曹憲周 王明旭 晏麗

摘? 要：針對傳統(tǒng)機械設(shè)計教學(xué)方法和內(nèi)容不適應(yīng)高校“新工科”建設(shè)要求，通過學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新教育相融合、教師教學(xué)與科研相融合的教學(xué)實踐活動，達到了機械設(shè)計的分析、綜合和評價的高階教學(xué)目標。

關(guān)鍵詞：專創(chuàng)教科融合;機械設(shè)計;工程能力;創(chuàng)新能力;教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）07-0096-03

Abstract： The higher-level teaching objectives of analysis， synthesis and evaluation of mechanical design have been achieved，in view of the fact that the traditional teaching methods and contents of mechanical design do not meet the requirements of the construction of "new subjects" in colleges and universities， by the integration of students' professional learning and innovative education and the integration of teachers' teaching and scientific research.

Keywords： combination of professional education and innovative education， combination of teaching and scientific research; mechanical design; engineering capability; innovative ability; teaching reform

引言

《中國制造2025》中指出：新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革使全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出新的發(fā)展態(tài)勢和特征，是信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合。轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、創(chuàng)新發(fā)展模式的國家戰(zhàn)略、“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，不僅強調(diào)了人才的重要性，而且對人才培養(yǎng)也提出了明確要求。對糧食行業(yè)來說，（國家）“糧食物流業(yè)十三五發(fā)展規(guī)劃”和“互聯(lián)網(wǎng)+”智能制造，需要面向未來培養(yǎng)大量掌握糧食行業(yè)機械設(shè)計能力應(yīng)用和現(xiàn)代信息管理技術(shù)、具有較寬的國際視野、具有較強的創(chuàng)新能力和競爭能力、能夠?qū)Χ鄬W(xué)科工程問題開展研究和生產(chǎn)、能夠適應(yīng)時代發(fā)展的過程裝備與控制工程專業(yè)的技術(shù)人才。而目前全國大部分高校，普遍存在畢業(yè)生工程實踐能力不強、創(chuàng)新能力弱、理論和實踐脫節(jié)等問題，人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量難以適應(yīng)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級的要求。尤其是學(xué)生在學(xué)習(xí)《機械設(shè)計》時，傳統(tǒng)教學(xué)模式下的課程存在著教學(xué)方法、內(nèi)容不能完全適應(yīng)素質(zhì)教育的要求，再加上學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新教育、教師教學(xué)和科研相脫節(jié)，大部分學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力并未得到有效的鍛煉，教學(xué)效果難以達到教學(xué)大綱的要求。因此必須打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的束縛，使學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)、創(chuàng)新教育相融合，教師的教學(xué)內(nèi)容和科研活動相融合，以學(xué)生為中心，圍繞學(xué)生工程能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在《機械設(shè)計》課程教學(xué)的各個方面進行創(chuàng)新性研究和實踐，對培養(yǎng)高素質(zhì)人才，具有十分重要的意義[1-3]。

一、傳統(tǒng)機械設(shè)計課程教學(xué)模式存在問題分析

《機械設(shè)計》是機械類專業(yè)重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程是繼工程圖學(xué)、機械原理、公差與配合、機械制造工程基礎(chǔ)等課程學(xué)習(xí)之后進行的一門實踐性課程，是學(xué)生在大學(xué)學(xué)習(xí)中綜合運用所學(xué)知識，對實際工程題目和創(chuàng)新題目進行全面分析與設(shè)計，理論與實踐結(jié)合的一次綜合訓(xùn)練，對學(xué)生應(yīng)用知識能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)十分重要。然而，如前所述：由于現(xiàn)有教學(xué)方法、內(nèi)容不能完全適應(yīng)素質(zhì)教育的要求，學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力并未得到有效的鍛煉。在進行專業(yè)課程設(shè)計及專業(yè)畢業(yè)設(shè)計時，所出現(xiàn)的共性問題反映在：（工程）設(shè)備方案非技術(shù)（經(jīng)濟、人文、法律、環(huán)保等）指標綜述性分析匱乏、設(shè)備技術(shù)特點及機構(gòu)特點歸納描述不清晰、機械基本功不扎實（理論計算、圖形表達、零部件綜合設(shè)計）等問題比較突出。究其原因就在于現(xiàn)有的機械設(shè)計課程體系，各章節(jié)孤立地介紹各種機械零部件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，缺乏工程應(yīng)用實例和背景介紹，專業(yè)理論教學(xué)與創(chuàng)新實踐教學(xué)脫節(jié)，各章節(jié)理論課程間銜接性差，不利于學(xué)生知識體系的形成，并且由于教材內(nèi)容在學(xué)術(shù)、技術(shù)上的滯后性，導(dǎo)致學(xué)生不知所學(xué)知識如何應(yīng)用，對于經(jīng)典理論知識應(yīng)用比較好，而對于具體工程問題卻不知道用什么理論知識、從哪里入手、考慮哪些因素、用什么方法解決。對于工程中的問題，學(xué)生只能按照教師提供的計算公式，按約定俗成的計算步驟來完成，沒有足夠的熱情和動力進行問題的思考和分析，實質(zhì)上在這種培養(yǎng)模式下，幾乎談不到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、機械設(shè)計課程高階教學(xué)目標

美國著名心理學(xué)家、教育家布魯姆和其他研究者于20世紀50年代提出了著名的教育目標分類法，該分類法將教育目標分為三大領(lǐng)域：認知領(lǐng)域、情感領(lǐng)域和動作技能領(lǐng)域。其中認知領(lǐng)域的目標分為識記、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評價六個層次。前三個屬于低階層次的認知，后三個屬于高階層次的認知。傳統(tǒng)課堂教學(xué)強調(diào)知識的記憶和理解以及運用知識解決較為簡單的問題，注重發(fā)展低層次的認知。由于學(xué)生的高層次認知能力沒有得到發(fā)展，學(xué)生看不到所學(xué)的知識有什么價值或意義，通常為了應(yīng)付考試，他們要學(xué)習(xí)、掌握、記憶更多內(nèi)容，考完試后一段時間便忘得所剩無幾，所學(xué)的知識在他們身上得不到很好的保留。因此，教學(xué)活動的設(shè)計不能停留在低階的對知識的記憶、理解和簡單應(yīng)用，而是應(yīng)該將重點放在解決復(fù)雜問題或完成復(fù)雜任務(wù)。

因而，為順應(yīng)機械類工程教育專業(yè)認證要求，在進行機械設(shè)計教學(xué)時，應(yīng)依據(jù)布魯姆六層次認知目標分類體系及迪芬克教學(xué)目標定義分類法，設(shè)計機械設(shè)計課程的高階教學(xué)目標，即在知識掌握的基礎(chǔ)上，強調(diào)應(yīng)用、綜合、情感和學(xué)習(xí)能力等高階目標的達成，突出能力培養(yǎng)為核心。其中基礎(chǔ)知識是學(xué)生需要認識的必備知識，是其他教學(xué)目標達成的基石，教學(xué)時要發(fā)展學(xué)生理解并記憶具體信息和觀點的能力，并建立起課程知識體系，綜合性的將不同事物、不同思想觀點或不同學(xué)科領(lǐng)域等之間建立聯(lián)系，并能夠理解其中的相互關(guān)系，并且在整個學(xué)習(xí)過程中，強調(diào)情感對自然客觀認識、與人溝通和交往、專業(yè)知識和學(xué)科知識積累的重要性。將專業(yè)知識學(xué)習(xí)和學(xué)生創(chuàng)新實踐相聯(lián)系，將教師科研活動和教學(xué)內(nèi)容相融合，最終達到學(xué)生在應(yīng)用基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)上，使學(xué)生批判性、創(chuàng)造性地進行各種思維活動學(xué)習(xí)，進而具備解決復(fù)雜工程問題的實踐能力[4-5]。

三、專創(chuàng)教科融合機械設(shè)計教學(xué)實踐

機械產(chǎn)品設(shè)計，是通過分析、綜合與創(chuàng)新而開發(fā)出能滿足某些特定要求和功能的機械系統(tǒng)的過程。這個過程的難點在于教育目標的高層次體現(xiàn)。

（一）以工程設(shè)計為案例，實現(xiàn)教學(xué)高層次目標達成

《機械設(shè)計》課程教授的是機械通用零部件的設(shè)計、計算的具體知識及初步的設(shè)計過程，難點在于課程實踐性強、應(yīng)用的知識點多，學(xué)生在有限的時間內(nèi)難以做到全面的識記、理解、應(yīng)用，更不要說高層次的分析、綜合和評價教學(xué)目標。因而，《機械設(shè)計》課程教學(xué)應(yīng)以工程（產(chǎn)品）設(shè)計為案例，聚焦于工程（產(chǎn)品）設(shè)計的設(shè)計與制造，并以產(chǎn)品為載體，創(chuàng)設(shè)問題情境，從工程（產(chǎn)品）設(shè)計所用知識的縱向和橫向進行關(guān)聯(lián)歸納，按照工程（產(chǎn)品）設(shè)計制造的過程教授所要應(yīng)用的學(xué)習(xí)內(nèi)容，實現(xiàn)理論和實踐的有機融合，體現(xiàn)工程（產(chǎn)品）設(shè)計藝術(shù)創(chuàng)造過程，體現(xiàn)教學(xué)活動的過程思維性、邏輯性、藝術(shù)性，有步驟、有層次地推進教學(xué)，從而構(gòu)建起此課程完整的教學(xué)體系及知識體系，使學(xué)生在理解及知道知識該如何應(yīng)用的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)對工程（產(chǎn)品）設(shè)計進行分析、綜合和評價的高層次教學(xué)目標。

（二）以工程設(shè)計為案例，融合專業(yè)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐

現(xiàn)代機械設(shè)計具有很明顯的特點，即它的理論性、創(chuàng)造性、廣義性、優(yōu)選性等。傳統(tǒng)的機械設(shè)計教學(xué)模式多教授學(xué)生常用仿照、類比的設(shè)計方法。其實，人類文明的源泉在于創(chuàng)造，而設(shè)計的本質(zhì)就是創(chuàng)造性的思維與活動過程。教師應(yīng)在專業(yè)教授過程中融合創(chuàng)新性教學(xué)方法來體現(xiàn)機械設(shè)計的真正本質(zhì)。

圖1是糧食行業(yè)所用糧食比重去石機。它的作用是去除糧食中粒度和糧食相近的石頭（稱為并肩石），其工作原理是去石機去石篩面在往復(fù)運動狀態(tài)下，利用并肩石和糧食的比重不同而去除混雜在糧食中的石頭。

《機械設(shè)計》課程講授零件疲勞強度時，首先講述該專業(yè)設(shè)備工作原理，然后啟發(fā)學(xué)生利用系統(tǒng)搜尋法找出篩面實現(xiàn)物料運動狀態(tài)的各種可能性機構(gòu)，很快便得知滿足這一設(shè)計要求的機構(gòu)有曲柄機構(gòu)、滑塊機構(gòu)、導(dǎo)桿機構(gòu)、正弦機構(gòu)、正切機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等，此時引導(dǎo)學(xué)生分析不同機構(gòu)的各自運動規(guī)律，比較不同機構(gòu)對所設(shè)計設(shè)備的物料運動影響狀況，從中確定最佳傳動機構(gòu)，然后再利用課程中所講授的連接、軸系等基本知識確定整機組成，并結(jié)合課程中零部件的剛度、強度、可靠性等知識點，分析設(shè)備零件工作狀況，進行機構(gòu)主要零部件的壽命變化規(guī)律分析計算。

在這個將專業(yè)與創(chuàng)新相融合的教學(xué)過程中，以專業(yè)工程裝備設(shè)計為案例，以掌握、應(yīng)用通用零部件設(shè)計計算及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為主線，從整體和系統(tǒng)的角度，將課程知識體系整合為機械設(shè)計總論、連接、機械傳動、軸系零部件四大模塊，體現(xiàn)學(xué)生設(shè)計和實踐能力培養(yǎng)的循序漸進性;并且，在這個具備過程思維性、邏輯性、藝術(shù)性的學(xué)習(xí)過程中，不僅使學(xué)生理解及知道知識該如何被應(yīng)用，也使學(xué)生明白如何對裝備設(shè)計進行分析、綜合和評價。

（三）以工程設(shè)計為案例，融合教學(xué)過程和科研活動

圖2是本學(xué)科團隊用來進行糧食粉碎研究所用的稻谷脫殼壟谷機，它的作用是去除稻谷外殼，工作原理是利用圖3所示具有相向轉(zhuǎn)動、且有速度差橡膠輥的擠壓、搓撕作用而脫殼。

以此為例進行機械設(shè)計教學(xué)時，從圖3、圖4進行問題的創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生進行軸系零部件的零件結(jié)構(gòu)、固定、裝拆、軸系支撐、軸系固定、密封、機架體的設(shè)計，并提出問題讓學(xué)生思考、討論如何設(shè)計才能使軸系零部件受力、結(jié)構(gòu)、裝拆更合理;如何設(shè)計才能噪音更低、潤滑油不泄漏，不對環(huán)境造成污染，如何設(shè)計才能在經(jīng)濟成本最低情況下達到設(shè)備工作要求;如何設(shè)計才能更人性化，便于設(shè)備的操作、維修。通過將教學(xué)過程與創(chuàng)新設(shè)計、科研活動的融合，極大增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，紛紛表示更加明確了學(xué)習(xí)目標，達到了學(xué)習(xí)效果。

機械設(shè)計高層次教學(xué)目標是要讓學(xué)生能夠?qū)こ萄b備設(shè)計進行分析、綜合及評價。要達到這些目標，就要求學(xué)生在完全掌握相關(guān)課程基本知識點前提下，構(gòu)成知識模塊，如：將產(chǎn)品設(shè)計表達等相關(guān)知識點，構(gòu)成工程圖學(xué)知識模塊;將方案設(shè)計、設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計等知識點，構(gòu)成機械設(shè)計知識模塊;將加工工藝、零件制造、產(chǎn)品裝配等知識點，構(gòu)成機械制造知識模塊;將結(jié)構(gòu)表達創(chuàng)新、方案創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和制造創(chuàng)新等知識點，構(gòu)成機械創(chuàng)新知識模塊[6]。如此一來，以工程裝備設(shè)計為主線，不僅使學(xué)生系統(tǒng)的歸納了所學(xué)知識在裝備設(shè)計中的應(yīng)用，也可使學(xué)生構(gòu)成完整的知識體系，從而使學(xué)生對產(chǎn)品設(shè)計進行分析、綜合和評價。

四、結(jié)束語

《機械設(shè)計》是機械類學(xué)生非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個人才培養(yǎng)體系中占有重要地位，傳統(tǒng)《機械設(shè)計》教學(xué)方法、內(nèi)容不適合教育部關(guān)于高等學(xué)?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)中要培養(yǎng)工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力人才的要求，尤其是目前許多高校正在進行的以O(shè)BE為理念的現(xiàn)代教學(xué)改革，更加突出學(xué)生工程實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成效。通過在我校過程裝備與控制工程專業(yè)進行“專業(yè)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐相融合、專業(yè)教育和科研活動相融合”的教學(xué)活動實踐，實現(xiàn)了《機械設(shè)計》的高階教學(xué)目標，不僅在全國大學(xué)生機械創(chuàng)新大賽、全國大學(xué)生過程裝備創(chuàng)新大賽等活動中多次獲獎，并且在2018年教育部組織的對我校過程裝備與控制工程專業(yè)專業(yè)認證進?？疾爝^程中，獲得了進校專家的一致好評，并于2019年順利通過了專業(yè)認證。

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