新工科時代基于設計過程項目教學法的研究

徐艷敏 葉永權 何新英 張棟華

[摘? ? ? ? ? ?要]? 新工科背景下為了提高工程教育的質量，分析了機械設計基礎課程教學中存在的問題、學生的學習特點以及社會對人才的要求，確立人才培養(yǎng)目標。為了培養(yǎng)學生的工程意識、設計能力和創(chuàng)新素質，調動學生學習的主動性、探究性，改進了教學方法，提出了基于設計過程項目化教學法。將課程內容項目化，經(jīng)過三年的研究與探索，解決了教學過程中如何機械設計基礎課程的理論教學與課程設計實現(xiàn)無縫接軌的問題，提高了教學質量。

[關? ? 鍵? ?詞]? 新工科;機械設計基礎;設計過程;項目教學法

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）19-0080-02

新工科時代為了實現(xiàn)我國從工程教育大國走向工程教育強國的跨越，為了打造工程教育的新質量，進行了機械設計基礎課程教學法的改革與探索。

一、教學過程中存在的問題

機械設計基礎是一門理論性和實踐性較強的專業(yè)基礎課。過去的教學方法都是以教師傳授為主，學生在學習過程中對所學知識停留于理論上，很難聯(lián)系實際，到了機械設計基礎課程設計環(huán)節(jié)學生常常不知從何下手，完成設計任務困難，設計時間拖延，課程設計難出優(yōu)秀的設計作品。當代的大學生已經(jīng)是1996年后出生的，經(jīng)研究表明，當代學生注意力的集中時間一般不超過15分鐘，如果仍然采用傳統(tǒng)以教師為主導長篇累牘“滿堂灌”的授課方式，已經(jīng)不為學生所接受，根據(jù)學生的這些特點，教學方法的改革勢在必行。

如何擺脫這種教學困境，實現(xiàn)理論教學與設計實踐環(huán)節(jié)的無縫接軌呢？在新工科的背景下，如何提升學生的工程意識、設計能力和創(chuàng)新素質呢？

二、解決問題的途徑

新工科時代我們培養(yǎng)的人才是要服務于社會、企業(yè)和地方經(jīng)濟的，根據(jù)對華南地區(qū)船舶、能源和機械制造業(yè)的調研，了解社會對各個工程專業(yè)的需求，了解智能制造與智能化生產(chǎn)設備，讓師生清楚社會與企業(yè)發(fā)展狀況。據(jù)此制定了相關工程等專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，確定了人才培養(yǎng)目標——應用型高級工程師。另外，學校投入大量資金，建立機器人實訓室，可以實現(xiàn)六自由度機器人的運動仿真，完成研磨加工、焊接和碼垛等復雜作業(yè)，以實訓室為基礎，建立智能化的教學和科研平臺。

從機械設計基礎課程的角度，充分利用智能化的教學和科研平臺仿真軟件，從人才培養(yǎng)目標出發(fā)，從注重培養(yǎng)學生的工程意識、設計能力和創(chuàng)新素質的角度，改進教學方法，教學方法不能只是教師教授，更重要的是調動學生學習的主動性、探究性。

三、基于設計過程項目教學法總體設計

為了適應新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)的要求，機械設計基礎作為專業(yè)基礎課，從應用型高級工程師的培養(yǎng)規(guī)格出發(fā)，以工程為導向優(yōu)化課程內容，基于零部件設計過程項目化教學內容，教師起到引導作用，學生先熟悉理論知識，在常用零部件或機構的設計項目實踐過程中去掌握和運用理論知識。邊學習理論知識，邊動手設計，內容學完了，就可以達到設計出相關的零部件或機構的教學目標。在設計時，明確設計方法與思路，鞏固所學理論知識與設計方法。培養(yǎng)學生通用零部件選用、設計和創(chuàng)新的能力，解決工程設計問題。

從實踐性和應用型角度入手，以零部件為載體，按照由簡單到復雜、由部分到系統(tǒng)的原則設計教學方案。將課程內容分成為十一個項目：（1）機構有確定相對運動條件的設計;（2）平面連桿機構設計;（3）凸輪機構設計;（4）螺紋連接件的選用;（5）齒輪的設計;（6）帶傳動設計;（7）鏈傳動設計;（8）軸的設計;（9）軸承的選用;（10）鍵的選用;（11）創(chuàng)新項目設計。這些項目的學習過程與零部件的設計過程相匹配。

通過學習，使學生具有選用通用標準零部件、設計常用機械零部件和機械傳動機構能力，還具有創(chuàng)新設計的能力，為成為卓越型工程師做好職業(yè)能力儲備。

四、基于設計過程項目教學法舉例

項目一 機構有確定相對運動條件的設計

步驟一，知識準備，通過翻轉課堂讓學生先通過網(wǎng)絡學習，自由度及機構有確定運動的條件;課堂舉例分析機構自由度;實訓室示范六自由度機械人的運動

過程。

步驟二，提出問題。如圖1所示為一簡易沖床機構，原動件凸輪2作逆時針勻速轉動，經(jīng)過搖桿3帶動導桿4實現(xiàn)沖頭的上下沖壓動作。圖b為其機構運動簡圖。試分析該機構設計方案有無錯誤。若有，應該如何修改？試繪出正確的機構運動簡圖。

步驟三，解決問題方案。通過學生分組討論，對機構運動簡圖分析得到下列結論，該機構共有4個構件，其中活動構件n=3，低副PL=4，高副Ph=1，所以自由度F=3n-2PL-Ph=3×3-2×4-1=0<1，故這個簡易機床機構設計錯誤，它沒有確定的相對運動。要想使機構設計合理自由度必須是大于等于1的整數(shù)。

根據(jù)機構設計合理性的要求，學生提出了圖2中的3個設計方案，經(jīng)過分析，得到如下結論：圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）中自由度F=3n-2PL-Ph=3×4-2×5-1=1=原動件個數(shù)，滿足F≥1的條件，所以（a）、（b）、（c）的設計方案是合理的。

步驟四，建模與仿真。為了提高學生進一步學習專業(yè)的興趣，形象直觀地表達出機構運動情況，利用建模與仿真技術對上述機構進行仿真，如圖3。

通過項目一的教學設計和學習，使學生從設計過程中掌握機構自由度的計算以及用機構自由度來判別機構設計的合理性，基于設計過程將理論知識牢固掌握并有比較深刻的認識，同時培養(yǎng)了學生多維思考的創(chuàng)新能力。

五、結論

基于設計過程項目化的教學法不同于傳統(tǒng)教學方法，傳統(tǒng)的教學法教師以口授、板書、演示為特征進行傳授，學生以耳聽、手記、練習為特征的刺激強化方式來學習;基于設計過程項目化教學法教師以啟發(fā)、誘導、點撥為特征授課，學生學習方式具有自主、協(xié)作、探究的特征。

從2016年至2018年，基于設計過程的項目教學法在機械設計基礎教學過程中進行推廣和實施，經(jīng)過統(tǒng)計參與項目學習的學生有2個專業(yè)12個班級，學習人數(shù)達到948人，最后落實到實踐環(huán)節(jié)機械設計基礎課程設計，其情況如下表。

通過對比2015年、2016年、2017年和2018年學生做的機械設計基礎課程設計，隨著項目實施的深化，教師經(jīng)驗的累積，發(fā)現(xiàn)學生課程設計的質量有明顯提高，設計完成速度加快了，2018年達到了優(yōu)秀率10%，按時完成率95%的理想目標。這說明基于設計過程的項目教學法提升了學生的設計能力、實踐能力和知識的應用能力。解決了機械設計基礎理論教學與課程設計實現(xiàn)無縫接軌的問題，提高了教學質量。

參考文獻：

[1]李華，胡娜，游振聲.新工科：形態(tài)、內涵與方向[J].高等工程教育研究，2017（4）.

[2]夏建國，趙軍.新工科建設背景下地方高校工程教育改革發(fā)展芻議[J].高等工程教育研究，2017（3）.

[3]張川，王保文.面向新工科培養(yǎng)模式的汽輪機原理課程教學方法的思考[J].教育教學論壇，2018（10）.