新工科背景下機械設計基礎課程教學創新研究

盧文娟 曾達幸 王帥 梁經倫 曹曉暢

基金項目：2023年廣東省教育廳項目“廣東省線下一流課程：機械設計基礎”（無編號）；2021年度廣東省教育科學規劃項目“面向新工科的多元主體協同育人機制研究與實踐”（2021GXJK333）；2020年廣東省高等教學改革項目“面向培養卓越工程師的《機械設計》混合式教學改革實踐”（無編號）；2019年廣東省高等教學改革項目“新工科背景下產業驅動機械專業基礎課中實踐環節改革研究”（無編號）；東莞理工學院質量工程項目“校級一流課程《機械設計基礎》”（202102045）

第一作者簡介：盧文娟（1983-），女，漢族，河北石家莊人，博士，副教授。研究方向為機構學與并聯機器人理論。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.06.016

摘? 要：針對“學生個性差異大、教學內容陳舊、教學模式固化”的問題，從專業人才培養目標和要求出發，提出基于OBE教育模式對課程內容和課程體系進行建設與改革，采用“一中心二方式三融入四結合”的教學理念，通過“三化”途徑，構建“課前準備，課中教學過程，課后環節”全過程教學模式，實現“實際問題—理論分析—木制模型—產品造型”的閉環知識結構，探索基于“創造有意義的學習經歷”整合模型教學設計，創新多維聯動的教學方法，培養和提高學生的創新能力和解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：新工科；一流課程；創新教學；木制模型；多維聯動

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）06-0069-04

Abstract： In view of the problem of "big differences in students' personality， outdated teaching content and solidified teaching mode"， from the perspective of the training objectives and requirements of professional talents， this paper proposes to construct and reform the curriculum content and curriculum system based on OBE education mode， adopt the teaching concept of "one center， two methods， three integration and four integration"， and construct the whole process teaching mode of "pre-class preparation， in-class teaching process， and after-class links" through the "three modernizations" approach， realize a closed-loop knowledge structure from "practical problems - theoretical analysis - wooden models - product modeling"， explore the integration of model teaching design based on "creating meaningful learning experience"， innovate multi-dimensional linkage teaching methods， and cultivate and improve students' innovation ability and ability to solve practical engineering problems.

Keywords： emerging engineering education; first-class courses; innovative teaching; wooden model; multi-dimensional linkage

新工科建設是一項持續深化工程教育改革的重大行動計劃，是新時代高等教育改革的重要內容[1]。機械設計基礎課程講授常用機構的工作原理、特性、應用及基本設計方法，使學生掌握機械中常用機構和一般零件的工作原理、特點及應用的基本知識。初步掌握其設計和計算的方法，獲得必要的基本技能訓練，具備利用手冊設計簡單機械的能力。本課程旨在培養學生綜合運用課程中所學的知識和技能，解決各專業機械相關的實際問題，結合各個實踐教學環節，開展各專業工程技術人員所需的基礎訓練，培養學生分析解決問題、創新思維和創新設計的能力。因此，機械設計基礎不僅是高等工科院校機械類專業的一門重要的必修基礎課程，而且是一門承上啟下的課程。同時，又是一門重要的素質教育課程，在培養高級工程技術人才的過程中、在人才培養的教學計劃中均占有重要的地位。

一? 傳統課堂的痛點分析

（一）? 學生知識結構基礎參差不齊

該課程涉及多個不同專業，涉及不同的培養目標、各專業對學生機械設計基礎知識的要求有差別，學生的活動能力、活動水平、知識儲備和課程認知各有差異，如該課程所要求的前修課程是基礎機械制圖、理論力學等，學生對這些基礎知識的掌握程度有差距。并且，不同專業該課程所支撐的后續課程差別也較大，有的專業對傳動方案設計要求較高，有的需要常用機構結構設計部分知識，有的側重在動力機器的原理與設計上……目前，大多數學校機械設計基礎課程的目標趨同明顯，方向性不明確，過于寬泛，不能突出專業特色。

（二）? 學生對該課程重要性的認知不到位

非機械類的學生在學習時往往認為該課程與其專業的相關度不大，不清楚該課程在其培養方案中的地位和作用，不了解對后續課程的支撐情況，建立不起來該課程與其專業、課程體系之間的聯系，導致學習該課程時迷茫，學生在機械設計基礎課程中所學知識找不到合適的應用場景，學生學習積極性不高。

（三）? 課程教學內容傳統陳舊

當前針對不同專業，機械設計基礎課程多數沒有分別授課內容，課程內容固化，還是按照傳統以講解機械原理知識為主，產品應用實例匱乏[2]。不同專業對現有課程內容的深度要求各不相同，課程廣泛度、新穎性不夠。

（四）? 課程模式固化

當前，機械設計基礎課程教學模式大多為教師按照既有的教學計劃，選用合適的教材和一些教輔材料，利用多媒體在課堂上給學生以展示課程內容，課堂上師生互動不足，課程實踐教學內容和課時安排較少，以示范性教學為主，學生參與度低[3]。對于地方應用型本科院校而言，以為地方經濟社會發展培養所需的綜合應用型人才，要更加重視對學生自主學習和獨立解決問題能力的培養。固化的教學模式使學生形成固化的思維模式，無法提高學生的自主創新能力和實踐應用能力。

二? 以學為本、因學論教，更新教學理念

課程團隊經過多年持續教學思考和迭代，圍繞以上難點和痛點問題，開展了以下教學創新探索實踐，明晰了課程定位和建設思路。

從專業人才培養目標和要求出發，提出采用OBE教育模式對課程內容和課程體系進行建設與改革，采用基于學情、融入前沿、注重方法的“一中心二方式三融入四結合”的教學理念，即以學生為中心（一中心），采用線上線下相結合的教學方式（二方式），融入實踐、融入前沿、融入思政（三融入），結合數字化資源，結合專業特點，結合學生學情，結合木制機構模型（四結合），通過“三化”途徑具體展開實施，充分利用現代多媒體技術，從能力培養目標層面把握課程內容的布局和實施，優化專業結構和布局，體現不同學科、不同專業的人才培養目標和專業特色的核心內容，展現專業傳統優勢，夯實專業基礎，遵循“由淺入深、循序漸進”的教學規律。培養和提高學生的創新能力和解決工程實際問題的能力。

三? “創造有意義的學習經歷”整合模型，探索教學設計

該課程以學生為中心，從教學設計層面采用“創造有意義的學習經歷”整合課程設計模型，該設計模型是由美國學者L·迪·芬克提出的一種以學生為中心的教學設計框架[4]。這一框架從基礎知識、應用、綜合、人文維度、關心和學會學習6個維度追求“為學生創造有意義的學習經歷”的目標，讓學生在學習過程中不斷找到所學知識與個人、他人、社會聯系的目的，同時，與課程思政以育人為核心，注重思想、道德、政治觀念有機融入課堂的教學目標不謀而合。

基于上述理念設計了機械設計基礎課程的教學要點。

（一）? 情境因素收集

機械設計基礎是一門培養學生工程思維和機械創新設計能力的技術基礎課。從課程內容來看，主要學習機械系統的運動學和動力學分析及機械方案設計的基本理論，包括常見機構的結構分析、運動分析和受力分析。它在培養學生機械設計能力和創新能力所需的知識、能力和素質結構中起著非常重要的作用。

（二）? “創造有意義的學習經歷”的教學目標

①基礎知識：通過該課程的學習，使得學生掌握機構學和機械動力學的基本理論、基本知識和基本技能。②應用：機械設計基礎課程學習中的應用目標包括學會常用機構的分析和設計。③綜合：適時引入柔性機構、并聯機器人機構等前沿科學問題；按照機構理論—工程分析—設計作品的順序，探究工程問題分析與解決方法，激發學生對機械系統運動方案設計的創新思維和發散思維，明晰機械設計基礎在機械產品，特別是3C產品制造、開發全周期、全流程的作用及地位，使學生具有進行機械系統運動方案（創新）設計的初步能力。④人文維度：機械設計基礎在學生的眼中一直擺脫不掉陳舊、晦澀等印象，通過增加課程的趣味性與藝術氛圍，在課堂中引入當今機構學領域的熱點折紙機構、折展與縮放機構等古老的東方藝術，以美育人、以美化人，積極弘揚中華美育精神。⑤關心：在教學中關注學生的感受，在課堂中壓縮教師的單向灌輸，在有效的學習過程中，樹立致力于成為合格的專業人才。⑥學會學習：課前，利用多種輔助資源開展自主學習；在課堂上，訓練“做中學”和小組討論的能力，使學生在課程結束后，也愿意并能夠開展探究式學習，成為自主學習者。

（三）? 采用“反向設計”原則

采用“反向設計”原則，形成性評價為主的策略，充分利用在線教學平臺收集學生的學習行為數據（搶答、投票、問卷等），促進學生在課堂活動中的投入。

（四）? 采用多樣化的教學活動達到目標

理論教學采用課前預習、課間采用多種形式相結合的互動式教學方法，教學方法有啟發式、小組討論、實地考察、以往案例、項目論證等，以此引導學生同步思考，調動學生學習的主動性，提高理論教學的有效性。根據教學內容實踐性要求，我們還采用實地考察式和案例式的教學方法，依托東莞理工學院（以下簡稱“我校”）特色產業學院——長安先進制造學院[5]進行，實地分析自動上下料機等數十種自動化設備。

四? “三化”途徑，多維聯動，創新教學方法

（一）? 教學內容動態化

課程內容的建設是開展課程內容重構的重中之重，是后續建設工作的基礎[6]。而該課程涉及多個專業，課程內容建設工作中，主要從課程調研、內容體系完善設計、教學大綱制定、課程實訓環節實施等方面不斷進行課程的改革和完善。結合不同專業特點及培養方案，依據現代工程教育的持續改進理念，課程立足使學生快速適應科技的高速發展與變革，將學科前沿、科研思維引入到課堂教學當中，及時融入各專業中與專業相關的最新成果和技術，不斷調整與課程相關的產品實際案例，開展課程內容重構，使本門課具有針對性和前沿性。

例如課程選取機械學國際前沿實例作為教學案例進行知識的講授和思維的引導，結合學科的最新發展趨勢，在基本知識體系和國際前沿兩方面進行拓展。如引入柔性及彈性機構、仿生機構等，為學生介紹中國天眼中所涉及的并聯機構的設計問題，普及并聯機構這一新型機構在機床、娛樂、穩定平臺等方面的應用；帶領學生進入實驗室，為學生介紹、演示基于并聯機構的地震模擬平臺，進行現場教學。同時，采用實地考察式和案例式的教學方法，在特色產業學院——東莞理工學院長安先進制造學院進行，實地考查特色產業學院的自動上下料機、異型元件插件機等數十種自動化設備，深入剖析案例，提升學生綜合實踐能力。

（二）? 課程資源數字化

推動現代信息技術與課程教學深度融合，制作并不斷完善網絡教學資源，利用網絡技術等先進手段。

1）制作了現代多媒體教學課件，豐富課堂教學資源：具有傳統教學模式特點的CAI電子教案+具有動態圖形的多媒體課件+具有實物特征的動畫模型庫。

2）建設了省級精品課程資源網站——機械設計基礎，包含電子教案、教學視頻、實驗視頻、動畫庫、典型例題、試題庫、學生作品庫及模擬測試平臺，豐富學生學習資源，提升學習能力。

3）建立了微信公眾號推送：莞工機械設計基礎課程群、莞工工程坊，開拓多元化的信息交互平臺，實現師生零距離網上互動。

4）利用優學院教學平臺，建立基于西北工業大學國家精品課程視頻的課件，錄制課后習題、試卷試題講解、電子版課外科技前沿書籍文獻等學習資源，定期補充各種教學文件，隨時補充課程相關的參考文獻、技術前沿、科研成果。

5）結合慕課堂課堂教學工具，通過信息收集和數據分析，有針對性地改善教學過程。

（三）? 教學方法聯動化

該課程存在教學內容多、信息量大、學時少、非機械類學生學習興趣低、非機械類專業不設課程設計，導致實踐與理論脫節等問題，這便對教學過程中加強個性化教學提出更高要求：要求教師從培養學生的實際能力出發開展教學活動，為促進學生提高學習的自主性，激發學生學習專業知識的探究性，擴大學生的知識視野，促進理論與實踐教學的一體化，為此，從以下教學方式和方法入手實現。

1? 線上與線下的聯動

適應“互聯網+”課程新模式，學習MOOC課程，進一步對教材進行優化、改革創新，將傳統紙質教材改造為基于移動終端的紙質教材和復合教材。

以教學模式多樣化，激發興趣，調動學生的學習積極性和主動性為目的，借助現代信息技術，將傳統課堂教學和在線教學兩者優勢相結合，借助互動性強的網絡學習平臺，以課程團隊已完成錄制的、建設的學習視頻（2019年核心課程建設項目）為資源，采用“碎片化線上學習”+“碎片化整合線下學習”的時空擴充規劃。通過課堂外的自主學習，提出問題為主的知識學習，到課堂內以導學精講，展示交流為主的內化知識。將線上線下內容有機融合，課前有準備，課中能收獲，課后可拓展，構建“課前準備，課中教學過程，課后環節”全過程教學模式，使教學過程實現閉環。

1）碎片化線上學習。課前準備，發布課程資源：利用線上資源在課前安排探索環節，包括利用優學院平臺提前在班群里發布課程資源，讓學生可以提前對課程梗概有一個初步認知，避免學生對課堂教學的主要內容及重難點把握不準而被動接受的問題。課前對課程內容進行學習，課下對課程進行鞏固復習，有助于老師掌握學生課下學習動態，提升課堂教學效果。課后鞏固，知識拓展：利用課后布置作業、安排測試、推送或拓展知識等，學生可以獨立完成老師布置的作業和測驗，達到知識鞏固和拓展的效果，并獲得相應的經驗值，可計入最終的普通成績。同時，教師和學生的實時在線交流可以通過在線實現，學生可以把課程內容、重要知識點或其他學習生活、學習問題說出來，教師可以在線上一一回復，打破師生交流的空間和時間限制，解決學生的問題，了解學生的思想傾向。

2）碎片化整合線下學習。線上視頻課程對知識實施了“碎片化”，使之在低階認知層面易于記憶和理解，但不易整合成為一個整體的知識系統來進行使用。教師現場教學環節最核心的作用是“帶領學生進行碎片化知識的有機整合”，具體實施過程如下。線上課程/講授型課堂重點講授“靜態知識”，這些內容（定律、公式）用在線習題庫進行強化。見面課程/研討型課堂，展示如何利用碎片化知識點整合到一起分析和解決問題。重點解決“知識點細碎，關聯性薄弱”的問題，使教師從“單向講授者”轉變為“操作演示者”，形成“學生提供素材，教師演示整合”的課堂。

2? 理論與實踐的聯動

以木制機構模型為教具學具，將其引入課堂，這類模型的造型精巧，設計巧妙，具有環保、攜帶方便、搭建方便、不受空間限制，時間上也能得到保障（大約45分鐘完成一個模型），可多次組合拆裝，不影響聯接的可靠性和穩定性，將機構復活很好地實現了實踐進課堂（本學期搭建了健身機構、吞硬幣機構、可變向小車、蠕動機器人機構、太陽能月球車和恐龍聯動機構等）。通過搭積木式地對簡單機構模型、復雜機構模型、自主創新模型的搭建與拆解，分析與診斷，滿足不同專業教學需求的同時，將課堂上原本只停留在學生思維想象空間的概念變得可視、可感、可觸、可操作。實現了四個“統一”，即理論與實踐的統一，興趣與實現的統一，綜合性與創新性的統一，課程與專業的統一。

最后將這些模型結合專業特色，進行外觀設計，如圖1所示。實現“實際問題—理論分析—木制模型—產品造型”的一個閉環知識結構，如圖2所示。

圖1? 學生作品

圖2? “實際問題—理論分析—木制模型—產品造型”的閉環教學

五? 結束語

以建設一流課程為引領，以社會需求為導向，以能力培養為目標，我校機械設計基礎課程采用“一中心二方式三融入四結合”的教學理念，通過“三化”途徑，探索基于“創造有意義的學習經歷”整合模型教學設計，創新多維聯動的教學方法，實現了從傳統課堂向智慧課堂、知識課堂向能力課堂、灌輸課堂向實踐課堂、封閉課堂向開放課堂的轉變。學生課堂參與度、學習深度及價值認同感均有所提高，從感性認知上促進了學生愿意學習、樂于學習、勤于學習，遲到、缺課、低頭玩手機的人數明顯減少，對教師的認可度增加，對課程的認可度提高。學生的課堂參與度從以往不足一半增加到近百分之九十，學生在課程總結中表示“課堂不失活躍的同時又能使我們去認真地聽講。”“老師能夠將我們帶入到一個個形象生動的情境中，讓我們對機械設計基礎產生了非常濃厚的學習興趣，同時也讓我們學習這門課程更加輕松。”教學改革與創新需要進一步細化、深入挖掘和拓展。課程將繼續發揮自身優勢，以“覺醒—賦能—成長—成才”的模式，促進學生的全面發展。

參考文獻：

[1] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2] 吳杰.機械基礎課程教學改革探索[J].教育教學論壇，2019（25）：160-161.

[3] 陳守東，劉曉娜，張金標.基于應用型人才培養的《機械設計基礎》課程教學改革[J].銅陵學院學報，2021，20（2）：110-112.

[4] 賀利堅.一種融入課程思政的理工類專業課教學設計方法[J].計算機教育，2019（11）：7-10，15.

[5] 黃輝宇，孫振忠.現代產業學院多方協同育人模式探索與實踐——以東莞理工學院先進制造學院（長安）為例[J].東莞理工學院學報，2020，27（5）：122-125.

[6] 梁軍，侯迪波，謝穎峰，等.新工科自動化“一體兩翼”專業課程群建設的探索與實踐[J].高教學刊，2022，8（24）：18-22.