新工科背景下《機械設(shè)計》金課教學(xué)方法探析

章培培 王東生

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244061）

2017年，教育部提出新工科概念，并積極推進新工科建設(shè)，逐漸形成了“復(fù)旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》、《關(guān)于推進新工科研究與實踐項目的通知》[1]，助力高等教育，形成中國特色工程教育模式，培養(yǎng)具有較強創(chuàng)新能力、實踐能力和國際競爭力的高素質(zhì)新工科人才，積極應(yīng)對支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略[2]。2018年，教育部針對當(dāng)前高等教育的現(xiàn)狀，提出高等學(xué)校要淘汰“水課”，著力打造“金課”，提高培養(yǎng)人才的質(zhì)量[3]。這一系列計劃的提出對高校培養(yǎng)新的人才提出了新的、更高的要求[2]。

一、新工科背景下金課的教學(xué)目標(biāo)

目前對金課的研究比較多，由于各學(xué)科課程特點不同，所以教學(xué)過程中所采取的教學(xué)方法也不相同，主要是為了提升教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，教師將一系列教學(xué)方法、教學(xué)理念和教學(xué)活動的改進措施應(yīng)用于教學(xué)過程[4-5]。

金課的教學(xué)效果要求學(xué)生的綜合素質(zhì)必須得到提升，作為工科專業(yè)，培養(yǎng)目標(biāo)同時又要符合新工科的要求，即學(xué)生要具有很強的理論運用到實踐的能力，所以教學(xué)過程中必須要充分考慮理論、實踐和綜合素質(zhì)這三個方面的關(guān)系，如圖1所示[6]。并通過合理的教學(xué)方法和教學(xué)過程，使它們相互促進，以此取得良好的教學(xué)效果，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加主動、高效、系統(tǒng)，學(xué)習(xí)效果輸出更具創(chuàng)新性和實用性。

二、《機械設(shè)計》教學(xué)模式現(xiàn)狀分析

《機械設(shè)計》是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)新工科人才上具有非常重要的地位，國內(nèi)目前對該課程的教學(xué)創(chuàng)新進行了大量的研究與實踐。對課程教學(xué)的研究[7]、對課內(nèi)實驗建設(shè)的研究[8]、對引入項目化教學(xué)的研究[9]等都取得了良好的教學(xué)效果。但新工科以及金課建設(shè)的內(nèi)涵極其豐富，并在不斷的進步中，“多樣化”與“卓越型”是人才培養(yǎng)的兩大基本目標(biāo)，有廣度和深度兩方面的要求[10]。雖然《機械設(shè)計》課程知識體系相對經(jīng)典，教學(xué)方法也較穩(wěn)固，同時也具有一定的深度和廣度，能夠為機械專業(yè)學(xué)生提供良好的知識基礎(chǔ)，學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)基本都能夠?qū)我涣悴考蜋C構(gòu)進行設(shè)計，但遇到實際機械類問題時卻無從下手，對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目以及機械創(chuàng)新類的設(shè)計大賽不能很好的參與其中，也就不能進一步提升個人設(shè)計能力。所以必須對教學(xué)方法進行改進，但想要打破原有的相對穩(wěn)固的教學(xué)方法以及相對經(jīng)典的知識體系，構(gòu)建創(chuàng)新型教學(xué)方法和知識體系并非易事[11]。

在當(dāng)前教學(xué)模式下，教師側(cè)重于理論知識的講授，不能很好的結(jié)合生產(chǎn)實際過程中遇到的機械設(shè)計問題引導(dǎo)學(xué)生，這樣就導(dǎo)致理論和實踐不能及時掛鉤，學(xué)生不能直觀的認(rèn)清理論知識在實踐中的作用及地位，也不能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和獨立思考的習(xí)慣及能力；考核方式也比較單一，平時大作業(yè)和實驗在一起只占百分之三十，大比分的考核成績依舊是根據(jù)閉卷考核得到。這樣的最終結(jié)果就是學(xué)生的綜合應(yīng)用能力不足，解決工程問題的能力差，這是與新工科的目標(biāo)不一致的，也不是金課想要的教學(xué)效果[10]。

三、新工科背景下金課為導(dǎo)向的教學(xué)方法與過程

（一）機械設(shè)計課程教學(xué)體系重建

“新工科”是不同工程學(xué)科以及工程學(xué)科與其他學(xué)科的交叉融合產(chǎn)生的，注重學(xué)科交叉思維，機械設(shè)計注重機械工程問題求解和創(chuàng)新設(shè)計，在“新工科”形勢下，機械專業(yè)也需要與其他學(xué)科融合，以滿足新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)的需求。比如，新工科形勢下，要求學(xué)生對虛擬設(shè)計與制造、云制造、協(xié)同創(chuàng)新、智能制造、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域有深入的學(xué)習(xí)與了解，通過創(chuàng)新實踐活動把機械設(shè)計內(nèi)容與這些新興學(xué)科建立一定的聯(lián)系，幫助學(xué)生更好的解決實際工程問題，讓學(xué)生能夠自主進行機械創(chuàng)新設(shè)計[11]。傳統(tǒng)的機械設(shè)計課程教學(xué)體系要求學(xué)生熟悉機械制圖、機械制造、公差與配合和機械原理等先修課程內(nèi)容，構(gòu)建的新的機械設(shè)計課程教學(xué)體系模型通過加入創(chuàng)新實踐活動與其他新興學(xué)科建立關(guān)系，如圖2所示。

圖2 機械設(shè)計課程教學(xué)體系

（二）理論知識教學(xué)模式

首先要改變教學(xué)模式，根據(jù)當(dāng)前教學(xué)資源及教學(xué)方式的發(fā)展，打造高效、創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的課程才能滿足金課的要求，必須以學(xué)生為中心，可以采用“線上+線下”混合式任務(wù)驅(qū)動的創(chuàng)新課堂教學(xué)模式，結(jié)合學(xué)生及專業(yè)特點進行教學(xué)設(shè)計。授課教師首先要認(rèn)真完善教學(xué)大綱、制定新教學(xué)模式的教學(xué)計劃以及教案，做到知識點的獨立和連貫：知識點的獨立是指每節(jié)課都有獨立的知識點，重難點也要有所側(cè)重；知識點的連貫指學(xué)習(xí)完了這些知識點要能夠把它們與其他知識點結(jié)合起來運用到實際工程問題的解決中，可通過專題整體設(shè)計。所以《機械設(shè)計》的教學(xué)設(shè)計內(nèi)容的核心就是知識點的設(shè)計，使課程精髓體現(xiàn)出來并能吸引同學(xué)們的學(xué)習(xí)關(guān)注度。以《機械設(shè)計》課程中的帶傳動為例，教師在進行教學(xué)內(nèi)容知識點設(shè)計時以電機至減速箱之間的帶傳動或拖拉機上的帶傳動為引導(dǎo)性設(shè)計項目，分析帶傳動的結(jié)構(gòu)特征、帶和帶輪之間的傳力或傳遞運動的方式、帶輪結(jié)構(gòu)等基本知識，針對每一個知識點都實施問題導(dǎo)入、探究、展示、總結(jié)這4個步驟。最終導(dǎo)入思考題，為什么工程實踐中大多使用V帶？各種不同結(jié)構(gòu)的帶分別具有什么優(yōu)缺點？實驗過程中觀察和分析帶傳動的承載能力和傳動效率的影響因素，以驗證前面自己的分析結(jié)果，由此就以項目流程方式幫助學(xué)生建構(gòu)帶傳動知識體系，每個知識點學(xué)生都通過自主參與的方式，由此對知識點的掌握也更牢固[1]。

選擇基于主動學(xué)習(xí)模式的教學(xué)平臺，課前，學(xué)生可根據(jù)授課教師給出的知識點及引導(dǎo)思路在線預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)，并對自學(xué)效果進行在線自測；然后線下教學(xué)，教師根據(jù)線上自測情況分析，有針對性和目的性的進行課堂教學(xué)，以講授原理和方法為主，強調(diào)設(shè)計思想，以工程案例為導(dǎo)向，用啟發(fā)和討論的課堂形式，培養(yǎng)學(xué)生對工程實際問題的敏感性，從而提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。并進行分組式項目考核，根據(jù)本章知識點做一些小的項目，或結(jié)合前面的知識點及其他課程做一些大的項目，這樣既能掌握當(dāng)前的理論知識又能回顧前面的知識，還能融會貫通，提高學(xué)習(xí)效率取得學(xué)習(xí)效果。同時依托應(yīng)用型本科高校課程轉(zhuǎn)型，充分利用虛擬和現(xiàn)實融合的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率[12]。課后，學(xué)生繼續(xù)在線鞏固，學(xué)習(xí)有余力的同學(xué)還可以課后繼續(xù)在線拓展，進行部分難點的學(xué)習(xí)和提升。

（三）實驗教學(xué)的改革

除了采用靈活多樣的教學(xué)方法講授教學(xué)內(nèi)容，進行知識擴展外，同時也要注重學(xué)生的技能訓(xùn)練，不僅能夠?qū)χR點進一步的鞏固，也能提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。除了開設(shè)課內(nèi)實驗外，還可增加一些引導(dǎo)性實驗以及驗證性實驗，給學(xué)生布置一些實驗任務(wù)，以任務(wù)驅(qū)動實驗教學(xué)，讓學(xué)生在學(xué)中做，做中學(xué)。實驗課也可以采用項目教學(xué)法，布置一些設(shè)計類課題，讓同學(xué)們以分組的形式參與進來，可以用三維建模的結(jié)果提交方案，也可以用實物提交方案，根據(jù)同學(xué)自身的特點，側(cè)重點可以不同，既可以傾向于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，也可以側(cè)重于重要機構(gòu)的工程分析，還可以側(cè)重于機電傳動控制[13]。

（四）實踐活動的多樣化

同時利用課余時間開展豐富的創(chuàng)新實踐活動，包括機構(gòu)小創(chuàng)新、科技小制作、機械小發(fā)明等，鼓勵同學(xué)們參加競賽，如全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽、中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目等[11]。比如，以全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的設(shè)計題目作為最終設(shè)計目標(biāo)，從一個機構(gòu)或機械零件的創(chuàng)新為切入點，慢慢引導(dǎo)同學(xué)們參與、思考以及創(chuàng)新，這樣經(jīng)過思維碰撞的課堂教學(xué)，可以提高學(xué)生處理復(fù)雜工程問題的能力，對學(xué)生團隊意識的培養(yǎng)、交流能力的提高都有非常大的幫助，同時還可以激發(fā)學(xué)生的對專業(yè)知識的渴求和自身的潛能。這些實踐活動和大賽還著重學(xué)生對創(chuàng)業(yè)計劃書的撰寫、職業(yè)規(guī)劃和就業(yè)實用技巧方面的訓(xùn)練。同時也能夠加強現(xiàn)代設(shè)計方法、先進制造技術(shù)等的深入融合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達到預(yù)期的教學(xué)效果，使學(xué)生具有相應(yīng)的機械設(shè)計能力，培養(yǎng)的學(xué)生也符合新工科標(biāo)準(zhǔn)的要求，如圖3所示。

圖3 機械設(shè)計能力體系圖

采用任務(wù)驅(qū)動和面向?qū)W習(xí)過程的教學(xué)方法，以問題為導(dǎo)向，以案例啟發(fā)學(xué)生，以小組討論和個人探究參與，不僅可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)，還可以實現(xiàn)由重視學(xué)習(xí)結(jié)果到重視學(xué)習(xí)過程的轉(zhuǎn)變[1]。

四、健全考核方式

課程考核方式也要改進，要同時注重學(xué)生的理論能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，可以采用多元考核方式，細化考核指標(biāo)，課程的總成績由期末考試成績和平時考核成績兩部分組成，并適當(dāng)增加平時考核成績的百分比。平時考核分為3個考評模塊，分別是實驗?zāi)芰δK、創(chuàng)新能力模塊和學(xué)習(xí)態(tài)度模塊，共15個考評指標(biāo)[13]，每個考核指標(biāo)給予不同的權(quán)重。比如課程設(shè)計，根據(jù)學(xué)生實踐過程中的表現(xiàn)和最終成果來跟蹤這個環(huán)節(jié)的成績，包括利用計算說明書、圖紙、作品、答辯等學(xué)習(xí)成果來跟蹤學(xué)生的解決實際問題的能力；同時，對學(xué)生的團隊合作精神、溝通能力等進行跟蹤。這樣的課程考核體系提高了學(xué)生用多學(xué)科知識解決工程問題的能力，提升了學(xué)生的創(chuàng)新意識與溝通能力。

五、結(jié)論

新工科建設(shè)的切入點是高校，要在人才培養(yǎng)方案中有所體現(xiàn)，人才培養(yǎng)模式和機制體制不斷創(chuàng)新，同時采用更有挑戰(zhàn)性、前瞻性和實用性的金課教學(xué)模式，激發(fā)了老師的上課熱情和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，真正肩負(fù)起新工科建設(shè)的責(zé)任與使命。同時以新工科建設(shè)來完善學(xué)科或課程的調(diào)整與更新，大膽嘗試探索課程教學(xué)的新模式。