工程教育背景下培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力研究
——以《機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)》課程為例

疏 達(dá)，賈文友，劉有余，于 華

（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)高度重視，工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于學(xué)生畢業(yè)的要求提出，學(xué)生能夠設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程；能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。[1]因此，如何培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)雜工程問題受到了眾多教育工作者的重視，并就此展開了一系列的教學(xué)研究工作。王慧亮等以鄭州大學(xué)為例，提出了5個(gè)水文與水資源工程專業(yè)的復(fù)雜工程問題，分析了其特征及內(nèi)涵。[2]孫超等從課程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容調(diào)整、學(xué)生參與方法的改善以及考核體系方面，研究了交通工程學(xué)課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程中的復(fù)雜工程問題與該課程之間的相互關(guān)系。[3]王瑩等針對(duì)計(jì)科專業(yè)開設(shè)課程，提出了課程體系的建設(shè)思路與方法，構(gòu)建了四層次課程體系以培養(yǎng)計(jì)科專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。[4]張浩軍強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力應(yīng)該注重學(xué)生工程思維方法訓(xùn)練，并提出工程思維方法的培養(yǎng)需要在理論課程及實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中實(shí)施。[5]蔣善慶等針對(duì)給排水科學(xué)與工程專業(yè)課程體系，構(gòu)建核心學(xué)科知識(shí)課程群，并制定了遞進(jìn)式實(shí)踐課程體系，實(shí)現(xiàn)解決該專業(yè)復(fù)雜工程問題所需知識(shí)的運(yùn)用能力。[6]盡管諸多學(xué)者對(duì)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)提出了很好的建議，但由于學(xué)科差異，每門課程都有獨(dú)特的教學(xué)特征，因此培養(yǎng)學(xué)生過程能力問題的教學(xué)手段也有所不同。

機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門主要專業(yè)主干課程，該課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)能力和機(jī)械工程實(shí)踐能力等方面起到了舉足輕重的作用。[7]本課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握機(jī)械制造裝備現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法，為提高多學(xué)科綜合判斷能力及應(yīng)用打下基礎(chǔ)，為今后的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)及開發(fā)提供更多的實(shí)踐知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。本文基于專業(yè)認(rèn)證背景下，分析教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程能力存在的一些問題，以機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)課程教學(xué)為例，提出一些改革及建議，研究成果可作為專業(yè)認(rèn)證其他相關(guān)專業(yè)課程的參考。

一 復(fù)雜工程能力培養(yǎng)存在的問題

（一）學(xué)生自然科學(xué)及專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科掌握不足

工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)提出學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的前提是掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科的基本原理。由此可知，要能很好地解決復(fù)雜工程問題，首要的是夯實(shí)數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及各專業(yè)學(xué)科的基本知識(shí)。機(jī)械制造裝備的課程大綱明確該課程的先修課程包括：畫法幾何及機(jī)械制圖Ⅰ、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械工程材料、互換性與技術(shù)測(cè)量、機(jī)械制造學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課程及相關(guān)主干課程。然而在教學(xué)過程中，授課教師往往忽視學(xué)生對(duì)這些基礎(chǔ)課程的掌握情況，默認(rèn)學(xué)生們均已經(jīng)較好地掌握了相關(guān)課程。然而實(shí)際情況表明，很多學(xué)生由于前期學(xué)習(xí)松懈，對(duì)很多專業(yè)基礎(chǔ)課程的重要基本知識(shí)點(diǎn)未能很好地消化吸收，或者是隨著時(shí)間的推移而導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)模糊。在這種情況下，對(duì)于新知識(shí)點(diǎn)的講解茫然失措，接收新的教學(xué)內(nèi)容非常吃力。比如機(jī)械制造裝備課程中金屬切削機(jī)床章節(jié)要求對(duì)齒輪齒數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而齒輪設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)械原理課程中均有詳細(xì)的設(shè)計(jì)及工作原理。但是在授課過程中，學(xué)生就如何確定齒輪齒數(shù)的原則總是模糊不清，很少有同學(xué)能準(zhǔn)確地進(jìn)行講述。因此，正確地了解學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課程的掌握程度，督促他們?cè)谛抡n程的授課之前進(jìn)行補(bǔ)缺補(bǔ)差是非常重要的措施。

（二）教學(xué)上存在的問題

傳統(tǒng)的教學(xué)大部分以教師為中心，教學(xué)模式以灌輸式、填鴨式教學(xué)方法為主。從培養(yǎng)學(xué)生的角度來說，這種單向灌輸式教育使得學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中逐漸失去興趣。此外，從工程教育專業(yè)認(rèn)證的角度來說，違背了以學(xué)生為中心，背離了培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)與能力的目標(biāo)。尤其在復(fù)雜工程問題的教學(xué)上，忽視了培養(yǎng)學(xué)生采用專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)對(duì)復(fù)雜工程問題的描述及處理能力，遏制了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最終結(jié)果是對(duì)復(fù)雜工程問題無從下手。

（三）復(fù)雜工程問題訓(xùn)練力度不夠

安徽工程大學(xué)開設(shè)的機(jī)械制造裝備課程的課時(shí)為48學(xué)時(shí)，內(nèi)容涵蓋了機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)方法、金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)、金屬切削刀具與刀具系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。其中金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)包括金屬切削機(jī)床總體設(shè)計(jì)、主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、進(jìn)給傳動(dòng)系設(shè)計(jì)、主軸組件設(shè)計(jì)、支承件設(shè)計(jì)、導(dǎo)軌設(shè)計(jì)、機(jī)床刀架和自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)、機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等諸多內(nèi)容。如此多的教學(xué)內(nèi)容在這么少的課時(shí)內(nèi)如何進(jìn)行講解，并讓學(xué)生進(jìn)行有機(jī)消化及吸收，給教師及學(xué)生都帶來了極大的挑戰(zhàn)。最突出的問題表現(xiàn)為對(duì)復(fù)雜工程問題的訓(xùn)練時(shí)間被大大壓縮，復(fù)雜工程問題的訓(xùn)練強(qiáng)度極大降低。

（四）考核與課程目標(biāo)脫節(jié)

安徽工程大學(xué)開設(shè)機(jī)械制造與裝備課程的主要任務(wù)，是使學(xué)生掌握機(jī)械制造裝備現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法，為提高學(xué)生多學(xué)科綜合判斷能力、應(yīng)用能力打下基礎(chǔ)，為今后的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)提供更多的實(shí)踐知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。為此設(shè)立了兩個(gè)課程目標(biāo)，分別為樹立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握現(xiàn)代機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)的基本理論、基本方法，具備評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的基本知識(shí)；掌握金屬切削機(jī)床的設(shè)計(jì)原理和方法步驟。在課程的考核過程中，傳統(tǒng)的考試方法偏重于知識(shí)點(diǎn)的考核，如題型的設(shè)計(jì)方面包括選擇題、填空題、名詞解釋題以及小型的論述題，再加上一些簡(jiǎn)單的計(jì)算分析題。[5]這種考試方式，更多地要求學(xué)生死記硬背，只要記住知識(shí)點(diǎn)，考試肯定沒問題。這種形式上的考核方式，根本不能測(cè)試出學(xué)生解決復(fù)雜工程的能力。

二 基于復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的課程教學(xué)改革

為解決機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)課程在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程能力上存在的一些問題，基于工程教育專業(yè)認(rèn)證提出的教育理念，對(duì)該課程的教學(xué)改革進(jìn)行了有益的探索，以提升該課程的教學(xué)效果。課程的教學(xué)改革實(shí)施過程如圖1所示。

圖1 課程教學(xué)實(shí)施過程

（一）相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程摸底

在開設(shè)本課程之前，應(yīng)該針對(duì)先行必修課程擬定一套模擬試卷，對(duì)學(xué)生進(jìn)行前期的考核。該試卷內(nèi)容應(yīng)該涵蓋學(xué)習(xí)本課程的重要相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。通過測(cè)試，教師對(duì)學(xué)生掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科的基本原理的程度有所了解，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)缺陷進(jìn)行補(bǔ)缺補(bǔ)差，更好地接納新課程帶來的挑戰(zhàn)。

（二）新教學(xué)模式的探索

避免灌輸式教育的不足之處，引入一些新的教學(xué)手段及方法。第一，是基于成果導(dǎo)向的教育理念(OBE)可以引入到教學(xué)過程中。成果導(dǎo)向教育目前是國(guó)際上較多國(guó)家認(rèn)可的一種先進(jìn)教學(xué)理念，其特點(diǎn)在于重視學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)理解能力的評(píng)定，而不是對(duì)學(xué)生認(rèn)知能力的檢測(cè)。同時(shí)，OBE要求學(xué)生面對(duì)復(fù)雜工程問題時(shí)，能夠進(jìn)行思考、質(zhì)疑、研究、決定和呈現(xiàn)等一系列能力的鍛煉與提高。通過對(duì)復(fù)雜工程問題的實(shí)際訓(xùn)練，還可以極大地提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、分析和綜合信息能力、策劃和組織能力等。安徽工程大學(xué)對(duì)于機(jī)械制造裝備課程，基于OBE教育理念，根據(jù)教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)指南，修訂了該課程的教學(xué)大綱，制定了課程目標(biāo)，確立了課程目標(biāo)與學(xué)習(xí)成果之間的相互關(guān)系，為該課程的順利實(shí)施提供了保障。第二，要改變傳統(tǒng)教學(xué)的先教后學(xué)的教學(xué)模式，重難點(diǎn)教育環(huán)節(jié)引入翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法。翻轉(zhuǎn)課堂能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性，學(xué)生在課堂上帶著問題與教師同學(xué)相互探討，加深了他們對(duì)教學(xué)重難點(diǎn)的把握，更重要的是在思考的過程中培養(yǎng)了他們解決復(fù)雜問題的能力。如在講解主傳動(dòng)系統(tǒng)方案確定中關(guān)于傳動(dòng)布局的課程內(nèi)容時(shí)，要求學(xué)生通過課前自學(xué)，掌握主傳動(dòng)系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì)要求等相關(guān)內(nèi)容，了解主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)布局方式。上課時(shí)給出典型的車床、銑床、刨床、磨床等常見機(jī)床作為案例，然后對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，要求每組學(xué)生課上討論并設(shè)計(jì)出主傳動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)床的工作特點(diǎn)，與教師互動(dòng)分析所設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的依據(jù)。

（三）加強(qiáng)復(fù)雜工程問題能力訓(xùn)練力度

機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)這門課程學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多，導(dǎo)致復(fù)雜工程能力的訓(xùn)練時(shí)間被大大壓縮，所以要采取其他的方法來加強(qiáng)訓(xùn)練。其中，針對(duì)課程章節(jié)設(shè)定大作業(yè)，是比較好的方法之一。安徽工程大學(xué)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)這門課程的刀具設(shè)計(jì)章節(jié)，在課程結(jié)束后可設(shè)置相關(guān)大作業(yè)，以提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。大作業(yè)的設(shè)計(jì)需要盡可能做到一人一題，而且要注重大作業(yè)的評(píng)價(jià)，尤其要從學(xué)生的大作中總結(jié)存在的問題以便于改進(jìn)。通過對(duì)不同章節(jié)復(fù)雜工程問題的不斷設(shè)計(jì)訓(xùn)練，可以提高學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)踐問題的能力、圖紙表達(dá)能力、清晰陳述觀點(diǎn)和回答問題能力。

（四）考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定

課程考核不僅檢測(cè)學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的掌握程度，也能為教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)提供有益的參考。安徽工程大學(xué)機(jī)械裝備與設(shè)計(jì)的考核分為兩大部分，包括平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)，考核依據(jù)與課程目標(biāo)密切對(duì)應(yīng)。期末考試的題型規(guī)定為分析題、計(jì)算題、作圖題及設(shè)計(jì)題等主要考察學(xué)生分析計(jì)算能力的試題，不再采用識(shí)記類試題，如取消了選擇題及名詞解釋等。基于此，機(jī)械裝備與設(shè)計(jì)課程的考核細(xì)則規(guī)定如表1所示。

表1 機(jī)械裝備與設(shè)計(jì)課程考試細(xì)則

三 結(jié)語

本文就專業(yè)認(rèn)證背景下學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，在機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中存在的問題，提出了一些改進(jìn)措施。強(qiáng)調(diào)在課程教學(xué)前，要首先整體把握學(xué)生掌握應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的程度，打好學(xué)習(xí)該課程的前期基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，引入OBE及翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，并通過章節(jié)大作業(yè)加強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的訓(xùn)練。最后提出考試應(yīng)該以測(cè)試能力為主，盡量避免識(shí)記類試題的考核。