基于目標(biāo)導(dǎo)向組織機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)的探索

穆璽清　張繼林

[摘 要]工程能力是工科專業(yè)本科生應(yīng)具備的一種關(guān)鍵能力。該研究探討在OBE理念下以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力為目標(biāo)，以設(shè)計(jì)出符合要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)教學(xué)為導(dǎo)向，開展了機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)探索。這個(gè)教學(xué)過程通過梳理課程目標(biāo)，重新構(gòu)建課程體系，以設(shè)計(jì)項(xiàng)目具體產(chǎn)品為主線，采用案例項(xiàng)目引導(dǎo)、討論式課堂授課、增加實(shí)操環(huán)節(jié)以及多元化的評(píng)價(jià)措施，在突出以學(xué)生為中心的實(shí)施過程中使教與學(xué)有機(jī)融合，從而使學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性得到調(diào)動(dòng)以及其判斷和解決工程問題的能力得到有效提升。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械設(shè)計(jì);目標(biāo)導(dǎo)向;高校教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642.421 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）11-0057-03

我國(guó)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)工科類專業(yè)本科生工程能力的要求不斷提高。教育部開展基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出（OBE）標(biāo)準(zhǔn)的工程專業(yè)認(rèn)證和管理，是對(duì)高校調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)探索的積極主動(dòng)性、培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決工程實(shí)際問題能力等要求的全面落實(shí)[1]。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械大類專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力的學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)且直接面向?qū)嶋H設(shè)計(jì)應(yīng)用的課程[2]，在培養(yǎng)學(xué)生工程專業(yè)意識(shí)、機(jī)械專業(yè)思維、綜合分析和解決專業(yè)實(shí)際問題的能力方面占有重要地位。這門課程總共有56學(xué)時(shí)（其中實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)），3.5學(xué)分。

從結(jié)構(gòu)出發(fā)設(shè)計(jì)出合理的具體完整機(jī)器是學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)課程的最終目的。如何使學(xué)生更深刻地理解機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)涵，如何使學(xué)生感興趣且深入地學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，如何使學(xué)生的分析和設(shè)計(jì)能力得到提升，這些都是施教者經(jīng)常思索和探究的問題。機(jī)械設(shè)計(jì)課程的概念、名詞、公式、圖表眾多，而且大量的公式、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與課程內(nèi)容融合交織，具有內(nèi)容雜、重點(diǎn)不突出的特點(diǎn)，因此存在學(xué)生普遍感到內(nèi)容零亂、把握不住重點(diǎn)等問題。設(shè)計(jì)機(jī)器沒有固定模式，但一般要經(jīng)歷產(chǎn)品規(guī)劃，方案設(shè)計(jì)，技術(shù)與施工圖設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品試制、調(diào)試與鑒定等階段。以能力培養(yǎng)為目標(biāo)、以具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，將具體機(jī)器的制造和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)穿插在課程教學(xué)過程中，有助于提高教學(xué)質(zhì)量、獲得良好教學(xué)效果。其具體做法主要有以下幾方面。

一、根據(jù)人才培養(yǎng)方案制訂機(jī)械設(shè)計(jì)課程目標(biāo)

機(jī)械設(shè)計(jì)課程組依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案要求以及課程支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1.2、2.2、3.3、6.2、10.1，使學(xué)生在工程知識(shí)方面具有解決機(jī)械制造及其相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題所需的工程基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)及其應(yīng)用能力;在問題分析方面能夠基于機(jī)械工程科學(xué)原理，提出機(jī)械制造及其相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案;在設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案方面能夠基于設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，完成機(jī)器總體結(jié)構(gòu)、零部件及其相關(guān)工藝設(shè)計(jì)，并能用模型、圖紙、程序、設(shè)計(jì)報(bào)告等進(jìn)行合理表達(dá);在工程與社會(huì)方面能夠基于機(jī)械工程材料、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等工程知識(shí)，合理評(píng)價(jià)機(jī)械產(chǎn)品和制造技術(shù)對(duì)社會(huì)、安全的影響;在溝通和交流方面能夠通過報(bào)告、設(shè)計(jì)圖紙和論文等形式與同行進(jìn)行有效溝通，陳述自己的想法。

課程組基于OBE理念，以學(xué)生為中心，以工程能力培養(yǎng)為原則，按照人才培養(yǎng)方案中的畢業(yè)要求對(duì)課程賦予的指標(biāo)和關(guān)聯(lián)關(guān)系，將機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)分為理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、大作業(yè)（作業(yè)）指導(dǎo)三大環(huán)節(jié)，通過各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)互補(bǔ)，使學(xué)生能夠掌握機(jī)械設(shè)計(jì)基本理論，具有機(jī)械設(shè)計(jì)能力、機(jī)械零件（機(jī)械系統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、工程問題的解決能力;同時(shí)通過對(duì)課程教學(xué)模式、課程教學(xué)內(nèi)容及課程教學(xué)方法的探索與改革，將提高解決工程問題的能力貫穿于教學(xué)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，由此梳理和確定機(jī)械設(shè)計(jì)課程目標(biāo)[3]。

目標(biāo)1：掌握常見通用零件的工作原理、特點(diǎn)、失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等基本知識(shí)，具有根據(jù)使用條件選擇和校核的能力。

目標(biāo)2：熟悉機(jī)械工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各種通用零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)果修正。

目標(biāo)3：能夠?qū)⑼ㄓ昧慵脑O(shè)計(jì)理論與方法應(yīng)用于具體機(jī)械或系統(tǒng)傳動(dòng)裝置技術(shù)中，具有綜合運(yùn)用設(shè)計(jì)方法分析或解決具體工程問題的能力。

目標(biāo)4：能夠通過設(shè)計(jì)報(bào)告或設(shè)計(jì)文件表述或撰寫機(jī)械傳動(dòng)裝置及其主要零件設(shè)計(jì)問題。

課程目標(biāo)注重要求學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原理、基本知識(shí)和基本理論的掌握，注重學(xué)生分析解決問題能力和工程實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

二、將案例、項(xiàng)目貫穿于教學(xué)全過程的組織

機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教學(xué)組織以畢業(yè)要求和課程目標(biāo)為基礎(chǔ)以及以畢業(yè)要求的能力達(dá)成為目的展開。可將機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)體系分為課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)三大部分，各部分既獨(dú)立又相互交織[4]。課堂教學(xué)將案例與課程內(nèi)容相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了做實(shí)驗(yàn)還增加了與案例、項(xiàng)目有關(guān)的項(xiàng)目大作業(yè)，課程設(shè)計(jì)將案例方案優(yōu)化后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體化。課程圍繞案例、工程項(xiàng)目以及提出問題并解決問題的思路構(gòu)建機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)體系，將原有相互獨(dú)立的部分加以有機(jī)融合，將案例或項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容貫穿于課程教學(xué)的全過程。其教學(xué)過程組織如圖1所示。

三、以學(xué)生為中心的教學(xué)模式的探索與實(shí)施

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教學(xué)模式存在教師滿堂灌、內(nèi)容多且課時(shí)緊張、學(xué)生學(xué)習(xí)被動(dòng)且對(duì)教師的依賴性強(qiáng)、教師與學(xué)生之間是支配與被支配的關(guān)系等問題。因此，課程組通過多種教學(xué)方式方法和教學(xué)設(shè)計(jì)嘗試，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)生學(xué)習(xí)熱情以及提高學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的參與度等方面做工作，改變傳統(tǒng)授課方式，打造了以學(xué)生為中心的案例與知識(shí)點(diǎn)結(jié)合、學(xué)生與教師互動(dòng)、學(xué)生由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)、教師由灌輸變?yōu)橐龑?dǎo)的教學(xué)模式。

（一）用案例、項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生的思考與探索

教師將學(xué)生已經(jīng)完成的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)題目、參賽設(shè)計(jì)題目、工程實(shí)踐項(xiàng)目或機(jī)械設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題作為案例引入機(jī)械設(shè)計(jì)課堂教學(xué)中，從學(xué)生已有的理論和知識(shí)基礎(chǔ)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生圍繞案例問題進(jìn)行思索[5]，在思索學(xué)習(xí)中獲得新知識(shí)，再隨著案例問題的逐步解決使學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解加深，從而達(dá)到從“案例—教材內(nèi)容—案例”途徑獲得和理解相關(guān)知識(shí)的目的，同時(shí)通過引入分析問題、啟發(fā)解決問題的過程，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分析解決工程實(shí)際問題的能力的目的。

零部件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的機(jī)器必不可少的步驟，它涵蓋分析（場(chǎng)合、載荷）、設(shè)計(jì)（材料、結(jié)構(gòu)）、制造（熱處理、工藝）等多個(gè)環(huán)節(jié)。以設(shè)計(jì)案例產(chǎn)品為主線的課程講解，串連起與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的知識(shí)。以減速器、洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)為例，通過預(yù)設(shè)功能實(shí)現(xiàn)和相關(guān)知識(shí)穿插實(shí)施教學(xué)，學(xué)生就會(huì)思考與該產(chǎn)品相關(guān)的很多問題，比如設(shè)計(jì)機(jī)器應(yīng)考慮哪些因素、如何設(shè)計(jì)制造零部件等等。教師帶著問題講授，學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)并按任務(wù)目標(biāo)完成設(shè)計(jì)或項(xiàng)目大作業(yè)。教師在教學(xué)活動(dòng)中是組織者、引導(dǎo)者和推進(jìn)者，學(xué)生則是參與者、思考者、獲得者，從而形成教師開展案例式、問題式、討論式教學(xué)而學(xué)生開展追問式、探究式、參與式學(xué)習(xí)的教與學(xué)的氛圍。將案例、項(xiàng)目貫穿于教學(xué)過程的始終，案例、項(xiàng)目問題的解決意味著課堂學(xué)習(xí)任務(wù)的完成，使學(xué)生在求索、追問中主動(dòng)建構(gòu)起機(jī)械設(shè)計(jì)理論和知識(shí)體系，加深相關(guān)知識(shí)的理解，促進(jìn)專業(yè)人才培養(yǎng)方案的進(jìn)一步落實(shí)。

（二）探索討論式課堂教學(xué)模式

課程組按任務(wù)驅(qū)動(dòng)的模式分解課程知識(shí)點(diǎn)，案例、項(xiàng)目的設(shè)計(jì)覆蓋課程相關(guān)內(nèi)容，將機(jī)械設(shè)計(jì)課程內(nèi)容分成總論、常用機(jī)械零部件類型和選擇、疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)六個(gè)部分。學(xué)生按照“實(shí)踐歸納—理論學(xué)習(xí)—再實(shí)踐總結(jié)”模式參與到課程的學(xué)習(xí)中。課程組根據(jù)課程性質(zhì)將上課教室設(shè)在實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生以會(huì)議室圍坐的方式就座，在學(xué)生的前方有多媒體屏幕及教師用黑板，在教室的左方、右方、后方再各放一塊供學(xué)生討論和商議書寫所用的黑板。例如學(xué)習(xí)螺栓組連接件布置方式的問題時(shí)，教師設(shè)定條件，要求學(xué)生按不同布置方式分組驗(yàn)算和討論。學(xué)生在自己組的黑板上寫出結(jié)果，然后組內(nèi)或各組之間相互比較、討論和爭(zhēng)辯，再由教師將各組最佳結(jié)果進(jìn)行匯總，通過引導(dǎo)、比較并由學(xué)生分析得出最合理的布置方案，從而達(dá)成共識(shí)。這種討論式課堂學(xué)生參與熱情高、知識(shí)獲得效果好。實(shí)驗(yàn)室教學(xué)依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)施使學(xué)生能夠看得見、摸得著各種零件、各種機(jī)械傳動(dòng)，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際并解決實(shí)際問題的直觀感受，增強(qiáng)了學(xué)生將理論與實(shí)際工程問題的結(jié)合意識(shí)和解決實(shí)際問題的意識(shí)。

（三）加強(qiáng)知識(shí)的鞏固與綜合能力的提升

課后作業(yè)布置、批改和答疑也是學(xué)習(xí)過程中的重要環(huán)節(jié)。除正常發(fā)布課后作業(yè)、思考題外，課程組圍繞以往學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)課程里普遍出現(xiàn)的問題，有針對(duì)性地安排2～3次項(xiàng)目大作業(yè)。比如鍵連接知識(shí)，學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)很容易掌握和應(yīng)用，但是做課程設(shè)計(jì)要將尺寸、形位公差標(biāo)注到相關(guān)零件圖的鍵槽上時(shí)容易出現(xiàn)的問題很多。因此，課程組在學(xué)生學(xué)完鍵連接后專門安排一次既能選出和校核鍵連接又能正確標(biāo)注鍵槽的與案例、項(xiàng)目有關(guān)的大作業(yè)，使學(xué)生的制圖、公差、零件的相關(guān)知識(shí)得到綜合應(yīng)用，有助于學(xué)生深度理解標(biāo)注與零件的關(guān)系。又如學(xué)生學(xué)習(xí)了帶傳動(dòng)后，做設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)及畫出帶輪零件圖的大作業(yè)，讓學(xué)生第一次感受到將自己設(shè)計(jì)計(jì)算出的結(jié)果數(shù)據(jù)繪制成零件圖紙的過程，并強(qiáng)調(diào)圖紙就是工件成形的指令，從而在培養(yǎng)學(xué)生強(qiáng)烈工程意識(shí)[6]的同時(shí)讓學(xué)生對(duì)先修課程及本課程內(nèi)容的綜合應(yīng)用有了明確的感知，也培養(yǎng)了學(xué)生的綜合分析應(yīng)用能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)了齒輪或蝸輪傳動(dòng)后，再做一次設(shè)計(jì)及繪制零件圖的大作業(yè)，除了能夠正確填寫參數(shù)表，其繪制零件圖的能力也得到了鞏固，再經(jīng)教師的批改和點(diǎn)評(píng)后，在后續(xù)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)零件圖中出現(xiàn)的問題也得到了大幅度減少，從而提升了綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)方法解決具體工程問題的能力。

四、多元化評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

機(jī)械設(shè)計(jì)課程考核采用多元化評(píng)價(jià)體系[7]。評(píng)價(jià)項(xiàng)目有課堂出勤、課堂表現(xiàn)、大作業(yè)（作業(yè)）、實(shí)驗(yàn)和期末考試等，其中課堂出勤、課堂表現(xiàn)、大作業(yè)（作業(yè)）、實(shí)驗(yàn)屬于學(xué)習(xí)過程考核評(píng)定內(nèi)容。總成績(jī)根據(jù)學(xué)習(xí)過程考核成績(jī)和期末考試成績(jī)綜合評(píng)定，學(xué)習(xí)過程考核成績(jī)占總成績(jī)的40%、期末考試成績(jī)占60%。其中學(xué)習(xí)過程考核成績(jī)比例分配為課堂出勤（20%）、課堂互動(dòng)中的參與程度（10%）、作業(yè)完成情況（30%）和實(shí)驗(yàn)（40%）。作業(yè)完成情況包括平時(shí)作業(yè)和大作業(yè)，各占50%。

五、結(jié)論

目標(biāo)導(dǎo)向組織課程教學(xué)的方法在機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的實(shí)踐和應(yīng)用，通過以學(xué)生為中心，案例、項(xiàng)目與教材內(nèi)容結(jié)合，理論與實(shí)際結(jié)合，啟發(fā)式與探究式結(jié)合以及教師與學(xué)生互動(dòng)的教學(xué)方式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和教學(xué)參與度，加強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)過程考核，課堂教學(xué)效果明顯，學(xué)生實(shí)際設(shè)計(jì)能力有了提升。但還存在以下不足：（1）個(gè)別章節(jié)安排自學(xué)，有少數(shù)學(xué)生還想強(qiáng)化和深入學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，但受課時(shí)所限，很難顧及這些學(xué)生;教師盡管通過微信把機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科的前沿內(nèi)容、共同的疑難問題發(fā)送到學(xué)習(xí)群里了，但對(duì)學(xué)生是否了解了、是否感興趣無法掌握。（2）課程組對(duì)各知識(shí)點(diǎn)歸納整理了選擇題、簡(jiǎn)答題等，以便能及時(shí)了解學(xué)生在課前、課中及課后對(duì)知識(shí)的掌握情況。但在現(xiàn)有模式下能夠?qū)嵤┑拇螖?shù)有限，而且對(duì)學(xué)生答題情況的記錄也不夠翔實(shí)等。

培養(yǎng)更多更好適應(yīng)科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展需求的機(jī)械類人才，不斷進(jìn)行教學(xué)理念、教學(xué)模式、教學(xué)方式的探索和改革勢(shì)在必行。提升解決復(fù)雜機(jī)械工程問題的能力需要在專業(yè)課程體系的各個(gè)環(huán)節(jié)中循序漸進(jìn)、不斷探索。發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)課程資源優(yōu)勢(shì)、充分利用在線學(xué)習(xí)平臺(tái)、掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)過程、探索與實(shí)踐線上線下混合教學(xué)模式以及優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)體系，都是課題組進(jìn)一步探索和實(shí)踐的方向。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]