桂 亮,金 悅,郭 婷,王永泉,奚延輝
(西安交通大學(xué) 機(jī)械基礎(chǔ)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,西安 710049)
工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的一種工程教育質(zhì)量保證制度,遵循成果導(dǎo)向,以學(xué)生中心、持續(xù)改進(jìn)為理念[1]。我國高校大規(guī)模啟動(dòng)該項(xiàng)工作,旨在面向工程實(shí)踐、依托產(chǎn)教融合協(xié)同育人,培養(yǎng)符合地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工程人才,大力提升工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。2019 年教育部全面啟動(dòng)了一流本科課程建設(shè),提出了“兩性一度”(高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度)的課程標(biāo)準(zhǔn)[2],旨在推進(jìn)課程改革創(chuàng)新,實(shí)施科學(xué)課程評價(jià),完善以質(zhì)量為導(dǎo)向的課程建設(shè)激勵(lì)機(jī)制,形成多類型、多樣化的教學(xué)內(nèi)容與課程體系。
實(shí)踐教學(xué)是本科生整個(gè)教學(xué)體系中的重要環(huán)節(jié)[3-4],尤其對工科專業(yè)而言,重要程度不可言喻,其可以幫助學(xué)生加深對理論知識(shí)的理解與應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段研究解決機(jī)械類專業(yè)復(fù)雜工程問題的能力[5-6]。因此,近些年很多學(xué)校在工程教育認(rèn)證和一流課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下,陸續(xù)開展了實(shí)踐教學(xué)成效的持續(xù)改進(jìn),如清華大學(xué)在流體力學(xué)課程中設(shè)計(jì)了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,增強(qiáng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力的實(shí)踐創(chuàng)新能力[7];上海交通大學(xué)在材料綜合實(shí)驗(yàn)課程中引入創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,建立以學(xué)生小組為執(zhí)行主體的項(xiàng)目運(yùn)行模式[8];華中科技大學(xué)光纖光學(xué)課程改革更新實(shí)驗(yàn)課程,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊跟目前光纖通信前沿與熱點(diǎn)技術(shù),有利于學(xué)生獨(dú)立解決問題能力、自學(xué)能力的培養(yǎng)[9]。
機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是機(jī)械工程、能源與動(dòng)力工程等工科專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一,起著承上(基礎(chǔ)知識(shí))啟下(專業(yè)知識(shí))的作用[10]。西安交通大學(xué)每年有近40 個(gè)班的1 000 余名學(xué)生參與此課程學(xué)習(xí)。本文以該課程為例,依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證和一流課程建設(shè)原則,闡述了近幾年來從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、環(huán)節(jié)的設(shè)置、指導(dǎo)方法和持續(xù)改進(jìn)等方面的教學(xué)改革措施。
機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是將原先機(jī)械原理和機(jī)械零件課程合并組建而成的一門專業(yè)基礎(chǔ)核心課程,課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的創(chuàng)新意識(shí),從而具備識(shí)別、分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。為了幫助學(xué)生掌握常用機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)方法及機(jī)械零件的設(shè)計(jì)原理、方法等,課程設(shè)置了16 學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。在過去的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,總體上能夠達(dá)到幫助學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)的效果,但仍存在以下四方面問題。
(1)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以驗(yàn)證理論知識(shí)、掌握實(shí)驗(yàn)技能為主,綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開設(shè)率低,學(xué)生大都“被動(dòng)參與”。
(2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和環(huán)節(jié)不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,教學(xué)主要為知識(shí)傳授服務(wù),與工程教育專業(yè)認(rèn)證的“以學(xué)生為中心”、產(chǎn)出導(dǎo)向的理念不符。
(3)實(shí)驗(yàn)考核方式單一,主要以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主,學(xué)生可自主發(fā)揮的空間有限,不利于提升學(xué)生的積極性。
(4)不論是教學(xué)內(nèi)容還是教學(xué)模式,多年不變,未能基于學(xué)生的反饋進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。
工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)遵循三個(gè)基本理念:成果導(dǎo)向(Outcomes Based Education,OBE)、以學(xué)生為中心和持續(xù)改進(jìn)[11]。OBE 的核心任務(wù)是教學(xué)設(shè)計(jì),教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程取得學(xué)習(xí)成果。因此,實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施要圍繞學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)成果產(chǎn)出來設(shè)計(jì)[12],按照自上而下的方向設(shè)計(jì)路徑,以培養(yǎng)目標(biāo)為最高導(dǎo)向,經(jīng)由畢業(yè)要求和課程關(guān)聯(lián)矩陣逐層分解、映射得到[13],從而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié);“持續(xù)改進(jìn)”是工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念之一[14-15],是基于學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果評價(jià)的質(zhì)量改進(jìn)和保障機(jī)制。實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)應(yīng)該包含多個(gè)閉環(huán)反饋和改進(jìn)環(huán)節(jié),需要通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的合理設(shè)置,實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的改進(jìn)來引導(dǎo)學(xué)生、啟發(fā)學(xué)生,從而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果,預(yù)期實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。
(1)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的綜合性、研究性和創(chuàng)新性,加大學(xué)生學(xué)習(xí)投入,讓學(xué)生體驗(yàn)“跳一跳才能夠得著”的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn),同時(shí)優(yōu)化考核評價(jià),增強(qiáng)學(xué)生經(jīng)過刻苦學(xué)習(xí)收獲能力的成就感。
(2)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置堅(jiān)持將知識(shí)、能力有機(jī)融合,培養(yǎng)學(xué)生深度分析、解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和高級(jí)思維。
(3)將前沿學(xué)術(shù)研究引入實(shí)驗(yàn)教學(xué),體現(xiàn)前沿性與時(shí)代性,積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式與個(gè)性化學(xué)習(xí)。
(4)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和環(huán)節(jié)的設(shè)置依據(jù)學(xué)生的反饋每年持續(xù)改進(jìn)。
基于OBE 的理念,實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)產(chǎn)出最終要落實(shí)到課程的教學(xué)上,這是一個(gè)自上而下的反向設(shè)計(jì)過程。根據(jù)畢業(yè)要求和課程關(guān)聯(lián)矩陣逐層分解得到課程的教學(xué)目標(biāo),而課程教學(xué)又是通過理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)實(shí)現(xiàn)對學(xué)生能力的培養(yǎng)。按照培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題能力的目標(biāo)定位,實(shí)踐教學(xué)要與理論教學(xué)相結(jié)合,選擇恰當(dāng)?shù)妮d體,使學(xué)生經(jīng)歷復(fù)雜工程(系統(tǒng))的過程和要素,并在構(gòu)建過程中掌握深入的工程原理,體現(xiàn)知識(shí)、技術(shù)和方法的綜合應(yīng)用。因此,課程重新規(guī)劃了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,大幅度刪減了傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),增加了綜合型實(shí)驗(yàn)的比重,構(gòu)建起驗(yàn)證型—綜合型并存的綜合化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系,在每項(xiàng)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中力求建構(gòu)一種面向復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的教學(xué)背景或情境,包括:(1)需運(yùn)用數(shù)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)等科學(xué)和工程原理在一定約束下對特定功能的機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)進(jìn)行分析、描述;(2)內(nèi)容涵蓋設(shè)計(jì)、建模及實(shí)現(xiàn),具有綜合性和一定挑戰(zhàn)度。
改革后的課程教學(xué)計(jì)劃設(shè)置了2 個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)(3選2)、2 個(gè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)(4 選2),見表1。課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系如圖1 所示。3 個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)能力、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)能力及問題解決能力。
圖1 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系
表1 改革前后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對比
教學(xué)過程決定了教學(xué)內(nèi)容實(shí)施的好壞,如何設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來承載相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容,以便更好地引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)到的理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合起來,是教學(xué)效果提升的舉措保證。在改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,提出了“階段目標(biāo)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)理念,以綜合實(shí)驗(yàn)一“面向機(jī)器復(fù)雜功能的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”為例,其教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置如下。
1.環(huán)節(jié)一:查閱機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)文獻(xiàn)并撰寫綜述
以工業(yè)機(jī)器人為對象,針對某一具體方向,查找近年相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品,了解其功能實(shí)現(xiàn)的機(jī)構(gòu)、工作原理、特點(diǎn)和優(yōu)勢。自選主題,撰寫文獻(xiàn)綜述報(bào)告。要求閱讀相關(guān)研究文獻(xiàn)不少于20 篇,其中近五年的文獻(xiàn)不少于10篇,參照綜述論文格式進(jìn)行撰寫,不少于3 000 字。
2.環(huán)節(jié)二:案例模型學(xué)習(xí)與搭建
按照給定模型案例,學(xué)習(xí)創(chuàng)意組合模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法,按照說明書要求搭建案例模型。
3.環(huán)節(jié)三:產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)與建模
各小組根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)、所查資料,以各組案例模型零件為依托,設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)功能需求的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案,利用三維建模軟件對所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品方案進(jìn)行建模,并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
4.環(huán)節(jié)四:方案系統(tǒng)搭建與實(shí)現(xiàn)
以小組為單位,根據(jù)搭建設(shè)計(jì)方案整體模型(零件以案例模型零件為主要依托,也可利用3D 打印機(jī)等自行加工或借助其他零件),使其能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)功能需求。
5.環(huán)節(jié)五:方案展示與評價(jià)
撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、答辯PPT,進(jìn)行方案展示與答辯。
各環(huán)節(jié)時(shí)間節(jié)點(diǎn)如圖2 所示。
圖2 綜合實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)時(shí)間節(jié)點(diǎn)
改革后的課程教學(xué)計(jì)劃中綜合型實(shí)驗(yàn)大幅增加,其特點(diǎn)和組織方式均不同于傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),更注重強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體,3~5 個(gè)學(xué)生一組,根據(jù)設(shè)定的題目由小組探索并尋找解決方案,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)實(shí)踐,給學(xué)生探索、創(chuàng)新的空間。因此,綜合實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)主要采用基于項(xiàng)目制的探索導(dǎo)學(xué)互動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,以學(xué)生為主體的“變教為導(dǎo),以導(dǎo)促學(xué),學(xué)思結(jié)合,導(dǎo)學(xué)互動(dòng)”。
綜合型實(shí)驗(yàn)由若干遞進(jìn)的任務(wù)環(huán)節(jié)構(gòu)成,其考核形式不能像驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)僅僅依靠實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行考核,而應(yīng)該將過程評價(jià)和結(jié)果評價(jià)相結(jié)合,個(gè)人考核和團(tuán)隊(duì)考核相結(jié)合。因此,從課程目標(biāo)出發(fā),針對每個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn),各任務(wù)環(huán)節(jié)均有評價(jià)指標(biāo)。以綜合實(shí)驗(yàn)“面向機(jī)器復(fù)雜功能的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”為例,其考核包括兩部分:小組成績和個(gè)人成績。個(gè)人實(shí)驗(yàn)成績=小組成績×個(gè)人貢獻(xiàn)度。其中小組成績由實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)評分得出,見表2。個(gè)人貢獻(xiàn)度是指該學(xué)生在本實(shí)驗(yàn)中的貢獻(xiàn)程度,由各組學(xué)生自行商定并說明貢獻(xiàn)度分配理由,見表3。
表2 綜合實(shí)驗(yàn)評分量規(guī)表
表3 組員貢獻(xiàn)度
每個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),要求每一名學(xué)生填寫綜合實(shí)驗(yàn)效果調(diào)查問卷。每學(xué)期末,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對調(diào)查問卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖3 所示。根據(jù)學(xué)生的反饋和實(shí)驗(yàn)報(bào)告、答辯等環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行討論,對下一輪實(shí)驗(yàn)從內(nèi)容優(yōu)化、環(huán)節(jié)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)考核及指導(dǎo)方法等方面提出進(jìn)一步的改進(jìn)措施。
圖3 綜合實(shí)驗(yàn)效果調(diào)查結(jié)果
以綜合實(shí)驗(yàn)二“機(jī)器功能驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與評價(jià)”為例,本實(shí)驗(yàn)旨在加深學(xué)生對機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),培養(yǎng)學(xué)生機(jī)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)的能力及三維建模的能力。為了更好地激發(fā)學(xué)生對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的興趣,每年的選題都在不斷優(yōu)化,與各類學(xué)科競賽主題、機(jī)構(gòu)學(xué)前沿研究熱點(diǎn)等內(nèi)容相結(jié)合。如2017 年與第八屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽主題相結(jié)合,要求設(shè)計(jì)一款水果采摘機(jī)構(gòu);2018—2021 年則圍繞仿生機(jī)構(gòu),而每一年的要求均有所不同。
又如綜合實(shí)驗(yàn)三“軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組裝”,整個(gè)實(shí)驗(yàn)跨度7 周時(shí)間,在進(jìn)行環(huán)節(jié)“軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”時(shí),部分內(nèi)容尚未學(xué)習(xí),因此,對部分零件功能、應(yīng)用場合不清楚?;诖嗽诘诙杲虒W(xué)中進(jìn)行了改進(jìn),在軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前增加了一個(gè)環(huán)節(jié)“軸系零件測量與軸系設(shè)計(jì)認(rèn)知學(xué)習(xí)”,要求學(xué)生對軸系模型中相關(guān)零件的功能、應(yīng)用場合進(jìn)行梳理,并通過軸系展板等進(jìn)行軸系結(jié)構(gòu)的認(rèn)知學(xué)習(xí),并根據(jù)各組學(xué)生的掌握情況進(jìn)行指導(dǎo)。環(huán)節(jié)改進(jìn)后,學(xué)生反饋效果很好。
經(jīng)過改革,學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和互動(dòng)性大大提升,從資料查找環(huán)節(jié)、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)到答辯環(huán)節(jié),各組學(xué)生會(huì)積極與指導(dǎo)老師討論,并對實(shí)驗(yàn)提出他們的感受和改進(jìn)建議。實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫認(rèn)真,三維建模、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的能力得到訓(xùn)練,如圖4 所示。改革前后學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績對比如圖5 所示,可以看出改革后學(xué)生成績有很大幅度提升。
圖5 實(shí)踐教學(xué)改革前后實(shí)驗(yàn)成績對比
由于機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課內(nèi)綜合實(shí)驗(yàn)的選題和環(huán)節(jié)設(shè)置均與全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽緊密結(jié)合,學(xué)生對機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的興趣和能力大大加強(qiáng)。圖6 為學(xué)生為快速方便摘柑子而設(shè)計(jì)的“助力柑子采摘器”,其采摘頭采用聯(lián)動(dòng)式對稱十桿機(jī)構(gòu),通過一個(gè)滑塊帶動(dòng)兩個(gè)搖桿運(yùn)動(dòng),通過兩搖桿帶動(dòng)切割刀片完成開合運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)采摘。該作品由于其獨(dú)特的十桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的采摘效率獲得了第八屆全國機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)。自從實(shí)踐教學(xué)改革以來,本校在歷屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中的成績不斷創(chuàng)新高,第七屆獲國賽一等獎(jiǎng)5 項(xiàng),二等獎(jiǎng)5 項(xiàng);第八屆獲一等獎(jiǎng)12 項(xiàng),二等獎(jiǎng)2 項(xiàng);第九屆獲一等獎(jiǎng)10 項(xiàng),二等獎(jiǎng)7 項(xiàng)。連續(xù)三屆國賽獲獎(jiǎng)數(shù)量居全國高校第一。
圖6 助力柑子采摘器
圍繞機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué),西安交通大學(xué)從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置、教學(xué)手段及學(xué)生考核評價(jià)等方面開展了一系列的探索與改進(jìn)。
(1)優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與內(nèi)容,加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的綜合性、研究性與創(chuàng)新性,提出將課內(nèi)綜合實(shí)驗(yàn)和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽主題、前沿學(xué)術(shù)研究相結(jié)合,豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和難度,讓學(xué)生體驗(yàn)了“跳一跳才能夠得著”,增強(qiáng)學(xué)生收獲能力的成就感。
(2)設(shè)置了符合本科生認(rèn)知規(guī)律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)及對應(yīng)的指導(dǎo)方法,有力支撐了學(xué)生解決復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)。
(3)實(shí)施了過程評價(jià)與結(jié)果評價(jià)相結(jié)合、個(gè)人考核與團(tuán)隊(duì)考核相結(jié)合的考核方法,并建立了實(shí)驗(yàn)教學(xué)持續(xù)改進(jìn)流程,不斷提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。
(4)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系列改革極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)了學(xué)生對機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,在連續(xù)三屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中獲獎(jiǎng)數(shù)居全國第一。