論、教師科研、工程案例、學科競賽、立德樹人基本要素，加強知識點之間的關聯，使知識形成一個有機整體，培養(yǎng)面向“新工科”背景的社會需要的機械工程師。

2）基于超星爾雅學習通平臺，課程建設了資源豐富的“機械制造基礎”線上課程，并不斷更新持續(xù)改進。課程針對機械制造基礎課程內容進行了優(yōu)化，構建了面向“新工科”人才工程實踐能力、創(chuàng)新能力所匹配對應的知識體系，梳理機械制造基礎課程工程材料、傳統熱加工及機械加工工藝規(guī)程知識點，既體現課程自身的基礎性，又體現課程的先進性。

3）針對機械制造基礎課程考試方法進行了研究與實踐，采用多元化多主體評價的過程性考核，提高了學生學習興趣，易于學情分析，保證了考核的公平和公正。