新工科背景下機械設計課程與教學改革

蔣英蘭,朱福勝

(1．集美大學輪機工程學院,福建 廈門 361021；2．集美大學理學院,福建 廈門 361021)

信息時代的到來，迎來了又一次的科技與文化產(chǎn)業(yè)的大革命。為了在新的科技產(chǎn)業(yè)革命浪潮中不至于處于被動狀態(tài)，自2017年來，教育部積極探討新工科的內(nèi)涵特征、新工科未來建設與發(fā)展的路徑，先后達成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”，發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索符合我國經(jīng)濟社會發(fā)展的中國式工科教育，助力建設高等教育強國。

隨著“中國制造2025”重大戰(zhàn)略的實施，教育行業(yè)制定了新的工科工作計劃。地方高校在新工科的改革中發(fā)揮著緊密聯(lián)系地方經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)的重要作用，“培養(yǎng)適應和支撐我國未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展、具有國際競爭力的創(chuàng)新型人才已成為高等教育的迫切任務。”[1]機械設計專業(yè)作為一個工科專業(yè)，肩負為我國工程類單位培養(yǎng)高級工程技術人才的重任。在新工科背景下，地方高校應充分考察和分析當?shù)氐奶厣a(chǎn)業(yè)，圍繞區(qū)域經(jīng)濟和地方發(fā)展方向，重點培養(yǎng)相關領域所急需的人才以及對社會未來發(fā)展有作為的專業(yè)型人才。

一 新工科的特征

“新工科”主要是指面向21世紀，以高新科技為標志的新興產(chǎn)業(yè)，主要包括人工智能、智能制造、機器人、云計算、大數(shù)據(jù)等，同時還包含一些傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級版?！靶鹿た啤钡闹饕獌?nèi)涵是：樹立新理念，應對未來社會科技變化；制定新要求，著重培養(yǎng)適應現(xiàn)代化發(fā)展的多元化、創(chuàng)新型工科人才；建設新途徑，將傳統(tǒng)工科專業(yè)與現(xiàn)代新興產(chǎn)業(yè)相融合，繼承與創(chuàng)新同時進行，打造一個與時俱進的創(chuàng)新型工科教育方案。

從“新工科”的內(nèi)涵來看，新時代的“新工科”主要包含以下幾個特征：

1.具有戰(zhàn)略性。再一次爆發(fā)的“科技產(chǎn)業(yè)大革命”對我國來講是一個重大的挑戰(zhàn)，作為培育國家新一代人才的地方高校，改革工科教育對推進我國經(jīng)濟社會發(fā)展具有重大的意義，“新工科”建設將是我國高等工科教育為適應科技進步發(fā)展而做出的重大戰(zhàn)略決策部署。

2.具有創(chuàng)新性?？萍紕?chuàng)新是一個國家工科教育發(fā)展的動力。在工科類教育中的改革不僅僅是對傳統(tǒng)教育的查缺補漏，而是重新構(gòu)建工科教育體系?！皠?chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的目的不是單純地獲得新思維和新方法，而是培養(yǎng)學生運用新思維、新方法將學到的知識付諸于實踐的勇氣和能力?！盵2]

3.具有系統(tǒng)性。“新工科”建設不是一個零散的科技革命的副產(chǎn)物，而是一個具有綜合性的系統(tǒng)工程。它從系統(tǒng)的角度來看待這次科技與產(chǎn)業(yè)的大革命，不僅僅在教育上對工科類教育進行改革，而且是從教育出發(fā)延伸至科技研究、科技創(chuàng)新、社會實踐，創(chuàng)建一個完整的改革方案。

4.具有開放性。 “新工科”建設比以往更加關注對外交流，這是一個更高層次的開放式的工科教育。加大對外教育交流力度，在中國工科教育模式中融入外來文化，能夠更好地掌握國際工科教育的前沿問題，加快“新工科”建設的腳步。

二 傳統(tǒng)機械設計課程的缺陷

(一)教學內(nèi)容的缺陷

對于傳統(tǒng)機械設計課程而言，其所制定的教學目標主要是依據(jù)機械設計課程的原有教學大綱，大部分的專業(yè)課程都是一些固定不變的內(nèi)容，教學內(nèi)容局限于教材上的專業(yè)知識。這些理論知識相對枯燥，難以與現(xiàn)在社會實際相符合。對于相關專業(yè)的學生來說，理論知識僅僅是存在課本教材中一個個碼好的漢字——被理想化的、被簡化的專業(yè)術語。同時，原有的機械設計課程模塊對課程內(nèi)容的邏輯順序和內(nèi)在聯(lián)系缺乏深入描述和梳理，較少考慮設計能力的實踐性和創(chuàng)新性。“盡管現(xiàn)有的課程層面的創(chuàng)造性發(fā)展研究提供了寶貴的基礎和有意義的見解，但它們在幾個方面都是有限的。課程分組可能并不全面……也許是因為所采用的課程開發(fā)方法沒有仔細審查創(chuàng)造力所需的要素。”[3]但是，社會需要的人才不僅應有必要的專業(yè)理論，而且要有豐富經(jīng)驗和動手實踐能力。在歐美，對工程類人才的評價中，都提到了作為一個工程類人員除了要有一定的智慧，對理論知識有著深刻的認識與見解外，更重要的是創(chuàng)造力、洞察力和能夠解決實際問題的能力。

(二)教學方式的缺陷

目前，我國機械設計類課程的主要教學方式仍然是單向的、相對封閉的?！皢蜗虻慕虒W”表現(xiàn)為教師按部就班地將教材上的理論知識通過口頭講述的方式傳達給學生，而這些抽象的甚至晦澀難懂的文字對于學生來說是非常難以理解的。例如，在認識機械零件失效原因——“疲勞破壞”的含義時，假如學生接觸的只是教材中給出的概念：“疲勞破壞是指在遠低于機械零件強度極限甚至是屈服強度的交變應力作用下，材料發(fā)生破壞的現(xiàn)象”，而沒有現(xiàn)實的觀察和體驗，這便無法真正地理解整個的破壞過程和形式?！跋鄬Ψ忾]的教學”表現(xiàn)為教學過程與機械設計的實際生產(chǎn)和加工環(huán)節(jié)相脫節(jié)，與機械設計的新技術、新工藝、新工具相脫節(jié)。

(三)實踐體系的缺陷

機械設計類課程的研究對象是機械，是一種具體存在的、可動的東西，這就要求實踐教學必須是現(xiàn)實的、生動的、互動的。從目前的機械設計課程來看，實踐教學體系是不完善的，不符合現(xiàn)代人才培養(yǎng)要求。當下，地方高校機械設計課程的實踐教學，大多數(shù)是實驗課模式，實驗設計題目由教師指定，比較單一、無新意?！皩W生停留在模式化的計算、繪圖過程，在整個設計環(huán)節(jié)只是重復性的模仿，缺乏主觀能動性的發(fā)揮和創(chuàng)新性思維的鍛煉。”[4]在這種情況下，學生對于這類實踐性教學的態(tài)度就是，隨便畫兩張設計圖、做點簡單的計算，甚至有時候一些教師會把公式標出，學生僅是代入數(shù)據(jù)，根本無法獲得實踐教學應該獲得的東西。

三、機械設計課程的教學改革

在新工科改革的背景下，機械設計專業(yè)的學生不僅要學習機械設計與制造的基礎理論，還要結(jié)合現(xiàn)代高科技領域，學習計算機軟件技術、微電子技術、信息處理技術，更要接受系統(tǒng)的操作訓練，促進專業(yè)學習更加充分、更加深入?！耙怨ぷ鬟^程為基礎的課程教學首先要確立符合專業(yè)能力的教學目標，教學目標的設置要基于對崗位的實踐分析。”[5]

(一)教學內(nèi)容改革

設計能力是機械設計專業(yè)學生的核心素養(yǎng)。設計能力包括基于設計思維過程的五個子能力：概念化階段的創(chuàng)造性思維能力和問題解決能力、繪圖和可視化技能(學生能夠表征上一階段產(chǎn)生的思想)、實驗技能(計劃、集成、分析和解釋的能力)、實施技能(將產(chǎn)品應用到工程實踐中)和質(zhì)量改進技能(在現(xiàn)場應用期間提高產(chǎn)品質(zhì)量的能力)?！靶鹿た啤北尘跋聶C械設計課程內(nèi)容的改革，注重內(nèi)容之間的內(nèi)在聯(lián)系，著眼于促進學生更好地理解那些抽象的、晦澀難懂的專業(yè)理論知識，著眼于促進學生實踐能力和創(chuàng)新能力的提升?！叭绻婚T增強創(chuàng)造力的課程要實用，課程的順序和結(jié)構(gòu)應該為培養(yǎng)創(chuàng)造力提出一個廣泛的計劃?！盵6]機械設計課程的主要內(nèi)容包括機械制圖、材料力學、機械原理、機械設計基礎、機械制造工藝學等。“新工科”背景下機械設計課程對傳統(tǒng)的教學內(nèi)容做了調(diào)整，把聯(lián)系緊密的“工程力學”“機械原理”“機械設計”三門課程進行整合，有機地結(jié)合成為一門課程，課程體系按照學生的理解水平劃分為幾個模塊，層層遞進，并在此基礎上穿插相關的實踐課程。這樣的設置是基于對設計能力的深刻把握，課程設置強調(diào)設計的過程性、技能性、應用性。

(二)教學方式改革

傳統(tǒng)機械設計類課程的教學方式是灌輸式的，“新工科”背景下的機械設計類課程教學方式的改革旨在改變填鴨式的教學，更多采用探究式、互動式、討論式等教學方式。教師在教學過程中可以采用板書、PPT、播放視頻相結(jié)合的方式進行授課，這樣可以改變傳統(tǒng)教學中“教師苦于教學生苦于學”的局面。以帶傳動齒輪傳動蝸輪傳動的講授為例，教師可先讓學生觀看加工過程的視頻，然后讓學生親自動手繪制傳動的三維立體模型，再借助分析軟件進行評價改進。“借助三維參數(shù)化的計算機輔助設計軟件,把枯燥的設計理論轉(zhuǎn)換為直觀形象的設計結(jié)果,學生的學習興趣被極大地激發(fā)出來,設計水平和能力也得到極大鍛煉和提高?！盵7]

教學過程突出學生主體性，強調(diào)以學生為主體來布置課后作業(yè)。比如，可以將一些與生活相關的課題作為課后作業(yè)，鼓勵學生自由組合、合作探索、共同動手，在操作交流過程中體會到學有所用。同時還可以適當采用師生角色互換的方式，讓學生自由分組進行課前預習，然后每組僅針對下一堂課的內(nèi)容進行ppt的制作，在課堂上通過五到八分鐘的講解，將自己小組準備的PPT內(nèi)容向大家展示。

加強學生動手能力，開設有關創(chuàng)造性設計與動手制作課程，提高學生的實際動手能力和綜合能力，促進學生熟練掌握現(xiàn)代先進機械設計與制造技術，熟練使用各種機械加工設備，熟練使用計算機制圖軟件，如：CAD、CAM技術。學校應提供相關設備，讓學生們可以利用學校的設備制作一些機械類產(chǎn)品。“有不少學生自己家族從事機械制造加工業(yè)……有的學生希望自己選擇題目來進行設計”，這樣不僅僅可以提高學生的動手能力，還可以激發(fā)其創(chuàng)造性和學習的積極性[8]。

(三)實踐體系構(gòu)建

1.加強實習工作管理。加強實習指導教師隊伍建設，完善實習指導教師遴選機制，選派責任心強，經(jīng)驗豐富，業(yè)務素質(zhì)好，安全防范意識高并有一定組織協(xié)調(diào)能力的骨干教師，對實習學生進行管理和全程指導?！皩W校與企業(yè)應該發(fā)揮各自不同的優(yōu)勢……學生的思維沒有固定的框框，或許就在實習過程中產(chǎn)生創(chuàng)新的思維?！盵9]另一方面,還要加強實習質(zhì)量監(jiān)控，借助網(wǎng)絡信息手段，開發(fā)實習管理手機操作平臺。學生實習期間按照企業(yè)考核為主，學校為輔的原則，嚴格執(zhí)行校企聯(lián)合考核制度，校企共同做好學生實習的過程監(jiān)控和考核工作，根據(jù)實習準則確定學生實習成績。

2.通過各類競賽強化實踐教學。學?？砷_展形式多樣的比賽促進學生的創(chuàng)造欲望?！霸谠O計總結(jié)與答辯階段，老師會根據(jù)教學經(jīng)驗對學生的設計理念、方法或者設計中容易遇到的問題進行提問?！盵10]比如，臺灣大學機械系就開設有這方面的課程，學生通過制作汽車進行技術比賽，設計能力得到明顯提高。在比賽過程中，學生要思考如何根據(jù)比賽要求對自己的作品進行設計、加工與制造，在這個過程中不僅僅能夠提高自己的動手能力，還可以加強對理論知識的理解。另外，還可以通過課中和課后開展一些小制作比賽，讓學生在比賽的條件下進行機械的設計、加工、制作等。

3.通過參與企業(yè)活動增強實踐能力。雖然高校在實踐教學中力求與實際工業(yè)環(huán)境相符合，引進企業(yè)實際使用的部分設備，但是學校教學與企業(yè)實際相脫節(jié)的現(xiàn)象仍然存在。校企合作促使學生真正走進一線，了解該專業(yè)學科前沿及發(fā)展趨勢，熟悉和掌握企業(yè)最先進的生產(chǎn)設備和制造技術。學校與企業(yè)的深度合作體現(xiàn)在校外實踐教育基地的共建上，學校與企業(yè)共同制定實踐課程的目的和任務，共同確定實習實踐能力的要求及規(guī)格。學生與企業(yè)工程師朝夕相處，在協(xié)助工程師完成相關工作的過程中增長了見識，獲得鍛煉，提升了設計開發(fā)能力。

(四)評價方式改革

目前，機械設計課程的評價方式大部分仍停留在期末考試上，以學生的考試成績作為考察學生對專業(yè)知識的掌握程度。在這種評價考核方式下，大多數(shù)的學生為了考取好的成績會選擇強制性背誦的方式，并且有選擇地記憶教師勾畫的考試重點，而不是理解記憶。這種考核評價方式無法真實地反映學生的實際設計能力，也無法有效監(jiān)督學生的學習過程。在“新工科”背景下，新的機械設計課程評價方式應運而生，評價目標多元、評價方式多樣是大勢所趨。在新的評價框架下，考試成績不再是確定一個學生學習成績好壞的唯一標準。除了筆試以外，口頭演講、團隊合作制造通用機械設備、產(chǎn)品展示、學習日記等也是綜合考察一個學生學習情況的重要方式。評價既要關注結(jié)果，也要關注過程。評價既要關注學生的課堂行為、期末測試，也要考察學生在實驗、實踐以及大作業(yè)項目上的表現(xiàn)。

四 結(jié)束語

在“新工科”背景下，舊的傳統(tǒng)機械設計類課程的教育方式不再適用于現(xiàn)代化機械設計類人才的培養(yǎng)?！靶鹿た啤北尘跋碌臋C械設計課程教學改革要緊緊抓住國民經(jīng)濟發(fā)展的步伐，將相關專業(yè)的學生培養(yǎng)成為機械工程類應用型、創(chuàng)新性人才。教學方式的創(chuàng)新、實踐體系的完善、評價方式的轉(zhuǎn)變是機械設計課程與教學改革的著力點。通過改革，創(chuàng)建理論與實踐相結(jié)合的教學方式，將企業(yè)中比較前沿的研究方向帶入課堂，促使專業(yè)發(fā)展向高科技、高精度、高質(zhì)量、高效率邁進。