數字化背景下基于設計思維的機械設計系列課程項目式教學研究

宋 鳴

(蘭州理工大學機電工程學院,甘肅蘭州,730050)

設計是人類有目的地運用創造力的過程,是一種創造性活動,具有創新性。人類從誕生以來,不斷從事著富有創造性的設計活動,從而推動著社會和經濟的持續發展。創造力的培養成為設計類課程的本質要求之一。機械設計系列課程是機械類學生的核心課程,通過課程培育學生的創新精神和創造力便成為課程目標的重要組成部分。同時,在“新工科”理念下,信息技術與機械設計交叉融合,計算機、數學、力學等學科與機械學科相互滲透,也對機械設計系列課程教學提出了新要求。

在數字時代,技術的日新月異促使知識的呈現、傳遞、交流、 分享、評價等方式發生變化,教師教學面臨的挑戰不再是技術支持教學是否可行,而是何時及如何應用技術。這就意味著數字時代教師的教學不再是技術與教學方法的簡單疊加,而是一種面向更加復雜學習環境的技術與教學的融合式創新。[1]教師需要明確技術變革帶來的新問題,設計出與之適應的解決方案,并在實踐行動中不斷修正問題解決方案。為適應課程建設發展的需要,本文基于設計思維,從教學活動、實踐環節、項目選題、線上課程資源和整合課程群的視角探索機械設計系列課程的優化路徑。

一、困境

過去,我國高等教育過分強調知識的記憶、理解和應用,對未來人才的核心競爭力,包括批判性思維、創新思維、問題解決能力和創造力關注不夠。這一問題也影響了機械設計系列課程。事實上,機械設計系列課程內容中最能體現課程獨特思維,即培養思維力和創造力的部分被持續弱化。在探究工程問題與設計活動中促進學生問題解決能力和創造力的發展本是機械設計系列課程的最本質要求,但長期以來一直被忽視,導致該課程失去了靈魂。

一方面,機械設計系列課程作為機械類專業核心的學科基礎課程,其課程內容應引導學生從定義和描述工程問題開始,經過創造性地構想問題解決方案、分析評價、修改等過程,實現問題的解決或產品的創新設計。在教學實踐中,為高效傳遞知識,教師預設的或教科書給定的情境所包含的要素是經過處理 (去除社會性、復雜性等特征)后提供給學生的,這一過程剝離了學生與真實問題情境的聯系,無法培養學生解決復雜工程問題的能力,最終會導致學生缺乏從真實的問題場景中發現問題、定義問題或描述問題的能力。同時,實踐環節不能采用原型制作、實驗平臺驗證方案和方法的有效性,導致學生的解題能力很強,但解決問題的能力較弱,學習缺乏成就感,也缺乏探究問題的能力。

另一方面,數字化教學的興起對機械設計系列課程教學提出了新要求。但限于課程體系、教學模式和課程資源,該課程在實施中普遍存在以下五個問題:第一,課程內容與現代先進設計方法和制造手段相對割裂,課程內容對機械設計方法的科學前沿熱點跟蹤不緊密,機械建模與仿真分析手段在課堂教學及實踐環節中未能得到普及;第二,課程的理論教學和實踐環節相對割裂,理論和教學實踐的交叉融合不足;第三,課程內容碎片化傾向嚴重,未凸顯解決機械設計工程領域中復雜技術問題的邏輯主線,且教學資源的匱乏嚴重制約了課程內容的延伸;第四,作為實踐環節的課程實驗以演示性、驗證性實驗為主,綜合類實驗、創新設計類實驗和虛擬仿真實驗的開設項目有限,且缺乏對理論教學內容的拓展,對學生創新能力及設計能力培養的支撐略顯不足;第五,課程實踐環節、專業課程實踐環節及畢業設計互通融合不足。由此可知,在數字化背景下,教師不僅需要更好的信息化教學能力,而且需要通過一種指向復雜教學情境的設計思維整合各種教學要素,設計有效的教學活動,塑造學生面向未來的終身學習的能力。[2]

二、設計思維

設計思維是基于問題而非基于解決方案的思考方式,是一種典型的以用戶為中心的設計方法,通常被表述為共情、定義、構思、原型和測試五個階段。[3-4]

設計思維、工程邏輯是工程教育中最核心的任務和目標,如圖1所示的基于工程的設計思維是人類最常見、最重要的思維方式之一,它引導學生從定義和描述工程問題開始,經過創造性地構想問題解決方案、分析評價、修改等過程,實現問題的解決或產品的創新設計,以此促進學生創造性解決問題能力的發展。近年來,設計思維因其在解決復雜和不明確問題時顯現出巨大潛力,已經發展成為一種被廣泛采用的、培養創新思維的高效手段,在工程、商業等領域逐漸得到重視和應用。

圖1 基于工程的設計思維過程

同時,隨著信息技術深度融入教育領域引發了一系列變革,教師面對的教學問題變得更具復雜性與挑戰性,需要綜合考慮和權衡多種影響因素,敏銳感受、準確判斷教學過程中可能出現的新問題。在教學設計活動時,教師通過判斷、推理的設計思維,不斷反思與重構所構想的解決方案,對教學進行創新、動態的塑造。

三、優化路徑

設計思維強調項目及任務的主題來自現實生活中迫切需要解決的需求或問題,或是一個仿真實的項目主題,要求將知識蘊含在真實情境的項目或任務中,讓學生通過實踐完成項目進而理解和掌握知識,其本質是基于建構主義的情境化學習模式。[5]基于設計思維的教學以各種技術工具為支撐、以小組合為載體、以反饋和迭代為主要方式,讓學生在一定的真實情境下完成任務并形成可視化成果,為學生創造能力的發展提供有效的支持。[6]

(一)教學活動

基于設計思維的機械原理、機械設計系列課程的教學目標、課程內容及相應教學環節的組織實施及評價標準如圖2所示。教學活動以探究和設計為主,并融入設計思維,使設計思維內化進教學方式。課程內容應突出思維力、創造力培養,強化系統方案設計分析,引導學生使用機構建模、運動仿真、制作模型等手段進行創作。

圖2 設計思維融入機械設計系列課程的教學活動設計

在理論教學過程中,教師可以針對不同知識模塊增加工程條件分析內容,強化學生獨立分析設計條件、準確描述定義工程問題能力。在課程設計等實踐環節中,教師可以創設問題情境,提供數字化資源支持,并適時介入學習小組,協調認知沖突、輔助設計方案、進行階段性成果評價。在實施具體的教學活動時,應以真實工程問題解決為導向,以項目式教學法為主,案例式教學、情境化教學為輔,開展以探究和設計為主要活動的教學,構建多樣化、個性化的學習活動。同時,應注重形成性評價和過程考核模式,促進學生批判性思維、問題解決能力和創造能力的發展,使學習評價結果更好地反映學生的學習效果。

(二)實踐環節

如圖3所示,基于問題解決的內在邏輯,課程作為一個項目被拆解為若干子項目貫穿理論教學的全過程。在項目式教學中,學生時常出現不知道如何開啟下一步的問題,這反映出教學環節的設計對學生的引導不足,階段性任務目標的設置不符合真實工程問題解決和設計思維的流程。圖3的教學模式按設計思維流程明確了各階段需要呈現的成果,課程設計的最終成果是階段性成果的綜合呈現,包括背景調研(問題情境的深入理解、工程問題的發現和描述)、需求挖掘(工程問題的進一步描述和定義)、功能分解(確定要解決的主要問題)。可見,基于真實工程問題情境的實踐教學不僅要考慮各種技術因素,還要考慮各種非技術因素設計挑戰中矛盾的平衡。

圖3 遞進式教學實踐環節設置

問題情境的創設可以在為學生提供背景支撐資料的基礎上,由教師在課堂、實驗室等真實的教學環境或混合式課程平臺等虛擬教學環境中實現。[7]背景資料不僅可以在問題出現的現場通過視頻講解,而且可以由教師精選提供一些公開發布的新聞報道、行業資訊等,甚至可以在問題出現現場錄制教學視頻、發布任務。在實踐過程中,學生在需求理解和用戶環節的分析(共情)階段往往無所適從,對需求的把握不準確,難以對潛在的需求或未來的需求進行準確描述,導致項目目標不明確。創新源于需求,需求不準確,創新的基礎就不存在。

項目式教學注重全過程、遞進性和實踐性,引導學生使用機構建模、運動仿真、制作模型等手段進行作品創作及再創作,以階段性可視化學習成果和可預期的評價結果激發學生的學習動力,讓學生體驗學習的成就感。同時,開放、自由的科創空間學習環境更能激發學生的創造力,從而保證每一個有創意的學生都有機會進行作品的再創造,實現基于體驗和創造的學習過程。

遞進式教學實踐環節將實踐環節向課堂延伸,提高了理論教學的深度和廣度,促進了理論教學和實踐活動的有效交叉融合,改變了機械設計系列課程理論與實踐融合不足的現狀。

(三)項目選題

遞進式教學實踐環節中的項目選題可以分為傳統題目和創新類題目兩大類。傳統題目一般是將行業生產中已解決的問題凝煉成為一個項目任務,項目具有典型性,可以覆蓋課程學習的基本內容,基本實現對課程單元知識綜合應用訓練的目標。創新類題目源于現實社會的真實需求或潛在需求,需要學生深入理解問題背景并挖掘需求,定義和描述工程問題,確定需要解決的主要問題,再經過創造性地構想問題解決方案,實現問題的解決或產品的創新設計。這是一個具有創造性的學習過程,可以充分激發學生的創造力和學習主動性。

課程團隊在2020—2022年按照以上原則針對機械設計系列課程進行了三輪改革實踐,將“機械創新設計大賽”等學科競賽主題及行業實際需求引入課程大作業和課程設計,將學生按照自愿及能力互補的原則進行分組,引導學生結合自身興趣愛好自選課程設計題目開展不同層次創新實踐訓練和工程項目研究。在具體實踐過程中,將理論課程大作業作為課程設計的前置任務,發布課程選題指南。選題考慮了學生的能力差異,成果原型呈現方式根據學生能力差異做了不同的要求。為進一步提高學生參與度,小組人數控制在3—4人,通過改進評價方式促使學習小組的組合實現能力互補。理論課程階段增加了選題答辯環節,答辯內容分析選題的背景調研及需求以論證選題的必要性和合理性,為項目順利開展提供支撐和保障。以上措施較好地實現了課程預期目標,部分學習小組超額完成了課程設計的規定任務及彈性任務,創新教育的分層目標實現較好。

將學科競賽的題目引入課程設計通過進一步完善課程設計題目分類管理(傳統題目、創新類題目)和分層評價標準,緩解了因學生學習能力差異帶來的創新類題目覆蓋效果較差的問題,實現了創新能力的分層培養。

(四)線上課程資源

圍繞課程理論教學、課程設計、學生科研創新訓練、學生科技創新活動,課程團隊通過引進資源和自建資源相結合的方式建立了數字化教學資源庫,具體內容如圖4所示。數字化教學資源庫吸收了國家大學生機械創新設計大賽、“挑戰杯”科技作品大賽、國家大學生創新計劃項目等課外科技活動中的優秀作品,以此拓寬學生的視野。

圖4 數字化教學資源庫的基本框架

建設數字化教學資源庫為新模式教學活動的組織實施提供了支持,為學生展現了基于工程邏輯的問題分析、問題定義、問題解決方案的迭代過程及現代設計方法和手段的應用,幫助學生體驗真實工程問題的解決過程。

(五)整合課程群

在項目實施過程中,學生通常會因為技術手段的不足而難以推進項目。課程團隊以眾創空間、創新實驗平臺為支撐,整合創新課程資源,形成了模塊化的創新課程群,與理論課程和實踐環節慕課資源互為補充,有效支持了探究型、設計型教學活動的開展。創新課程一般有三種形式:第一,以創新思維訓練為主要形式的創新課程;第二,以實驗平臺為支撐的創新實驗;第三,以創新技能的學習為目標的創新課程。同時,課程團隊以行業典型機械為對象,基于真實的工程問題情境,采用虛實交叉融合的方式對部分課內實驗項目進行改造,使單一實驗不僅可以利用傳統實驗平臺完成基礎性教學目標,而且可以在虛擬仿真平臺上完成拓展性教學,有效促進學生創新技能的培養。

基于設計思維的教學模式是適應時代發展的探究性教學模式。該教學模式以數字化教學資源為支撐,以解決工程問題為主線,通過漸進性、分層化、拓展性教學目標設置及相應教學環節的設計,提高學生解決實際問題的能力,對培養創新型實用型人才具有重要作用。