基于專業(yè)認(rèn)證的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)方法的研究

羅曉蘭，陳建義

[中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249]

“機(jī)械設(shè)計(jì)”是一門培養(yǎng)學(xué)生工程思維與機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課，是工科機(jī)械類系列教學(xué)的主干課程[1]。本課程主要學(xué)習(xí)機(jī)器或機(jī)構(gòu)的基本傳動(dòng)原理和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本理論與方法，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)或機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)能力，以及對(duì)復(fù)雜機(jī)械工程運(yùn)動(dòng)學(xué)問題進(jìn)行分析、求解、論證的能力。是培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)和工程設(shè)計(jì)能力一個(gè)很好的訓(xùn)練平臺(tái)。

但是，隨著當(dāng)今世界工程教育質(zhì)量要求的提高，沿用已久的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)模式存在以下問題：一（1）課程內(nèi)容散雜，學(xué)生學(xué)習(xí)沒有主線，知識(shí)傳授是碎片式的，不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；（2）課程內(nèi)容陳舊，與“新工科教育”或”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展”極不適應(yīng)；（3）以教師授課為中心，學(xué)生被動(dòng)聽課，不能發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。這些都與工程教育專業(yè)認(rèn)證的教育理念相違背。為此，必須積極開展以專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為要求的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)方法的研究，強(qiáng)化以學(xué)生為中心，以學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)為目的的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成與“新工科教育”相適應(yīng)的重工程實(shí)踐、重工程集成創(chuàng)新的工程素養(yǎng)。

一、新形勢(shì)下“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的任務(wù)和挑戰(zhàn)

隨著國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)和“中國(guó)制造2025”等新戰(zhàn)略的實(shí)施，以“互聯(lián)網(wǎng)+”和“智能機(jī)器人”為特征的新技術(shù)新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)等一系列與機(jī)械設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造密切相關(guān)的產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，迫使當(dāng)今的工程技術(shù)人才要具備更高的創(chuàng)新能力和跨界整合能力[2]。為此，作為培養(yǎng)新形勢(shì)下的機(jī)械專業(yè)人才的重要平臺(tái)，必須重新認(rèn)識(shí)高等工程教育的本質(zhì)和內(nèi)在發(fā)展規(guī)律。在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中，引入工程專業(yè)認(rèn)證為標(biāo)準(zhǔn)的“新工科”人才培養(yǎng)模式，以機(jī)械工程在新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例和發(fā)展趨勢(shì)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣和熱情，構(gòu)建“新工科”背景下的課程教學(xué)體系，培養(yǎng)懂原理、會(huì)設(shè)計(jì)、懂材料、能加工的機(jī)械工程人才[3]。發(fā)揮“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程在工程技術(shù)人才培養(yǎng)方面的優(yōu)勢(shì)，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新能力。

二、專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的課堂引入

工程教育專業(yè)認(rèn)證倡導(dǎo)的是“成果導(dǎo)向教育”（簡(jiǎn)稱OBE）的工科教育理念，其教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)目標(biāo)必須以學(xué)生最終獲得的學(xué)習(xí)成果為評(píng)價(jià)依據(jù)[4]。為此，與課程設(shè)計(jì)和教學(xué)目標(biāo)緊密相關(guān)的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的課堂引入方式就顯得尤為重要。

（一）以教學(xué)大綱中的課程教學(xué)目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，精心設(shè)計(jì)每一堂課的教學(xué)進(jìn)度

“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程是機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，與“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“機(jī)械設(shè)計(jì)制造”等多門課程內(nèi)容有關(guān)。為此，在新的章節(jié)開始前，應(yīng)注意以舊引新，尋找新舊知識(shí)的關(guān)聯(lián)和生長(zhǎng)點(diǎn)，使學(xué)生明白學(xué)習(xí)此章節(jié)新知識(shí)的目的和作用，并通過關(guān)聯(lián)已學(xué)知識(shí)，強(qiáng)迫學(xué)生記憶，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，授課應(yīng)以系統(tǒng)傳授知識(shí)為主，將相關(guān)課程內(nèi)容集中授課，突出重點(diǎn)、難點(diǎn)，通過邊講邊問的教學(xué)方式，集中學(xué)生注意力，啟發(fā)思考，師生互動(dòng)，體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。在課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)處，精心關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)理論與難點(diǎn)之間的關(guān)系，小步快進(jìn)，以提問、設(shè)問等師生互動(dòng)方法，當(dāng)堂反饋矯正，力求把問題在課內(nèi)解決，提高課程教學(xué)效率。

（二）清晰授課內(nèi)容的脈絡(luò)，增強(qiáng)課程知識(shí)點(diǎn)的邏輯性

為加強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，解決課程內(nèi)容碎片式傳授的問題，“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程授課必須從明確本門課程各章節(jié)之間的邏輯聯(lián)系和明確每一節(jié)課中各問題之間的邏輯關(guān)系兩方面著手，形成課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的主線條。為此，在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程學(xué)習(xí)中，圍繞機(jī)械設(shè)計(jì)的研究對(duì)象為脈絡(luò)，即：研究機(jī)械、機(jī)械傳動(dòng)及其設(shè)計(jì)中的一些基礎(chǔ)知識(shí)為主線，在講解各章節(jié)中傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論和方法時(shí)，以回答和解決“機(jī)械或機(jī)構(gòu)是否能動(dòng)？如何動(dòng)？如何按照要求確切地動(dòng)”這三個(gè)遞進(jìn)問題為思路，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程中的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)及機(jī)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的基本理論和基本方法，由于脈絡(luò)明確，可以非常容易地吸引學(xué)生上課的注意力，并能夠與教師授課進(jìn)度同步思考，互動(dòng)學(xué)習(xí)，將雜散的課程內(nèi)容形成整體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情以及對(duì)新知識(shí)的記憶和理解。

三、通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建靈活多樣的“機(jī)械設(shè)計(jì)”授課方式

在“新工科”背景下，為培養(yǎng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)需要的，具有工程實(shí)踐能力和工程集成創(chuàng)新能力的新一代綜合型工程人才，必須在滿足單科課程教學(xué)目標(biāo)的前提下，同時(shí)引入大量的工程設(shè)計(jì)、制造、經(jīng)濟(jì)等相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，在學(xué)生頭腦中形成“知識(shí)的爆炸”。但是，迫于課堂教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，傳統(tǒng)的課程授課方式已經(jīng)難以完成這個(gè)艱巨的任務(wù)。為此，必須通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建傳統(tǒng)模式以“雨課堂”“騰訊課堂”等為代表的線上、線下齊頭并進(jìn)的授課方式。

（一）沿用計(jì)算機(jī)屏幕等多媒體顯示與黑板板書相結(jié)合的線下授課方式

板書或多媒體屏幕顯示是幫助教師展示內(nèi)容、概念、重點(diǎn)、脈絡(luò)的重要手段。雖然，這是傳統(tǒng)的也是沿用多年的授課教學(xué)模式，但是，這種教學(xué)模式可以使師生面對(duì)面交流，課堂互動(dòng)，便于教師把握課堂節(jié)奏，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。只是在采用這一傳統(tǒng)授課模式時(shí)，注意板書與多媒體屏幕顯示應(yīng)互為補(bǔ)充，不能過于重復(fù)，而且，對(duì)板書與計(jì)算機(jī)屏幕顯示的要求是：醒目、得當(dāng)、藝術(shù)。

（二）以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建“雨課堂”等線上教學(xué)模式

為形成“新工科”要求的知識(shí)融合，必須突破時(shí)間與空間的限制，構(gòu)建以互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)技術(shù)為基礎(chǔ)的，以“雨課堂”或“騰訊課堂”為手段的線上授課模式。一方面，可以通過線上授課，布置課程預(yù)習(xí)和選修課程復(fù)習(xí)要點(diǎn)，發(fā)布與課程相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)資料學(xué)習(xí)要求和工程案例分析。另一方面，可以通過線上進(jìn)行課程測(cè)驗(yàn)、提交學(xué)習(xí)報(bào)告等，并實(shí)現(xiàn)個(gè)性化對(duì)學(xué)生進(jìn)行答疑、講評(píng)，使師生溝通更加順暢。這種線下的輔助教學(xué)模式，突破了時(shí)間和空間的限制，為課程內(nèi)容與相關(guān)知識(shí)的融合學(xué)習(xí)，為每一位學(xué)生達(dá)到專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下獲得的最終教學(xué)效果提供有力的幫助。

四、注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力

當(dāng)今的高等工科教育正面臨著各種新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)帶來的重大變革，且以“互聯(lián)網(wǎng)+”為特征的智能制造、智能機(jī)器人等技術(shù)蓬勃發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)工程技術(shù)人才有了更高的要求。這也對(duì)培養(yǎng)高層次的機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造高端人才的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程內(nèi)容帶來了極大的挑戰(zhàn)，面對(duì)新時(shí)代和新技術(shù)下的人才要求，拓展“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程中基本理論和基本方法。培養(yǎng)能夠解決復(fù)雜工程問題的技術(shù)人才，就成為了工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求的必然。

（一）緊跟時(shí)代發(fā)展，提高教師自身業(yè)務(wù)素養(yǎng)

面對(duì)日益更新的新知識(shí)和新技術(shù)形勢(shì)，作為課堂教學(xué)的組織者、引導(dǎo)者，教師先進(jìn)知識(shí)的儲(chǔ)備、創(chuàng)新問題的解決思路等，將極大地影響學(xué)生“新工科”背景下的工程素養(yǎng)及復(fù)雜工程的跨界整合能力培養(yǎng)。為此，教師必須努力更新自身知識(shí)儲(chǔ)備，通過自身學(xué)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、課程教學(xué)研討和科研等方式，及時(shí)注意到機(jī)械學(xué)科的新發(fā)展、新動(dòng)向，緊跟先進(jìn)技術(shù)的前進(jìn)步伐，以期在教學(xué)中，具備培養(yǎng)適應(yīng)新形勢(shì)下的工程技術(shù)人才的能力。

（二）培養(yǎng)工程意識(shí)，提高解決工程問題的能力

“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)重點(diǎn)之一就是培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。為此，課堂中必須采取多種措施，實(shí)現(xiàn)工程意識(shí)的培養(yǎng)。首先，可將課程內(nèi)容與工程問題解決思路緊密結(jié)合，以期獲得工程復(fù)雜問題的解決思路。例如，在講解“斜齒輪”和“錐齒輪”設(shè)計(jì)時(shí)，提出“當(dāng)量齒輪的概念”，然后講解如何利用“當(dāng)量齒輪”，將斜齒輪和錐齒輪轉(zhuǎn)化成直齒圓柱齒輪，再運(yùn)用直齒圓柱齒輪相關(guān)設(shè)計(jì)方法和公式，完成斜齒輪或錐齒輪的設(shè)計(jì)方法。這種基礎(chǔ)理論與工程問題的結(jié)合，使學(xué)生獲得了解決復(fù)雜工程問題能力的訓(xùn)練。其次，可通過拓展課程中的基本理論和基本方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。例如，在講解連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性拓展引入在活塞壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，解決活塞壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)裝置中曲柄合理轉(zhuǎn)向確定；拓展引入最大傳動(dòng)角的確定方法，解決活塞壓縮機(jī)獲得最大傳力性能的條件下，運(yùn)動(dòng)裝置關(guān)鍵部件的尺寸設(shè)計(jì)方法。最后，可引入動(dòng)畫和視頻，形象、直觀地展示機(jī)構(gòu)特性與工程應(yīng)用之間的關(guān)系。例如，引入飛機(jī)起落架的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，展示連桿機(jī)構(gòu)“死點(diǎn)”的工程運(yùn)用；引入標(biāo)準(zhǔn)直齒輪的加工視頻，加深齒輪“范成法”的加工原理等。多種措施的采用，加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，使學(xué)生更易于掌握“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容。而且通過將課程基礎(chǔ)知識(shí)與復(fù)雜工程問題解決思路的結(jié)合和拓展，可開拓學(xué)生工程視野、培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，達(dá)到提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

（三）將教學(xué)與科研結(jié)合，追蹤新知識(shí)和新能力的培養(yǎng)

科研項(xiàng)目的研發(fā)，代表著當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)和運(yùn)用?？v向科研項(xiàng)目體現(xiàn)了國(guó)家亟待解決的技術(shù)和理論難題，代表著此領(lǐng)域的最新理論、最新技術(shù)和最新邊界條件的攻關(guān)；橫向科研反映了生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)、制造技術(shù)、操作工藝方面急需解決的難點(diǎn)和重點(diǎn)。為此，通過在教學(xué)中結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，展示橫、縱向科研成果的工程案例講解。一方面，通過這種學(xué)以致用的成就感，激發(fā)學(xué)生對(duì)新技術(shù)、新工藝的求知好奇心；另一方面，也可以以舊引新，促進(jìn)新知識(shí)和新能力的學(xué)習(xí)，為培養(yǎng)“新工科”要求懂原理、會(huì)設(shè)計(jì)、懂材料、能加工的機(jī)械工程人才奠定基礎(chǔ)。例如，在講解錐齒輪機(jī)構(gòu)時(shí)，引入“十二五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——“深海水下管匯連接器的工程樣機(jī)研制”中，連接器二次鎖緊裝置中錐齒輪的應(yīng)用實(shí)例，再現(xiàn)當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)碰到的困難，以及后續(xù)解決問題的思路來源等過程，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生追蹤新知識(shí)和新能力起到了促進(jìn)作用。

（四）以機(jī)構(gòu)的組合思路，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

習(xí)近平總書記在歐美同學(xué)會(huì)成立100周年慶祝大會(huì)上的講話指出：“創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是一個(gè)國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力，也是中華民族最深沉的民族稟賦。在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，唯創(chuàng)新者進(jìn)，唯創(chuàng)新者強(qiáng)，唯創(chuàng)新者勝?！盵5]作為為國(guó)家培養(yǎng)高等專業(yè)技術(shù)人才的高等教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，是我們高等教育的使命和應(yīng)盡的責(zé)任。工程中的實(shí)用機(jī)械裝備，都是由若干個(gè)基本機(jī)構(gòu)通過各種連接方法組合而成的一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。而且，智能制造、智能機(jī)器人新業(yè)態(tài)下的機(jī)械裝備正朝著大型化、高參數(shù)、集約型、高效能的方向發(fā)展[6]。正是利用機(jī)械裝備的這些特點(diǎn)，以“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)平臺(tái)，闡述一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，即可以通過機(jī)構(gòu)的組合，輔以控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)程序算法等，從而獲得設(shè)計(jì)先進(jìn)機(jī)器的創(chuàng)新思路。例如，在講解“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程中的“輪系”章節(jié)時(shí)，就重點(diǎn)說明輪系是由一系列齒輪組成的系統(tǒng)，根據(jù)齒輪組合方式不同，形成了可用于汽車換速、換向、拐彎等用途的運(yùn)動(dòng)裝置。這就是一個(gè)典型的機(jī)構(gòu)組合的創(chuàng)新實(shí)例，當(dāng)然，還可以引出以不同學(xué)科組合而形成的創(chuàng)新實(shí)例。例如，“智能機(jī)器人”的設(shè)計(jì)就是以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、先進(jìn)控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)編程的組合。通過這些“組合”的工程案例教學(xué)，一方面說明創(chuàng)新不是不可碰及的行為，是學(xué)生通過各門基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)后可以實(shí)現(xiàn)的愿景；另一方面，也教授給學(xué)生一個(gè)可以通過“組合”而形成創(chuàng)新的工程思路。

五、結(jié)束語

新形勢(shì)下的高等工科教育正在往“新工科”方向發(fā)展，如何在工科的專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課中，以工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求，培養(yǎng)新形勢(shì)下的高級(jí)工程技術(shù)人才，是目前高等教育面臨的問題。為此，通過“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的這個(gè)教學(xué)平臺(tái)，以新形勢(shì)下工程人才的要求，提升教師工程素養(yǎng)。利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建靈活多變的授課方式。以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力為目的，探索出一套與“新工科”教育相適應(yīng)的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)方法具有重要且深遠(yuǎn)的意義。