新工科背景下《机械设计》金课教学方法探析

时间：2024-08-31

章培培王东生

（铜陵学院，安徽铜陵 244061）

2017年，教育部提出新工科概念，并积极推进新工科建设，逐渐形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》、《关于推进新工科研究与实践项目的通知》[1]，助力高等教育，形成中国特色工程教育模式，培养具有较强创新能力、实践能力和国际竞争力的高素质新工科人才，积极应对支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略[2]。2018年，教育部针对当前高等教育的现状，提出高等学校要淘汰“水课”，着力打造“金课”，提高培养人才的质量[3]。这一系列计划的提出对高校培养新的人才提出了新的、更高的要求[2]。

一、新工科背景下金课的教学目标

目前对金课的研究比较多，由于各学科课程特点不同，所以教学过程中所采取的教学方法也不相同，主要是为了提升教学效果，提高学生的学习主动性，培养学生的创新能力，启发学生的创新思维，教师将一系列教学方法、教学理念和教学活动的改进措施应用于教学过程[4-5]。

金课的教学效果要求学生的综合素质必须得到提升，作为工科专业，培养目标同时又要符合新工科的要求，即学生要具有很强的理论运用到实践的能力，所以教学过程中必须要充分考虑理论、实践和综合素质这三个方面的关系，如图1所示[6]。并通过合理的教学方法和教学过程，使它们相互促进，以此取得良好的教学效果，使学生的学习更加主动、高效、系统，学习效果输出更具创新性和实用性。

二、《机械设计》教学模式现状分析

《机械设计》是机械设计制造及其自动化专业的专业基础课，在培养新工科人才上具有非常重要的地位，国内目前对该课程的教学创新进行了大量的研究与实践。对课程教学的研究[7]、对课内实验建设的研究[8]、对引入项目化教学的研究[9]等都取得了良好的教学效果。但新工科以及金课建设的内涵极其丰富，并在不断的进步中，“多样化”与“卓越型”是人才培养的两大基本目标，有广度和深度两方面的要求[10]。虽然《机械设计》课程知识体系相对经典，教学方法也较稳固，同时也具有一定的深度和广度，能够为机械专业学生提供良好的知识基础，学生通过该课程的学习基本都能够对单一零部件和机构进行设计，但遇到实际机械类问题时却无从下手，对创新创业项目以及机械创新类的设计大赛不能很好的参与其中，也就不能进一步提升个人设计能力。所以必须对教学方法进行改进，但想要打破原有的相对稳固的教学方法以及相对经典的知识体系，构建创新型教学方法和知识体系并非易事[11]。

在当前教学模式下，教师侧重于理论知识的讲授，不能很好的结合生产实际过程中遇到的机械设计问题引导学生，这样就导致理论和实践不能及时挂钩，学生不能直观的认清理论知识在实践中的作用及地位，也不能充分调动学生的学习主动性和独立思考的习惯及能力；考核方式也比较单一，平时大作业和实验在一起只占百分之三十，大比分的考核成绩依旧是根据闭卷考核得到。这样的最终结果就是学生的综合应用能力不足，解决工程问题的能力差，这是与新工科的目标不一致的，也不是金课想要的教学效果[10]。

三、新工科背景下金课为导向的教学方法与过程

（一）机械设计课程教学体系重建

“新工科”是不同工程学科以及工程学科与其他学科的交叉融合产生的，注重学科交叉思维，机械设计注重机械工程问题求解和创新设计，在“新工科”形势下，机械专业也需要与其他学科融合，以满足新产业、新业态的需求。比如，新工科形势下，要求学生对虚拟设计与制造、云制造、协同创新、智能制造、大数据、物联网等新兴领域有深入的学习与了解，通过创新实践活动把机械设计内容与这些新兴学科建立一定的联系，帮助学生更好的解决实际工程问题，让学生能够自主进行机械创新设计[11]。传统的机械设计课程教学体系要求学生熟悉机械制图、机械制造、公差与配合和机械原理等先修课程内容，构建的新的机械设计课程教学体系模型通过加入创新实践活动与其他新兴学科建立关系，如图2所示。

图2 机械设计课程教学体系

（二）理论知识教学模式

首先要改变教学模式，根据当前教学资源及教学方式的发展，打造高效、创新和挑战的课程才能满足金课的要求，必须以学生为中心，可以采用“线上+线下”混合式任务驱动的创新课堂教学模式，结合学生及专业特点进行教学设计。授课教师首先要认真完善教学大纲、制定新教学模式的教学计划以及教案，做到知识点的独立和连贯：知识点的独立是指每节课都有独立的知识点，重难点也要有所侧重；知识点的连贯指学习完了这些知识点要能够把它们与其他知识点结合起来运用到实际工程问题的解决中，可通过专题整体设计。所以《机械设计》的教学设计内容的核心就是知识点的设计，使课程精髓体现出来并能吸引同学们的学习关注度。以《机械设计》课程中的带传动为例，教师在进行教学内容知识点设计时以电机至减速箱之间的带传动或拖拉机上的带传动为引导性设计项目，分析带传动的结构特征、带和带轮之间的传力或传递运动的方式、带轮结构等基本知识，针对每一个知识点都实施问题导入、探究、展示、总结这4个步骤。最终导入思考题，为什么工程实践中大多使用V带？各种不同结构的带分别具有什么优缺点？实验过程中观察和分析带传动的承载能力和传动效率的影响因素，以验证前面自己的分析结果，由此就以项目流程方式帮助学生建构带传动知识体系，每个知识点学生都通过自主参与的方式，由此对知识点的掌握也更牢固[1]。

选择基于主动学习模式的教学平台，课前，学生可根据授课教师给出的知识点及引导思路在线预习和学习，并对自学效果进行在线自测；然后线下教学，教师根据线上自测情况分析，有针对性和目的性的进行课堂教学，以讲授原理和方法为主，强调设计思想，以工程案例为导向，用启发和讨论的课堂形式，培养学生对工程实际问题的敏感性，从而提高学生发现、分析和解决问题的能力。并进行分组式项目考核，根据本章知识点做一些小的项目，或结合前面的知识点及其他课程做一些大的项目，这样既能掌握当前的理论知识又能回顾前面的知识，还能融会贯通，提高学习效率取得学习效果。同时依托应用型本科高校课程转型，充分利用虚拟和现实融合的教学方法，培养学生的学习兴趣，提高教学效率[12]。课后，学生继续在线巩固，学习有余力的同学还可以课后继续在线拓展，进行部分难点的学习和提升。

（三）实验教学的改革

除了采用灵活多样的教学方法讲授教学内容，进行知识扩展外，同时也要注重学生的技能训练，不仅能够对知识点进一步的巩固，也能提高学生的工程实践能力和创新能力。除了开设课内实验外，还可增加一些引导性实验以及验证性实验，给学生布置一些实验任务，以任务驱动实验教学，让学生在学中做，做中学。实验课也可以采用项目教学法，布置一些设计类课题，让同学们以分组的形式参与进来，可以用三维建模的结果提交方案，也可以用实物提交方案，根据同学自身的特点，侧重点可以不同，既可以倾向于结构创新设计，也可以侧重于重要机构的工程分析，还可以侧重于机电传动控制[13]。

（四）实践活动的多样化

同时利用课余时间开展丰富的创新实践活动，包括机构小创新、科技小制作、机械小发明等，鼓励同学们参加竞赛，如全国大学生机械创新设计大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛、中国创新创业大赛、大学生创新创业训练计划项目等[11]。比如，以全国大学生机械创新设计大赛的设计题目作为最终设计目标，从一个机构或机械零件的创新为切入点，慢慢引导同学们参与、思考以及创新，这样经过思维碰撞的课堂教学，可以提高学生处理复杂工程问题的能力，对学生团队意识的培养、交流能力的提高都有非常大的帮助，同时还可以激发学生的对专业知识的渴求和自身的潜能。这些实践活动和大赛还着重学生对创业计划书的撰写、职业规划和就业实用技巧方面的训练。同时也能够加强现代设计方法、先进制造技术等的深入融合，提高学生的学习积极性，达到预期的教学效果，使学生具有相应的机械设计能力，培养的学生也符合新工科标准的要求，如图3所示。

图3 机械设计能力体系图

采用任务驱动和面向学习过程的教学方法，以问题为导向，以案例启发学生，以小组讨论和个人探究参与，不仅可以提升学生的学习积极性，促使学生主动学习，还可以实现由重视学习结果到重视学习过程的转变[1]。

四、健全考核方式

课程考核方式也要改进，要同时注重学生的理论能力、实践能力和创新能力，可以采用多元考核方式，细化考核指标，课程的总成绩由期末考试成绩和平时考核成绩两部分组成，并适当增加平时考核成绩的百分比。平时考核分为3个考评模块，分别是实验能力模块、创新能力模块和学习态度模块，共15个考评指标[13]，每个考核指标给予不同的权重。比如课程设计，根据学生实践过程中的表现和最终成果来跟踪这个环节的成绩，包括利用计算说明书、图纸、作品、答辩等学习成果来跟踪学生的解决实际问题的能力；同时，对学生的团队合作精神、沟通能力等进行跟踪。这样的课程考核体系提高了学生用多学科知识解决工程问题的能力，提升了学生的创新意识与沟通能力。