基于“能力－知識(shí)－課程”矩陣的機(jī)械設(shè)計(jì)課程群構(gòu)建與教學(xué)實(shí)踐

熊敏　丁曉紅　李天箭　錢煒

摘要：針對(duì)機(jī)械工程傳統(tǒng)知識(shí)導(dǎo)向型課程設(shè)置易形成“知識(shí)孤島”，導(dǎo)致學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力不足的問題，通過構(gòu)建“能力－知識(shí)－課程”矩陣，建立機(jī)械設(shè)計(jì)課程群架構(gòu)，并開展教學(xué)改革實(shí)踐，探索提升學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力的教學(xué)模式。以理論類課程為支撐，以實(shí)踐類課程為載體，促進(jìn)學(xué)生“有知識(shí)—用知識(shí)—?jiǎng)?chuàng)新知識(shí)”的機(jī)械設(shè)計(jì)能力遞升。改革教學(xué)方法，開展“線上自主學(xué)習(xí)，線下交流討論，課后項(xiàng)目實(shí)踐”的教學(xué)實(shí)踐，并引入問題導(dǎo)向、案例教學(xué)的機(jī)械工程頂峰體驗(yàn)課程。機(jī)械設(shè)計(jì)課程群形成合力，全面提升學(xué)生從知識(shí)的“抽象”到機(jī)械裝備“具象”的雙向演繹能力，“做”“學(xué)”深度結(jié)合，使學(xué)生能主動(dòng)將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力，取得良好的教學(xué)改革效果。

關(guān)鍵詞：專業(yè)核心能力；課程群架構(gòu)；機(jī)械設(shè)計(jì)；線上線下教學(xué)；頂峰體驗(yàn)課程

中圖分類號(hào)：G 642.0???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：1009?895X（2023）01?0088?07

DOI：10.13256/j.cnki.jusst.sse.2023.01.015

Construction and Teaching Practice of Mechanical Design Cur- riculums Based on “Ability-Knowledge-Course” Matrix

XIONG Min，DING Xiaohong，LI Tianjian，QIAN Wei

（ SchoolofMechanical Engineering， University ofShanghaifor Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：Since the traditional curriculum is easy to form a “knowledge island” ， resulting in student non- proficiency? in? mechanical? design? ，? the “ Ability-Knowledge-Course” matrix? is? constructed，? and? the? framework of mechanical design curriculums is established. Then the teaching reform practice is carried? out and the teaching mode to improve students mechanical design ability is explored. With relevant? theoretical courses as the support and practical courses as the carrier， the students mechanical design? ability of “having knowledge-using knowledge-innovating knowledge” is promoted step by step. Teaching? methods are also reformed and practiced， including online independent learning， offline communication? and discussion， and after-class project practice. Moreover， the capstone experience course is initiated and? practiced. As a result， the mechanical design curriculums have made a concerted effort to comprehensively? improve? the? students two-way? deductive? ability? from? the “ abstract” knowledge? to? the “ concrete” mechanical equipment so that they could transform knowledge into ability with practice and learning. Toour delight， students have made great achievements in various competitions and academic research， which are the good results of the teaching reform.

Keywords：professional core ability； framework of curriculums；mechanical design； online and face-to-face teaching methods；capstone experience course

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和中國制造2025國家戰(zhàn)略的實(shí)施，高等院校必須面向未來培養(yǎng)卓越的工程人才。卓越的工程人才須有精益求精的專業(yè)知識(shí)、廣泛的社會(huì)知識(shí)和綜合的創(chuàng)造能力，還須有高瞻遠(yuǎn)矚的工程理念、卓越非凡的工程創(chuàng)新精神、深切的職業(yè)自覺意識(shí)、強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感和歷史使命感[1]。因此，高等院校必須主動(dòng)迎接挑戰(zhàn)，進(jìn)行工程教育的改革。我國自2018年開始強(qiáng)力推進(jìn)“一流本科教育”的相關(guān)工作，全面實(shí)施一流專業(yè)、一流課程建設(shè)的“雙萬計(jì)劃”，各高校圍繞建設(shè)高水平本科教育，深入推進(jìn)改革，取得了明顯成效。如山東大學(xué)研究了知識(shí)、能力、實(shí)踐、創(chuàng)新一體化培養(yǎng)模式，并在機(jī)械制造基礎(chǔ)課程上進(jìn)行了改革實(shí)踐[2]。上海交通大學(xué)對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)課程進(jìn)行了改革探析，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造為主線重構(gòu)課程內(nèi)容，并采用開放式的設(shè)計(jì)課題提升學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力[3]。同時(shí)，放眼世界，世界一流工程教育大學(xué)均在進(jìn)行教育改革，以迎接第四次工業(yè)革命。如美國普渡大學(xué)進(jìn)行了新工科建設(shè)，從專業(yè)設(shè)置、課程體系建設(shè)、教學(xué)方式方法革新等多方面進(jìn)行了改革[4]；而麻省理工學(xué)院則從教學(xué)體系、文化氛圍等各方面保障其創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[5]。美國工科教育整體上也經(jīng)歷了一系列大規(guī)模的改革，例如，明確規(guī)定高校應(yīng)當(dāng)實(shí)施頂峰課程來避免知識(shí)缺乏整合與脫離實(shí)踐等狀況[6]。

上海理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)立足國家和上海優(yōu)先發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)的戰(zhàn)略，面向先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)變革和技術(shù)發(fā)展對(duì)人才的需求，旨在培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐的工程型、創(chuàng)新性、國際化的高素質(zhì)機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)I(yè)工程師，可勝任機(jī)械及相關(guān)工程領(lǐng)域的技術(shù)和管理工作。根據(jù)本專業(yè)對(duì)近5年的畢業(yè)生工作崗位調(diào)查統(tǒng)計(jì)，就業(yè)于各類企業(yè)和科研院所的畢業(yè)生占比近80%，其中從事技術(shù)研發(fā)和管理等相應(yīng)崗位的畢業(yè)生達(dá)70%以上，所從事崗位工作與專業(yè)直接對(duì)口或相近的約80%，因此加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)核心能力非常重要。

機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)產(chǎn)品的功能要求，對(duì)機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算，將其轉(zhuǎn)化為具體的、可制造的工程圖紙的過程。一個(gè)產(chǎn)品的功能完善與否、性能優(yōu)劣，乃至市場(chǎng)競爭力從根本上取決于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平，因此機(jī)械設(shè)計(jì)能力是機(jī)械類人才專業(yè)核心能力的重中之重，也是卓越創(chuàng)新人才工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的重中之重。在機(jī)械工程教育知識(shí)體系中[7]，機(jī)械設(shè)計(jì)原理和方法包括五個(gè)子知識(shí)領(lǐng)域：形體設(shè)計(jì)原理和方法、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)原理和方法、精度設(shè)計(jì)原理和方法、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法等。在傳統(tǒng)的教學(xué)體系中，這些知識(shí)領(lǐng)域分別納入不同的設(shè)計(jì)類相關(guān)課程中，各門課程設(shè)置相對(duì)獨(dú)立，各自有教學(xué)重點(diǎn)和目標(biāo)。課堂教學(xué)由授課教師逐次講授，授課內(nèi)容依次推進(jìn)；工程實(shí)踐同樣是按課程知識(shí)逐個(gè)訓(xùn)練，依次完成。這種分散獨(dú)立的教學(xué)方式和相互缺少緊密關(guān)聯(lián)的培養(yǎng)模式，使學(xué)生難以從一個(gè)個(gè)相對(duì)孤立的知識(shí)點(diǎn)形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)知識(shí)體系，也難以在整體上實(shí)現(xiàn)知識(shí)向能力有效轉(zhuǎn)變[2]。學(xué)生即使學(xué)完了所有的相關(guān)課程，仍對(duì)機(jī)械沒有整體的認(rèn)識(shí)，不知如何進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然所有的機(jī)械都實(shí)現(xiàn)具體的功能，然而由于課程之間相關(guān)知識(shí)銜接關(guān)系不夠明確，且教學(xué)理念、教學(xué)手段相對(duì)陳舊等原因，使得學(xué)生一方面難以將抽象的知識(shí)應(yīng)用于具象的“機(jī)構(gòu)?結(jié)構(gòu)?機(jī)器”設(shè)計(jì)的演繹，不能將學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)中，另一方面針對(duì)實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)問題，又不能將其抽象為準(zhǔn)確的力學(xué)分析模型，抽象到具象的正反演繹能力弱，導(dǎo)致學(xué)生的綜合分析能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力不足。

事實(shí)上，設(shè)計(jì)就是創(chuàng)新[8]，而創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)是基于新思維的價(jià)值創(chuàng)造行為[5]，由此，面向未來的卓越機(jī)械工程人才必須具有創(chuàng)造性的新思維。如何通過機(jī)械設(shè)計(jì)課程群的合理構(gòu)建和教學(xué)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維、創(chuàng)造性思維、批判性思維和系統(tǒng)性思維，使學(xué)生能主動(dòng)、自如地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，是機(jī)械設(shè)計(jì)課程群構(gòu)建和教學(xué)手段改革的目標(biāo)。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)課程群架構(gòu)

課程群以機(jī)械設(shè)計(jì)能力遞進(jìn)提升為指引，使機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)課程要素在動(dòng)態(tài)過程中統(tǒng)一指向課程群目標(biāo)，形成有機(jī)整體。由于課程體系是實(shí)現(xiàn)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的載體，課程群目標(biāo)根據(jù)本專業(yè)畢業(yè)要求中對(duì)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力的要求來制定。其總體要求是：具有機(jī)械的方案設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力；能準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，正確使用設(shè)計(jì)規(guī)范；具有綜合分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。根據(jù)這一總體要求，我們進(jìn)一步將其分解為13個(gè)具體的能力要點(diǎn)，每一個(gè)能力要點(diǎn)對(duì)應(yīng)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)相關(guān)課程，共由20門課程組成，由此構(gòu)建機(jī)械設(shè)計(jì)課程群架構(gòu)，形成年4不斷線的機(jī)械設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)課程體系，實(shí)現(xiàn)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力遞進(jìn)提升。構(gòu)建的“能力－知識(shí)－課程”矩陣如表1所示。

課程設(shè)置中保留了經(jīng)典的“工程制圖”“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“機(jī)械工程材料基礎(chǔ)”“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“公差檢測(cè)與技術(shù)測(cè)量”和“機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”等課程，拓展和加深了“有限元法”和“現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)”等教學(xué)內(nèi)容，增加了“機(jī)械虛擬設(shè)計(jì)與制造”“復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”和“科研項(xiàng)目課程”，提高了“畢業(yè)設(shè)計(jì)”的工程實(shí)踐項(xiàng)目比例，相關(guān)的課程內(nèi)容根據(jù)機(jī)械學(xué)科的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了重構(gòu)。其中，新開設(shè)的科研項(xiàng)目課程，依托教師具有特色的科研項(xiàng)目，讓本科生參與教師團(tuán)隊(duì)的科研活動(dòng)，在將新知識(shí)、新技能、新動(dòng)向呈現(xiàn)給學(xué)生的同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生自主探索，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、科研思維，提高他們的研究與創(chuàng)新能力?！澳芰ΓR(shí)－課程”矩陣基于機(jī)械設(shè)計(jì)課程群強(qiáng)調(diào)課程之間的關(guān)聯(lián)性和整體性，承載對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和價(jià)值塑造等多方面的功能。每門課程均制定詳細(xì)的教學(xué)大綱，內(nèi)容包括：課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、前后修學(xué)課程的知識(shí)領(lǐng)域關(guān)系，以及機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)能力在課程中的培養(yǎng)方法、評(píng)估方法等。

基于“以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向”的教學(xué)理念，課程群圍繞提升學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)綜合能力、培養(yǎng)學(xué)生思辨性思維和創(chuàng)造性思維的目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)課程之間的關(guān)聯(lián)性和整體性，“做”“學(xué)”結(jié)合，形成“理論?實(shí)驗(yàn)?創(chuàng)新實(shí)踐”為一體的有機(jī)整體，課程體系關(guān)系架構(gòu)如圖1所示。其特征是，以各類實(shí)踐項(xiàng)目為載體，在相關(guān)理論課程支撐下循序展開，促進(jìn)學(xué)生“有知識(shí)?用知識(shí)?創(chuàng)新知識(shí)”的機(jī)械設(shè)計(jì)能力遞升。實(shí)踐項(xiàng)目分為四大類：課程項(xiàng)目（機(jī)械測(cè)繪及 AutoCAD 、計(jì)算機(jī)輔助三維結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)）、課程組項(xiàng)目（工程創(chuàng)新與實(shí)踐、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)）、多學(xué)科項(xiàng)目（機(jī)械虛擬設(shè)計(jì)與制造、復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)）、產(chǎn)品/技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目（科研項(xiàng)目課程、畢業(yè)設(shè)計(jì)）。各類實(shí)踐項(xiàng)目案例大多來自于最新科研成果和實(shí)際工程技術(shù)問題的提煉，并根據(jù)課程特點(diǎn)進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)姆诸惻c設(shè)計(jì)，確保了學(xué)生能力培養(yǎng)和工程實(shí)際及學(xué)科前沿的接軌。在學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生不僅主導(dǎo)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和分析，而且參與分析、討論和表達(dá)等活動(dòng)，進(jìn)一步提高了學(xué)生分析問題和解決問題能力。課程群的整體性及以實(shí)踐項(xiàng)目為載體的案例教學(xué)、能力驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，可有效解決知識(shí)孤島現(xiàn)象，使學(xué)生建立完整的機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)架構(gòu)，并進(jìn)一步提升他們?cè)O(shè)計(jì)與制造、科學(xué)與技術(shù)研究、創(chuàng)造與創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)和管理等方面的能力。

二、以交叉融合和案例導(dǎo)向?yàn)樘卣鞯恼n程教學(xué)設(shè)計(jì)

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，學(xué)生從大學(xué)里受益最直接、最核心、最顯效的是課程[9]。為了達(dá)成圖1所示“有知識(shí)?用知識(shí)?創(chuàng)新知識(shí)”的遞進(jìn)式能力提升，使學(xué)生主動(dòng)、自如地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，課程群中各課程的教學(xué)設(shè)計(jì)尤為重要。教學(xué)設(shè)計(jì)的基本理念是，以交叉融合和案例導(dǎo)向?yàn)樘卣鳎瑢W(xué)生為主體進(jìn)行主動(dòng)探索式學(xué)習(xí)，形成生－生、師－生合作學(xué)習(xí)模式。

就理論類課程而言，基于能力遞進(jìn)提升的教學(xué)設(shè)計(jì)需解決的主要問題有：1）課程內(nèi)容體系與產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展以及社會(huì)需求的適應(yīng)性；2）課程教學(xué)方法的先進(jìn)性和多樣性；3）課程考核方式的科學(xué)性。以主干課程“機(jī)械設(shè)計(jì)”為例來說明具體的教學(xué)設(shè)計(jì)。首先，基于未來機(jī)械工程師的知識(shí)能力素養(yǎng)的需求，在原有課程內(nèi)容基礎(chǔ)上增加現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法、計(jì)算機(jī)編程及智能設(shè)計(jì)方面的教學(xué)內(nèi)容；其次，開發(fā)與課程內(nèi)容密切結(jié)合又具有學(xué)科和技術(shù)前沿的教學(xué)案例，形成教學(xué)案例庫；針對(duì)典型的工程案例，學(xué)生分組開展與教學(xué)內(nèi)容匹配的機(jī)械設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生跟蹤學(xué)科和技術(shù)發(fā)展前沿，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力；實(shí)施“線上自主學(xué)習(xí)?掌握基本知識(shí)點(diǎn)，線下交流討論?提升機(jī)械設(shè)計(jì)能力，課后項(xiàng)目實(shí)踐?培養(yǎng)創(chuàng)造性思維”的教學(xué)模式，以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生的綜合分析能力和技術(shù)研發(fā)能力。具體的教學(xué)實(shí)施過程以表2所示的“機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度”這一章節(jié)為例來說明。

疲勞失效是機(jī)械零件常見的失效形式，因此機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度概念、分析計(jì)算和設(shè)計(jì)方法貫穿于“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的全部內(nèi)容。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，首先明確教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)以及教學(xué)內(nèi)容與相關(guān)課程知識(shí)領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)性。（ 1）教學(xué)目標(biāo)分三個(gè)層次：價(jià)值觀目標(biāo)、能力目標(biāo)和知識(shí)目標(biāo)。通過教學(xué)實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造、能力提升和知識(shí)的掌握與應(yīng)用。具體來講，價(jià)值觀目標(biāo)為：機(jī)械零件的強(qiáng)度是保證機(jī)械正常工作的基本條件，影響強(qiáng)度的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，引導(dǎo)學(xué)生用矛盾分析法辯證認(rèn)識(shí)和分析機(jī)械零件的強(qiáng)度問題，通過對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)缺陷引發(fā)安全事故的思考，培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍的工匠精神；能力目標(biāo)為：能考慮各種因素，綜合分析機(jī)械零件實(shí)際工作中的復(fù)雜載荷，建立正確的力學(xué)模型，具有機(jī)械零件強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)的能力；知識(shí)目標(biāo)為：能闡述機(jī)械零件強(qiáng)度的概念，用計(jì)算原理分析零件在實(shí)際工作中強(qiáng)度。（ 2）疲勞強(qiáng)度知識(shí)點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)為機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的計(jì)算；教學(xué)難點(diǎn)為如何繪制機(jī)械零件的等壽命曲線，并基于該曲線計(jì)算機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度。（ 3）本教學(xué)內(nèi)容涉及理論力學(xué)（靜力學(xué)平衡方程、受力分析）、材料力學(xué)（靜態(tài)載荷下的構(gòu)件基本變形的強(qiáng)度計(jì)算、經(jīng)典強(qiáng)度理論）、現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)（優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)）、有限元法（任意復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的離散、加載及力學(xué)性能分析）。通過對(duì)以上與相關(guān)課程知識(shí)領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，使學(xué)生理解涉及機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的前后修學(xué)課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，能夠融會(huì)貫通地應(yīng)用知識(shí)，并了解復(fù)雜工程問題的多解性和解決方法的多樣性。

教學(xué)過程的實(shí)施以疲勞失效引發(fā)的重大災(zāi)難事故導(dǎo)入，并基于學(xué)生微課視頻的課前預(yù)習(xí)，通過提問以及設(shè)問的方式展開，最后以“新能源汽車底盤減震器懸掛的強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)”為主題，引導(dǎo)學(xué)生了解機(jī)械零件在工程實(shí)際中的強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)過程，最后通過實(shí)踐項(xiàng)目的答辯和討論，提升學(xué)生從知識(shí)的“抽象”到機(jī)械裝備“具象”的雙向演繹能力，訓(xùn)練他們的設(shè)計(jì)思維。

實(shí)踐類課程是知識(shí)的載體，和理論課程相比，實(shí)踐課程的項(xiàng)目更強(qiáng)調(diào)知識(shí)的融合、交叉和應(yīng)用。系統(tǒng)的實(shí)踐課程能使學(xué)生可以利用整個(gè)本科教育階段所學(xué)的知識(shí)，在特定的設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)要求下，以團(tuán)隊(duì)為單位，發(fā)揮專業(yè)能力、寫作能力及創(chuàng)新精神，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造及控制等全部任務(wù)[10]。

在實(shí)踐課程中，多學(xué)科項(xiàng)目和技術(shù)/產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目的內(nèi)容，均從工程實(shí)際和科研中凝練而來，以構(gòu)建真實(shí)的知識(shí)應(yīng)用場(chǎng)景。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)踐課的上述任務(wù)，進(jìn)一步完善學(xué)生的知識(shí)架構(gòu)，將知識(shí)通過內(nèi)化轉(zhuǎn)化為能力，我們開設(shè)了機(jī)械工程的頂峰體驗(yàn)課程（capstone experience course） “復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”。頂峰體驗(yàn)是一種極點(diǎn)體驗(yàn)，通過學(xué)習(xí)這種課程，學(xué)生可以綜合、拓展、批判和應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)[11?12]。頂峰體驗(yàn)課程以融合并應(yīng)用知識(shí)、連接社會(huì)、提高學(xué)生綜合素質(zhì)和能力為目的，20世紀(jì)后期在美國開始興起。“復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”的教學(xué)目標(biāo)是，在真實(shí)的知識(shí)應(yīng)用場(chǎng)景下，通過具體的項(xiàng)目導(dǎo)向，學(xué)生整合先前學(xué)習(xí)的機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、控制等專業(yè)課程知識(shí)，并進(jìn)一步融合新知識(shí)與既有知識(shí)基礎(chǔ)，以解決機(jī)械領(lǐng)域復(fù)雜工程問題。

該課程在學(xué)生學(xué)完專業(yè)課程后，畢業(yè)設(shè)計(jì)前開設(shè)，教師在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)“問題解決”，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)成功和快樂。其教學(xué)設(shè)計(jì)的思路是，以工程案例和典型任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以分類學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，學(xué)生在“做中學(xué)”“學(xué)中做”，通過做學(xué)結(jié)合，提升其綜合能力。選擇的工程案例內(nèi)容涵蓋機(jī)械設(shè)計(jì)、制造和控制等方面的專業(yè)核心知識(shí)，難度和工作量介于課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)之間。課程劃分為三個(gè)模塊：機(jī)械設(shè)計(jì)模塊、制造模塊和電氣控制模塊，每個(gè)模塊包含需達(dá)到的分類學(xué)習(xí)成果，如圖2所示。在教學(xué)實(shí)施過程中，學(xué)生需要順次進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)模塊、制造模塊和電氣控制模塊的實(shí)踐。不同于傳統(tǒng)課程教學(xué)中一位教師負(fù)責(zé)一門課程的形式，本課程的每個(gè)模塊分別配備了相應(yīng)專業(yè)方向的課程指導(dǎo)教師，有針對(duì)性地對(duì)項(xiàng)目子任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行指導(dǎo)；三大模塊不同研究方向的課程指導(dǎo)教師共同制定教學(xué)大綱和研討教學(xué)內(nèi)容，以確保各模塊子任務(wù)的無縫銜接。

具體的教學(xué)實(shí)施中，學(xué)生自由組成小組（3～4人/組），從工程案例庫中選擇感興趣的實(shí)踐案例，以組為單位獨(dú)立完成一系列的設(shè)計(jì)任務(wù)。教學(xué)設(shè)計(jì)同樣圍繞三個(gè)層次的教學(xué)目標(biāo)（價(jià)值觀目標(biāo)、能力目標(biāo)和知識(shí)目標(biāo)）展開，以項(xiàng)目導(dǎo)向形式貫穿課程的整個(gè)教學(xué)過程。首先，教師就項(xiàng)目背景、具體任務(wù)、技術(shù)難點(diǎn)等進(jìn)行說明，并演示實(shí)際設(shè)計(jì)對(duì)象的工作過程，構(gòu)建真實(shí)的技術(shù)研發(fā)場(chǎng)景；隨后，學(xué)生就設(shè)計(jì)構(gòu)想、任務(wù)分割等展開討論，明確各自的分工和任務(wù)目標(biāo)；接著，各項(xiàng)目組順次進(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)、制造和電氣控制模塊，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成相應(yīng)模塊的項(xiàng)目任務(wù)，達(dá)成分類教學(xué)目標(biāo)；最后，小組成員進(jìn)行匯報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)演示，指導(dǎo)教師小組和學(xué)生自由提問，通過互相提問，促進(jìn)學(xué)生思考并互相學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生探索問題的不同解決方案；以項(xiàng)目實(shí)際完成質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)答辯表現(xiàn)為依據(jù)，由教師和學(xué)生共同評(píng)分，完成項(xiàng)目驗(yàn)收。

在三大模塊的教學(xué)實(shí)踐中，“學(xué)與做”貫穿整個(gè)過程，學(xué)生線上線下自主學(xué)習(xí)，積極與教師交流討論，通過提出項(xiàng)目建議、完成項(xiàng)目策劃、開展案例研究和進(jìn)行口頭、書面報(bào)告等一系列具有挑戰(zhàn)性的工作任務(wù)，提升知識(shí)融合、應(yīng)用、創(chuàng)新的綜合能力。正如在進(jìn)行回顧總結(jié)時(shí)學(xué)生的感言所述：“這是一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，面對(duì)困難，克服困難的難忘歷程，在整個(gè)設(shè)計(jì)刨床的過程中，我們挑戰(zhàn)了自己，付出了很多，獲得了成長?！?/p>

三、教學(xué)改革成果

在2016?2020年之間，隨著機(jī)械設(shè)計(jì)課程群建設(shè)的完善和教學(xué)改革的實(shí)施，學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力明顯提高，在各類大賽中屢獲佳績。在全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中，獲得一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)；在上海市大學(xué)生機(jī)械工程創(chuàng)新大賽中，獲得一等獎(jiǎng)10項(xiàng)，二等獎(jiǎng)14項(xiàng)；在上海市大學(xué)生創(chuàng)造杯大賽中，獲得二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2項(xiàng)?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)”課程被認(rèn)定為上海市一流課程，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)2019年獲批第一批國家級(jí)一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。此外，本科生參加科研項(xiàng)目課程，參與教師團(tuán)隊(duì)的科研活動(dòng)，提升了其科學(xué)研究的能力，近3年本科生發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇，獲批專利8項(xiàng)，受理專利14項(xiàng)。

四、結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)知識(shí)導(dǎo)向型課程體系易導(dǎo)致“知識(shí)孤島”的問題，從“能力－知識(shí)－課程”三者之間的內(nèi)在聯(lián)系出發(fā)，創(chuàng)新性地構(gòu)建了以提升學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)核心能力為目標(biāo)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程群架構(gòu)，課程設(shè)置從“知識(shí)零散式”向“項(xiàng)目集成式”轉(zhuǎn)變，教學(xué)任務(wù)從“知識(shí)傳授”向“能力培養(yǎng)”轉(zhuǎn)變。以理論課程為支撐，以實(shí)踐課程為載體，基于精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力，實(shí)現(xiàn)了“學(xué)知識(shí)?用知識(shí)?創(chuàng)新知識(shí)”遞進(jìn)式的機(jī)械設(shè)計(jì)能力的提升。

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（編輯：程愛捷）