新工科背景下機(jī)械設(shè)計(jì)課程與教學(xué)改革

蔣英蘭,朱福勝

(1．集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,福建 廈門 361021；2．集美大學(xué)理學(xué)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(shè)與發(fā)展的路徑，先后達(dá)成了“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”，發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索符合我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的中國式工科教育，助力建設(shè)高等教育強(qiáng)國。

隨著“中國制造2025”重大戰(zhàn)略的實(shí)施，教育行業(yè)制定了新的工科工作計(jì)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(jì)和產(chǎn)業(yè)的重要作用，“培養(yǎng)適應(yīng)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(wù)?！盵1]機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)作為一個工科專業(yè)，肩負(fù)為我國工程類單位培養(yǎng)高級工程技術(shù)人才的重任。在新工科背景下，地方高校應(yīng)充分考察和分析當(dāng)?shù)氐奶厣a(chǎn)業(yè)，圍繞區(qū)域經(jīng)濟(jì)和地方發(fā)展方向，重點(diǎn)培養(yǎng)相關(guān)領(lǐng)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(jì)，以高新科技為標(biāo)志的新興產(chǎn)業(yè)，主要包括人工智能、智能制造、機(jī)器人、云計(jì)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(yīng)對未來社會科技變化；制定新要求，著重培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展的多元化、創(chuàng)新型工科人才；建設(shè)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(jìn)行，打造一個與時俱進(jìn)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(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重大的意義，“新工科”建設(shè)將是我國高等工科教育為適應(yīng)科技進(jìn)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(bǔ)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(xué)生運(yùn)用新思維、新方法將學(xué)到的知識付諸于實(shí)踐的勇氣和能力。”[2]

3.具有系統(tǒng)性?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)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(jìn)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(shí)踐，創(chuàng)建一個完整的改革方案。

4.具有開放性。 “新工科”建設(shè)比以往更加關(guān)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(shè)的腳步。

二 傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)課程的缺陷

(一)教學(xué)內(nèi)容的缺陷

對于傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)課程而言，其所制定的教學(xué)目標(biāo)主要是依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課程的原有教學(xué)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(xué)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(shí)際相符合。對于相關(guān)專業(yè)的學(xué)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(shù)語。同時，原有的機(jī)械設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)能力的實(shí)踐性和創(chuàng)新性?！氨M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(chǔ)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?yàn)樗捎玫恼n程開發(fā)方法沒有仔細(xì)審查創(chuàng)造力所需的要素?！盵3]但是，社會需要的人才不僅應(yīng)有必要的專業(yè)理論，而且要有豐富經(jīng)驗(yàn)和動手實(shí)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(rèn)識與見解外，更重要的是創(chuàng)造力、洞察力和能夠解決實(shí)際問題的能力。

(二)教學(xué)方式的缺陷

目前，我國機(jī)械設(shè)計(jì)類課程的主要教學(xué)方式仍然是單向的、相對封閉的?！皢蜗虻慕虒W(xué)”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(dá)給學(xué)生，而這些抽象的甚至晦澀難懂的文字對于學(xué)生來說是非常難以理解的。例如，在認(rèn)識機(jī)械零件失效原因——“疲勞破壞”的含義時，假如學(xué)生接觸的只是教材中給出的概念：“疲勞破壞是指在遠(yuǎn)低于機(jī)械零件強(qiáng)度極限甚至是屈服強(qiáng)度的交變應(yīng)力作用下，材料發(fā)生破壞的現(xiàn)象”，而沒有現(xiàn)實(shí)的觀察和體驗(yàn)，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(xué)”表現(xiàn)為教學(xué)過程與機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)際生產(chǎn)和加工環(huán)節(jié)相脫節(jié)，與機(jī)械設(shè)計(jì)的新技術(shù)、新工藝、新工具相脫節(jié)。

(三)實(shí)踐體系的缺陷

機(jī)械設(shè)計(jì)類課程的研究對象是機(jī)械，是一種具體存在的、可動的東西，這就要求實(shí)踐教學(xué)必須是現(xiàn)實(shí)的、生動的、互動的。從目前的機(jī)械設(shè)計(jì)課程來看，實(shí)踐教學(xué)體系是不完善的，不符合現(xiàn)代人才培養(yǎng)要求。當(dāng)下，地方高校機(jī)械設(shè)計(jì)課程的實(shí)踐教學(xué)，大多數(shù)是實(shí)驗(yàn)課模式，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目由教師指定，比較單一、無新意。“學(xué)生停留在模式化的計(jì)算、繪圖過程，在整個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)只是重復(fù)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?！盵4]在這種情況下，學(xué)生對于這類實(shí)踐性教學(xué)的態(tài)度就是，隨便畫兩張?jiān)O(shè)計(jì)圖、做點(diǎn)簡單的計(jì)算，甚至有時候一些教師會把公式標(biāo)出，學(xué)生僅是代入數(shù)據(jù)，根本無法獲得實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該獲得的東西。

三、機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革

在新工科改革的背景下，機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)理論，還要結(jié)合現(xiàn)代高科技領(lǐng)域，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)，更要接受系統(tǒng)的操作訓(xùn)練，促進(jìn)專業(yè)學(xué)習(xí)更加充分、更加深入?！耙怨ぷ鬟^程為基礎(chǔ)的課程教學(xué)首先要確立符合專業(yè)能力的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置要基于對崗位的實(shí)踐分析?！盵5]

(一)教學(xué)內(nèi)容改革

設(shè)計(jì)能力是機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的核心素養(yǎng)。設(shè)計(jì)能力包括基于設(shè)計(jì)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(xué)生能夠表征上一階段產(chǎn)生的思想)、實(shí)驗(yàn)技能(計(jì)劃、集成、分析和解釋的能力)、實(shí)施技能(將產(chǎn)品應(yīng)用到工程實(shí)踐中)和質(zhì)量改進(jìn)技能(在現(xiàn)場應(yīng)用期間提高產(chǎn)品質(zhì)量的能力)?！靶鹿た啤北尘跋聶C(jī)械設(shè)計(jì)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(jìn)學(xué)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(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的提升?！叭绻婚T增強(qiáng)創(chuàng)造力的課程要實(shí)用，課程的順序和結(jié)構(gòu)應(yīng)該為培養(yǎng)創(chuàng)造力提出一個廣泛的計(jì)劃。”[6]機(jī)械設(shè)計(jì)課程的主要內(nèi)容包括機(jī)械制圖、材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)械制造工藝學(xué)等?！靶鹿た啤北尘跋聶C(jī)械設(shè)計(jì)課程對傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容做了調(diào)整，把聯(lián)系緊密的“工程力學(xué)”“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計(jì)”三門課程進(jìn)行整合，有機(jī)地結(jié)合成為一門課程，課程體系按照學(xué)生的理解水平劃分為幾個模塊，層層遞進(jìn)，并在此基礎(chǔ)上穿插相關(guān)的實(shí)踐課程。這樣的設(shè)置是基于對設(shè)計(jì)能力的深刻把握，課程設(shè)置強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的過程性、技能性、應(yīng)用性。

(二)教學(xué)方式改革

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)方式是灌輸式的，“新工科”背景下的機(jī)械設(shè)計(jì)類課程教學(xué)方式的改革旨在改變填鴨式的教學(xué)，更多采用探究式、互動式、討論式等教學(xué)方式。教師在教學(xué)過程中可以采用板書、PPT、播放視頻相結(jié)合的方式進(jìn)行授課，這樣可以改變傳統(tǒng)教學(xué)中“教師苦于教學(xué)生苦于學(xué)”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(xué)生觀看加工過程的視頻，然后讓學(xué)生親自動手繪制傳動的三維立體模型，再借助分析軟件進(jìn)行評價改進(jìn)?！敖柚S參數(shù)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,把枯燥的設(shè)計(jì)理論轉(zhuǎn)換為直觀形象的設(shè)計(jì)結(jié)果,學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被極大地激發(fā)出來,設(shè)計(jì)水平和能力也得到極大鍛煉和提高?！盵7]

教學(xué)過程突出學(xué)生主體性，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體來布置課后作業(yè)。比如，可以將一些與生活相關(guān)的課題作為課后作業(yè)，鼓勵學(xué)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(xué)有所用。同時還可以適當(dāng)采用師生角色互換的方式，讓學(xué)生自由分組進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，然后每組僅針對下一堂課的內(nèi)容進(jìn)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(zhǔn)備的PPT內(nèi)容向大家展示。

加強(qiáng)學(xué)生動手能力，開設(shè)有關(guān)創(chuàng)造性設(shè)計(jì)與動手制作課程，提高學(xué)生的實(shí)際動手能力和綜合能力，促進(jìn)學(xué)生熟練掌握現(xiàn)代先進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，熟練使用各種機(jī)械加工設(shè)備，熟練使用計(jì)算機(jī)制圖軟件，如：CAD、CAM技術(shù)。學(xué)校應(yīng)提供相關(guān)設(shè)備，讓學(xué)生們可以利用學(xué)校的設(shè)備制作一些機(jī)械類產(chǎn)品?！坝胁簧賹W(xué)生自己家族從事機(jī)械制造加工業(yè)……有的學(xué)生希望自己選擇題目來進(jìn)行設(shè)計(jì)”，這樣不僅僅可以提高學(xué)生的動手能力，還可以激發(fā)其創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)的積極性[8]。

(三)實(shí)踐體系構(gòu)建

1.加強(qiáng)實(shí)習(xí)工作管理。加強(qiáng)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師隊(duì)伍建設(shè)，完善實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師遴選機(jī)制，選派責(zé)任心強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)豐富，業(yè)務(wù)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(shí)習(xí)學(xué)生進(jìn)行管理和全程指導(dǎo)?！皩W(xué)校與企業(yè)應(yīng)該發(fā)揮各自不同的優(yōu)勢……學(xué)生的思維沒有固定的框框，或許就在實(shí)習(xí)過程中產(chǎn)生創(chuàng)新的思維?！盵9]另一方面,還要加強(qiáng)實(shí)習(xí)質(zhì)量監(jiān)控，借助網(wǎng)絡(luò)信息手段，開發(fā)實(shí)習(xí)管理手機(jī)操作平臺。學(xué)生實(shí)習(xí)期間按照企業(yè)考核為主，學(xué)校為輔的原則，嚴(yán)格執(zhí)行校企聯(lián)合考核制度，校企共同做好學(xué)生實(shí)習(xí)的過程監(jiān)控和考核工作，根據(jù)實(shí)習(xí)準(zhǔn)則確定學(xué)生實(shí)習(xí)成績。

2.通過各類競賽強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)。學(xué)?？砷_展形式多樣的比賽促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造欲望?！霸谠O(shè)計(jì)總結(jié)與答辯階段，老師會根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對學(xué)生的設(shè)計(jì)理念、方法或者設(shè)計(jì)中容易遇到的問題進(jìn)行提問?！盵10]比如，臺灣大學(xué)機(jī)械系就開設(shè)有這方面的課程，學(xué)生通過制作汽車進(jìn)行技術(shù)比賽，設(shè)計(jì)能力得到明顯提高。在比賽過程中，學(xué)生要思考如何根據(jù)比賽要求對自己的作品進(jìn)行設(shè)計(jì)、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(qiáng)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(xué)生在比賽的條件下進(jìn)行機(jī)械的設(shè)計(jì)、加工、制作等。

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

(四)評價方式改革

目前，機(jī)械設(shè)計(jì)課程的評價方式大部分仍停留在期末考試上，以學(xué)生的考試成績作為考察學(xué)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(xué)生為了考取好的成績會選擇強(qiáng)制性背誦的方式，并且有選擇地記憶教師勾畫的考試重點(diǎn)，而不是理解記憶。這種考核評價方式無法真實(shí)地反映學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)能力，也無法有效監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。在“新工科”背景下，新的機(jī)械設(shè)計(jì)課程評價方式應(yīng)運(yùn)而生，評價目標(biāo)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(xué)生學(xué)習(xí)成績好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)。除了筆試以外，口頭演講、團(tuán)隊(duì)合作制造通用機(jī)械設(shè)備、產(chǎn)品展示、學(xué)習(xí)日記等也是綜合考察一個學(xué)生學(xué)習(xí)情況的重要方式。評價既要關(guān)注結(jié)果，也要關(guān)注過程。評價既要關(guān)注學(xué)生的課堂行為、期末測試，也要考察學(xué)生在實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐以及大作業(yè)項(xiàng)目上的表現(xiàn)。

四 結(jié)束語

在“新工科”背景下，舊的傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)類課程的教育方式不再適用于現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)類人才的培養(yǎng)?！靶鹿た啤北尘跋碌臋C(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革要緊緊抓住國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐，將相關(guān)專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)成為機(jī)械工程類應(yīng)用型、創(chuàng)新性人才。教學(xué)方式的創(chuàng)新、實(shí)踐體系的完善、評價方式的轉(zhuǎn)變是機(jī)械設(shè)計(jì)課程與教學(xué)改革的著力點(diǎn)。通過改革，創(chuàng)建理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)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(jìn)。