基于工程教育專業(yè)認證的專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程教學研究

丁淑輝　魏軍英　孟曉軍

[摘 要]工程教育專業(yè)認證需要建立課程目標對畢業(yè)要求指標點的支撐關系，專業(yè)綜合創(chuàng)新設計作為機設專業(yè)重要的實踐類課程，對多個技術類和非技術類畢業(yè)要求指標點形成支撐。文章分析了課程對各畢業(yè)要求指標點的支撐關系以及任務驅動式教學對課程的適應性，建立了以解決復雜工程問題為驅動的課程任務設置方式，設計了包含學生選題、系統(tǒng)方案設計、過程細節(jié)設計、課程總結與成績評定等四個步驟的教學過程，有利于工程教育專業(yè)認證背景下創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

[關鍵詞]工程教育專業(yè)認證;復雜工程問題;專業(yè)綜合創(chuàng)新設計;任務驅動式教學

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）06-0065-03

一、工程教育專業(yè)認證理念與專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程

工程教育專業(yè)認證的核心理念是，以學生為中心建立一套面向產出的教學活動與學生培養(yǎng)機制，通過教學活動的“評價—反饋—改進”閉環(huán)循環(huán)，在對教學活動進行全方位、全過程評價的基礎上，將評價結果應用于教學改進，使專業(yè)教學活動得到持續(xù)改進 [1-2]。

國家發(fā)展與行業(yè)需求決定了專業(yè)培養(yǎng)目標，工程教育專業(yè)認證的目的就是以其核心理念為支撐，保證培養(yǎng)的學生能夠達到專業(yè)培養(yǎng)目標，為社會輸送合格人才。培養(yǎng)目標的達成是以畢業(yè)要求達成作為支撐的，而課程體系又支撐畢業(yè)要求的達成。可見，課程目標的達成是畢業(yè)要求達成和培養(yǎng)目標達成的基礎。

為了適應社會和行業(yè)發(fā)展的需要，山東科技大學（以下簡稱“我?！保C設專業(yè)在新的課程體系中設立了專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程。該課程屬于數(shù)字化設計課程體系，是在數(shù)字化設計、有限單元法與ANSYS分析、數(shù)控技術等理論課程后開設的綜合性實踐課程，其目的是通過該課程的綜合訓練，培養(yǎng)學生的專業(yè)綜合創(chuàng)新設計能力，使學生具有綜合應用所學專業(yè)課程完成機電一體化產品的創(chuàng)新設計能力。該課程開設在第七學期，總課時為3周。

專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程采用任務驅動式教學模式，在實際執(zhí)行過程中學生可從第五學期開始規(guī)劃該課程，在后期的教學進程中隨著相關理論課程的開設完成該課程所涉及的任務，最終在第七學期提交設計結果，完成課程目標。

二、專業(yè)綜合創(chuàng)新設計對工程教育專業(yè)認證畢業(yè)要求的支撐關系

對畢業(yè)要求指標點的直接評價，是畢業(yè)要求達成情況評價的主要內容。在12個畢業(yè)要求指標點中，前5個為技術類指標點，后7個為非技術類指標點。專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程作為機設專業(yè)重要的實踐類課程，除了能夠完成對“設計/開發(fā)解決方案”“使用現(xiàn)代工具”等技術類指標點的支撐外，還對“個人和團隊”“溝通”以及“終身學習”等非技術類指標構成重要支撐關系。

（一）課程對“設計/開發(fā)解決方案”指標點的支撐

專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程的主要任務是在已修的數(shù)字化設計等理論課程的基礎上，以復雜工程問題作為驅動任務，完成機電一體化產品的創(chuàng)新設計與分析優(yōu)化，以鍛煉學生的綜合創(chuàng)新能力。課程的主要內容，是學生根據(jù)用戶對復雜產品的功能需求，進行產品的系統(tǒng)設計、結構設計、尺寸與公差設計以及制造工藝流程設計等功能設計。

在以上的功能設計中，學生要充分考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等的制約因素，盡量減少產品制造、運行以及報廢過程中對社會的危害，不能損害社會公眾及操作人員的健康，要充分考慮產品安全問題，杜絕發(fā)生產品全生命周期中任意階段的安全事故，遵守國家和地區(qū)的環(huán)保要求，進行安全設計、綠色設計，完成對“設計/開發(fā)解決方案”畢業(yè)設計指標點的支撐。

（二）課程對“使用現(xiàn)代工具”指標點的支撐

復雜工程問題的設計方案在進入物理樣機測試前，需要使用計算機輔助工具對其進行模擬測試，以檢驗設計方案的合理性、優(yōu)化產品結構。專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程要求學生能夠選取恰當?shù)挠嬎銠C輔助設計、輔助分析、輔助制造工具，對前期設計結果進行建模、仿真與分析。要求學生能夠正確選用Creo、UG、CATIA、Solidworks等三維建模軟件建立產品的三維數(shù)字模型，選用ANSYS、ABAQUS、ADAMS等輔助分析軟件對模型進行運動學、力學、熱學、電磁學等方面的模擬分析，正確選用SurfCAM、MasterCAM、UG等軟件進行加工仿真分析。學生通過建模、模擬分析與優(yōu)化，建立產品數(shù)字化模型并優(yōu)化復雜工程問題的解決方案，完成對“使用現(xiàn)代工具”的支撐。

（三）課程對“個人與團隊”指標點的支撐

復雜工程問題一般涉及多個學科、多方面的技術，需要配備多學科背景下的設計團隊來建立其解決方案。專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程以復雜工程問題作為設計任務，需要組建多學科團隊來完成設計任務。這就需要團隊成員間能夠展開合作，進行有效溝通，實現(xiàn)各子任務間的無縫對接;且要求團隊成員具有擔任小組成員、團隊負責人等各類角色的能力，完成對“個人和團隊”指標點的支撐。

（四）課程對“溝通”指標點的支撐關系

在產品設計過程中，業(yè)界同行之間或工程師與社會公眾之間的溝通能力是畢業(yè)要求指標點之一。針對產品設計中的復雜工程問題，學生要能夠以報告、設計文稿、答辯等形式表達自己的觀點，與業(yè)界同行以及社會公眾進行有效的溝通與交流。專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程通過產品的三維數(shù)字化建模、圖紙生成、報告撰寫、答辯等各課程環(huán)節(jié)，訓練學生就復雜工程問題以口頭或書面方式表述設計思路與觀點的能力;同時，課程要求學生能夠針對業(yè)界同行和社會公眾，采用不同的表述方式，以不同深度層次表述設計內容和自己的觀點，完成對“溝通”指標點的支撐。

（五）課程對“終身學習”指標點的支撐

隨著社會的發(fā)展，科技不斷進步，尤其是在數(shù)字化設計領域，新的理論與技術層出不窮，各類CAD/CAE/CAM工具軟件更新頻繁，這就要求畢業(yè)生能夠意識到自身不斷學習的必要性;同時，經過專業(yè)綜合創(chuàng)新設計等課程的訓練，畢業(yè)生要具備自我學習的意識和自主學習的能力，具有理解、歸納總結和提出問題的能力，適應當前學科發(fā)展，從而完成本課程對“終身學習”指標點的支撐。

三、任務驅動的專業(yè)綜合創(chuàng)新設計教學方法

（一）任務驅動式教學

專業(yè)綜合創(chuàng)新設計等實踐類課程要求學生不僅要具有較強的動手能力，還要具有一定的自學與認知能力。傳統(tǒng)的教學方式突出“教”的灌輸作用，是以教師為主導、學生被動接受教師知識傳授的過程。在這種教學模式下，學習僅僅是一個記憶正確知識的過程 [3]?？梢姡灾v授為主的傳統(tǒng)教學模式對畢業(yè)要求中的工程實踐能力的達成支撐不足[4]。

任務驅動式教學是建立在建構主義學習理論之上的一種教學方法[5-6]，其認為學習是學生主動構建內部心理結構的過程[7]，強調學生的主動探索，教師僅是學生學習的設計者、組織者和指導者。任務驅動式教學突出“教”的引導作用，能夠激發(fā)學生自主學習的興趣，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維[8]。教師負責設計課程任務，其中要包含學生需要學習和掌握的新知識;學生進行主動探索，構建新的知識體系并形成各種解決方案，最終通過仿真與優(yōu)化得到最佳設計方案，完成設計任務。

（二）課程任務設置

專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程限修時間長，橫跨專業(yè)課學習的大部分時間，因此可以靈活設置課程任務。采用任務驅動式教學方法，根據(jù)課程目標預先設置設計任務，這有利于充分挖掘學生在專業(yè)學習期間的創(chuàng)新靈感，使其在完成本課程設計任務的同時，也能促進機械制圖、機械原理、機械設計、工程材料與熱處理、幾何量公差、機械制造等其他與設計相關課程的學習。

根據(jù)教學大綱規(guī)定的課程目標對該課程任務進行選題，要基于當前行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，結合工廠生產實踐，選取實踐性強的課題。課題要具有一定的復雜性，屬于涉及多學科、多種知識融合的復雜工程問題，不能是功能性的單一任務。從任務解決方案上說，任務求解方法要具有多樣性，以鍛煉學生的發(fā)散思維，使學生能夠從多方面尋找問題解決方案，且具有方案分析與優(yōu)化能力。例如，在當今智能制造2025、工業(yè)4.0的大背景下，汽車鈑金件的智能化沖壓生產，包括分張、對中、上料、多次沖壓、下料等多道工序，以及沖壓工序間的物料轉運、多工序間時序控制等諸多問題。其智能化連線沖壓系統(tǒng)的設計，涉及機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)等多個專業(yè)門類的知識，是一個典型的復雜工程問題。將其設為專業(yè)綜合創(chuàng)新設計的課程任務，可由3～5人組成的設計小組完成，分為方案設計、結構設計、電氣系統(tǒng)設計、數(shù)控系統(tǒng)設計、控制系統(tǒng)設計等多個模塊，建立系統(tǒng)的三維數(shù)字化模型，最后對各系統(tǒng)進行仿真與優(yōu)化，完成設計任務。

同時，鼓勵學生自主選題。學生可根據(jù)自己的興趣愛好、前期的社會實踐經歷，或是前期科技競賽的積累自主設置課程任務，然后交由任課教師審查。教師根據(jù)課程目標審查學生的自主選題，對其課程任務進行修改、添加或刪除，以滿足課程內容支撐課程目標的要求，從而能夠支撐相應畢業(yè)要求指標點的達成。

（三）課程教學過程與評價

專業(yè)綜合創(chuàng)新設計課程雖然設置在第七學期，但鑒于其課程周期長的特點，一般需要提前開課。根據(jù)前述課程任務設置的原則，任課教師在第五學期開學前根據(jù)學生數(shù)量準備課程任務供學生選取。后續(xù)課程教學過程及課程評價如下所示。

1.學生選題。學生根據(jù)興趣愛好、共同志向等因素自由組合設計小組，采用先到先得的原則領取設計任務，也可由教師分組并指定設計任務。我校因學生數(shù)量較多，課程授課采用導師制教學模式，由多教師分散教學、分別指導。

2.系統(tǒng)方案設計。根據(jù)課程任務及其設計參數(shù)，引導學生進行系統(tǒng)總體設計。因學生尚未進行專業(yè)課程的學習，教師需要引導學生先行熟悉相關專業(yè)課程領域，然后采用頭腦風暴法集思廣益，發(fā)揮小組成員的想象力來收集新思想，形成多種解決方法。經過整理、完善后進行設計方案的討論與答辯，由任課教師參與引導確定最優(yōu)設計方案。例如前面的智能化連線沖壓系統(tǒng)的設計，可將設計組學生分成不同學科門類，分別研究各不同系統(tǒng)所涉及的相關知識，然后組織無約束討論，提出多個解決方案，在任課教師引導下選擇最優(yōu)方案。

3.過程細節(jié)設計。根據(jù)確定的最優(yōu)方案，完成各模塊的設計。設計過程中學生是主導因素，任課教師只起到解答疑惑、管理引導以及監(jiān)督評價等輔助作用。過程細節(jié)設計將涉及機設專業(yè)的多門核心課程，如各運動子系統(tǒng)結構設計涉及機械原理與機械設計課程;機電控制系統(tǒng)設計涉及電工電子技術、PLC、傳感器、機電一體化、數(shù)控技術等多門課程;運動部件的軌跡與干涉分析，速度、加速度與時間分析，結構件的受力變形及破壞分析，懸臂梁的撓度分析，磁力分張器的磁場分析，工件的運動軌跡分析與優(yōu)化等涉及機構仿真與有限元分析的相關課程; 零件材料牌號選取及熱處理狀態(tài)定義等內容涉及材料學與熱處理課程;零件加工表面粗糙度及公差的定義涉及幾何量公差課程;產品三維數(shù)字化建模涉及數(shù)字化設計課程。

4.課程總結與成績評定。第七學期進行課程總結與成績評定，小組負責人組織所有成員撰寫各類文檔、整理圖紙并制作答辯課件。在答辯過程中，由負責人主講、各小組成員介紹自己完成的工作，并回答任課教師及其他同學的提問。任課教師結合前期各項工作過程中各位學生的表現(xiàn)、提交的文檔以及答辯情況，綜合評定每位學生的成績、判定其課程目標的達成情況。鼓勵學生以設計結果參加校內外各類科技競賽、申報國家專利或各類獎勵，并根據(jù)獲獎或申報專利情況提高學生的成績評定等級。

四、結語

傳統(tǒng)教學以掌握既有內容為主，重點培養(yǎng)應用型人才，長期的灌輸式教育不利于學生創(chuàng)新性思維的發(fā)展，而任務驅動式教學突出了在發(fā)現(xiàn)新方法、新思路方面的引導作用，重點啟發(fā)了學生的創(chuàng)新思維，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。在該課程的學習中，教師的作用主要體現(xiàn)在激發(fā)學生學習動機和學習興趣等方面，并承擔學習過程的幫助者和協(xié)作者的角色。

本課程學習過程中，學生通過討論與交流，鍛煉了溝通能力，對畢業(yè)要求指標點“溝通”形成有效支撐;以復雜工程問題作為設計題目，涉及多學科知識，需要多人協(xié)作建立多學科設計團隊，且設計過程中需要有團隊負責人的組織協(xié)調與團隊成員的分工合作，這對畢業(yè)要求指標點“個人與團隊”形成有力支撐;在課程完成過程中，教師只起到幫助和協(xié)作的作用，對新知識點的學習教師并不深入介入，以鍛煉學生自學能力;同時，學生在自學過程中意識到終身學習的重要性，建立終身學習意識，完成對畢業(yè)要求指標點“終身學習”的支撐。以上是針對工程教育專業(yè)認證中“溝通”等三個畢業(yè)要求非技術類指標點的支撐關系，而設計過程本身就是一個形成解決方案的安全設計、綠色設計的過程，同時也是使用現(xiàn)代設計工具進行設計的過程，建立了對“設計/開發(fā)解決方案”和“使用現(xiàn)代工具”畢業(yè)要求技術類指標點的支撐關系。綜上所述，該課程教學方法可以完成本課程教學目標，建立對工程教育認證畢業(yè)要求相應指標點的支撐關系。

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[責任編輯：陳 明]