校企協(xié)同下的機(jī)械設(shè)計課程教學(xué)變革與實踐*

魏玉蘭,李 兵,王培良,王榮德,張清珠

(湖州師范學(xué)院 工學(xué)院，浙江 湖州 313000)

一、簡介與問題分析

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的高速發(fā)展，中國正在從一個制造業(yè)大國轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€制造業(yè)強(qiáng)國，為了適應(yīng)國家的高速發(fā)展，高校培養(yǎng)出的工程技術(shù)人才必須滿足社會需求。然而中國傳統(tǒng)的工程教育方法與社會脫節(jié)嚴(yán)重，高校與企業(yè)之間的合作不夠密切，企業(yè)用工缺，學(xué)生就業(yè)難的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重[1]。高校“協(xié)同創(chuàng)新中心”建設(shè)是解決此問題的有效途徑之一[2]。高校“協(xié)同創(chuàng)新中心”通過與地方企業(yè)緊密合作，開展校企協(xié)同創(chuàng)新，結(jié)合學(xué)校與地方的優(yōu)勢資源，以“服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)，向社會輸入合格的應(yīng)用性人才”為目標(biāo)。而專業(yè)課程的建設(shè)與改革是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，依托校級協(xié)同創(chuàng)新中心已展開了一系列的人才培養(yǎng)模式和課堂教學(xué)改革研究工作。

在“協(xié)同創(chuàng)新中心”建設(shè)過程中，為了提高機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，必須重視專業(yè)課程的建設(shè)與改革。《機(jī)械設(shè)計》是機(jī)械專業(yè)課程群的核心課程，無論是在校內(nèi)還是校外對學(xué)生的影響尤其重大[3]。在校期間的各類學(xué)生科研項目、競賽都離不開機(jī)械設(shè)計；畢業(yè)后，機(jī)械設(shè)計更是成為了一個合格的工程技術(shù)人員必不可缺的基本技能。為了培養(yǎng)出令企業(yè)滿意的優(yōu)秀畢業(yè)生，必須對課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，對教學(xué)方法進(jìn)行改革。教學(xué)內(nèi)容需與地方產(chǎn)業(yè)特色緊密結(jié)合，教學(xué)方法應(yīng)有助于全面培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計、項目管理、團(tuán)隊合作、交流、承壓等工程設(shè)計人員應(yīng)該具備的基本能力。為了達(dá)成此教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)研究與改革過程中，逐漸形成了以項目為導(dǎo)向，以產(chǎn)品設(shè)計流程為主線的項目導(dǎo)向設(shè)計教學(xué)法(Project based design learning PDL)。下文將著重介紹該教學(xué)法的特點(diǎn)及其在《機(jī)械設(shè)計》課程中的實施，除此之外還會詳細(xì)介紹考核方法及教學(xué)評價與調(diào)查問卷結(jié)果。

二、PDL教學(xué)法

工程實踐的核心就是設(shè)計，在學(xué)習(xí)《機(jī)械設(shè)計》課程的過程中，讓學(xué)生接觸生產(chǎn)實際中的項目，真正參與到產(chǎn)品的設(shè)計過程中是非常必要的?！皡f(xié)同創(chuàng)新中心”的建設(shè)使之成為現(xiàn)實，學(xué)校與企業(yè)之間的緊密合作為《機(jī)械設(shè)計》課程提供了新的素材，為學(xué)生參與到企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計過程中提供了機(jī)會。強(qiáng)調(diào)實踐的項目式教學(xué)法(Project based learning PBL)可以培養(yǎng)學(xué)生實際生產(chǎn)條件下有效設(shè)計的能力[4]，可以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生的溝通能力和批判性思維能力。在PBL教學(xué)法中教師與學(xué)生之間的溝通與交流更加的頻繁，因此學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有所提高[5-7]。然而，由于PBL教學(xué)法以完成項目為目標(biāo)，不同的項目所需要的知識要點(diǎn)不同，為了完成項目學(xué)生往往需要什么學(xué)什么，造成知識體系雜亂無章，學(xué)習(xí)內(nèi)容片面，理論深度堪憂，大大降低了PBL教學(xué)法在理論教學(xué)中的應(yīng)用效果。

基于課程內(nèi)容的LBL教學(xué)法(lecture based learning)[8]，以教材為中心，以教師為主導(dǎo)，通過講授向?qū)W生傳授知識與技能。LBL教學(xué)法聚集于向?qū)W生傳授理論知識，幫助學(xué)生掌握知識的細(xì)節(jié)和要點(diǎn)，它的最大優(yōu)勢是可以為學(xué)生建立系統(tǒng)而全面的知識理論架構(gòu)[9]。然而，由于教授式教學(xué)法關(guān)注教學(xué)內(nèi)容而忽略了學(xué)生的感受，使學(xué)生感到枯燥無味。除此之外，由于理論教學(xué)與實踐教學(xué)沒有有機(jī)結(jié)合而無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。

鑒于PBL教學(xué)與LBL教學(xué)法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，文中提出一種新的以項目為導(dǎo)向，以設(shè)計流程為主線，LBL和PBL相結(jié)合的PDL教學(xué)方法。PDL按照產(chǎn)品設(shè)計流程展開教學(xué)，學(xué)生根據(jù)設(shè)計需要提出理論知識儲備需求，再由教師進(jìn)行理論知識傳授，因此培養(yǎng)了學(xué)生對專業(yè)的興趣和好奇心，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感和滿足感。進(jìn)行PDL教學(xué)法的主要目標(biāo)是：通過教師講授和學(xué)生自學(xué)建立系統(tǒng)而全面的知識體系，實現(xiàn)深入學(xué)習(xí)；通過項目實施培養(yǎng)團(tuán)隊合作能力、項目管理能力、培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力；通過品設(shè)計的推進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生自我激勵、獨(dú)立思考的能力；最為主要的是使學(xué)習(xí)目標(biāo)更加明確，學(xué)習(xí)過程更加愉悅，學(xué)習(xí)結(jié)果更加理想。

三、PDL教學(xué)法在《機(jī)械設(shè)計》課程中的應(yīng)用

(一)項目設(shè)計題目確定

基于校企協(xié)同的新型PDL教學(xué)法順利實施的第一步就是要確定合適的項目設(shè)計題目。設(shè)計的項目題目要滿足兩個條件。第一，項目設(shè)計的內(nèi)容必須要涵蓋《機(jī)械設(shè)計》課程的絕大部分教學(xué)內(nèi)容；第二，項目應(yīng)與地方相關(guān)企業(yè)中的支柱性產(chǎn)業(yè)相關(guān)。以湖州師范學(xué)院為例(以下簡稱湖師院)。湖師院是湖州地區(qū)唯一的地方性院校，工學(xué)院建立的一大目標(biāo)為服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)，向地方產(chǎn)業(yè)輸入合格的應(yīng)用性人才。因此，為確定出符合地方特色的項目設(shè)計題目，首先要與地方相關(guān)產(chǎn)業(yè)建立良好的校企合作關(guān)系。眾所周知，湖州有電梯、物流、農(nóng)機(jī)三大產(chǎn)業(yè)與機(jī)械行業(yè)密切相關(guān)。為了確定出合適的項目設(shè)計題目，課程組以“協(xié)同創(chuàng)新中心”為依托，與巨人通力電梯有限公司、湖州德馬物流有限公司、浙江宜可歐環(huán)?？萍加邢薰镜染o密合作，通過與以上企業(yè)中技術(shù)部門工程師的多次溝通與交流確定了與課程相關(guān)的五大項目設(shè)計題目，如表1所示。為了使每個學(xué)生有不同的設(shè)計參數(shù)，每個項目中都結(jié)合企業(yè)的實際應(yīng)用情況設(shè)計了6-7組不同的參數(shù)供學(xué)生選擇。

表1　基于地方產(chǎn)業(yè)的《機(jī)械設(shè)計》項目列表

(二)項目分配與工廠參觀實習(xí)

在確定了課程中用到的具體的項目設(shè)計題目、設(shè)計參數(shù)與設(shè)計要求之后，先通過網(wǎng)絡(luò)，在線課程等方式將具體項目設(shè)計相關(guān)文件下發(fā)給學(xué)生。然后學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好自主選題，并由班長和學(xué)委根據(jù)學(xué)生的選題情況進(jìn)行整理分組。為保證每個學(xué)生有不同的設(shè)計參數(shù)，如出現(xiàn)兩個以上學(xué)生選擇同一項目、同一參數(shù)，則學(xué)生自主溝通、協(xié)調(diào)后重新選擇。完成學(xué)生自主選題后，根據(jù)項目設(shè)計題目對班級學(xué)生進(jìn)行分組。在接下來的課程學(xué)習(xí)過程中，同一小組內(nèi)的學(xué)生可共同討論完成項目的設(shè)計。

考慮到學(xué)生對具體的項目設(shè)計內(nèi)容和設(shè)置了解不足，為了使學(xué)生對設(shè)計的項目有更加直觀、形象的認(rèn)識與理解，《機(jī)械設(shè)計》課程的第一次課要首先安排為期一天的企業(yè)參觀實習(xí)，企業(yè)也會安排技術(shù)人員對相關(guān)裝置進(jìn)行講解，在企業(yè)的生產(chǎn)加工車間，學(xué)生可以了解到裝置中每一個零件的加工制造工藝，裝配關(guān)系和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。這些對學(xué)生后期的設(shè)計都有極大的幫助。除此之外，企業(yè)的講解人員也會成為該項目選題學(xué)生的實踐指導(dǎo)教師，學(xué)生在設(shè)計過程中遇到的技術(shù)難題可以直接與企業(yè)實踐指導(dǎo)教師聯(lián)系，得到符合工廠實際的技術(shù)指導(dǎo)。

(三)課程教學(xué)過程

在學(xué)生工廠實習(xí)之后開始正式的理論授課階段。首先教師根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計流程(而非教材目錄)來制定教學(xué)計劃，安排教學(xué)內(nèi)容?；赑DL教學(xué)法的《機(jī)械設(shè)計》課程教學(xué)內(nèi)容安排如圖1中教學(xué)內(nèi)容列章節(jié)出現(xiàn)的先后順序進(jìn)行。這樣安排教學(xué)內(nèi)容的目的是為了使教學(xué)進(jìn)度與項目設(shè)計進(jìn)度相吻合，方便學(xué)生“邊學(xué)邊設(shè)計”。例如，項目設(shè)計的第一步為“傳動裝置的總體設(shè)計”。在項目設(shè)計的此階段需要確定總體傳動方案、電機(jī)型號、各級傳動的初始參數(shù)等。首先，教師采用PBL與LBL相結(jié)合的方式向?qū)W生傳授方案確定的方法，電機(jī)選擇方法、機(jī)械裝配效率計算方法、總傳動比和各級傳動比的分配方法等。學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)和課后擴(kuò)展學(xué)習(xí)掌握相關(guān)設(shè)計方法，然后在規(guī)定時間內(nèi)完成具體項目相關(guān)內(nèi)容的設(shè)計并提交。學(xué)生提交的具體設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計結(jié)果即作為課后作業(yè)。這樣有助于教師及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計過程中的問題，及時糾正學(xué)生的設(shè)計問題，幫助學(xué)生正確掌握設(shè)計方法，同時可以有效避免現(xiàn)在高校教學(xué)過程中普遍存在的作業(yè)抄襲現(xiàn)象。后續(xù)的所有教學(xué)內(nèi)容都采用這種“教授-學(xué)習(xí)-設(shè)計-教授”的循環(huán)方式實施，直到所有教學(xué)內(nèi)容完成時，學(xué)生也完成了項目設(shè)計的所有內(nèi)容。這種邊教授、邊學(xué)習(xí)、邊設(shè)計的教學(xué)過程即PDL教學(xué)法的精髓。

教師的授課除了面對面的講授之外，還利用在線網(wǎng)絡(luò)課程為學(xué)生提供了有價值的在線學(xué)習(xí)資料，比如教師講授的微課視頻、項目相關(guān)裝置的社會應(yīng)用、項目設(shè)計的必要參考資料等。除此之外，每講授完一部分教學(xué)內(nèi)容，除了要求學(xué)生完成項目中相應(yīng)部分的設(shè)計外，也得利用在線課程的測試環(huán)節(jié)來檢驗學(xué)生對理論知識的理解與掌握情況。在線課程學(xué)習(xí)的相關(guān)數(shù)據(jù)也會作為期末總成績的一部分。

圖1　項目設(shè)計流程及教學(xué)內(nèi)容安排

(四)項目設(shè)計完善與答辯

在完成了《機(jī)械設(shè)計》課程的教學(xué)之后，學(xué)生同時也完成了項目設(shè)計的理論計算部分。但任何一個機(jī)械項目的設(shè)計都多包括理論計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大部分，因此安排一到兩周的集中時間，讓學(xué)生完善設(shè)計結(jié)果，整理設(shè)計說明書，并完成各個零件和裝配圖的繪制是十分有必要的。為了與企業(yè)生產(chǎn)實際接軌，同時進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的二維和三維繪圖能力，要求在集中的一到兩周時間內(nèi)，利用三維繪圖軟件完成項目中裝置的三維建模，及主要零件和整個裝置的二維圖紙繪制。

在集中設(shè)計的最后一天安排項目設(shè)計答辯。答辯有兩大目的，第一是幫助學(xué)生了解自己的問題，第二是幫助教師更加客觀的掌握學(xué)生學(xué)習(xí)效果。答辯采用學(xué)生講解和教師提問的方式，答辯教師會根據(jù)學(xué)生具體的答辯情況進(jìn)行評價。這也是個人評估的重要組成部分。

四、教學(xué)考核方法

為了更加客觀的得出每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，采用PDL教學(xué)法的教學(xué)評價由三部分成績組成。團(tuán)隊評估、人個評估和學(xué)生之間的互評。

團(tuán)隊評估：是對小組的整體評價。主要包括在關(guān)鍵時間點(diǎn)之前各小組及成員需交付階段性設(shè)計說明書和設(shè)計圖紙。教師會根據(jù)整個小組產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)度及設(shè)計內(nèi)容給小組評分。

個人評估：包括理論知識學(xué)習(xí)的評估和實踐結(jié)果的評估。理論知識學(xué)習(xí)效果通過平時的在線測試、在線視頻學(xué)習(xí)、實驗、出勤、期末考試成績四大部分組成。實踐結(jié)果的評估包括產(chǎn)品設(shè)計說明書、產(chǎn)品設(shè)計圖紙、答辯三大部分。

學(xué)生互評：是指小組內(nèi)成員根據(jù)貢獻(xiàn)度給其它人評定的成績。為了客觀地得到小組中成員的貢獻(xiàn)度，給每組100分，貢獻(xiàn)度大的學(xué)生得分高，貢獻(xiàn)度小的人得分低，由小組成員商定后給出評分結(jié)果。所有小組成員得分總合不超過100分。

根據(jù)以上評價方法，每個學(xué)生的最終得分可由下式計算得出：

Gfinal=WgroupGgroup+WpersonalGpersonal+WpeerGpeer

(1)

Wgroup+Wpersonal+Wpeer=1

式中，

Gpersonal=WtheoryGtheory+WpracticeGpractice

(2)

Wtheroy+Wpractice=1

Gtheory=WtextGtext+WvideoGvideo+WexpGexp+WexamGexam

(3)

Wtext+Wvideo+Wexp+Wexam=1

Gpractice=WinstructionGinstruction+WdrawingGdrawing+WpresentationGpresentation

(4)

Winstruction+Wdrawing+Wpresentation=1

(5)

式(1)中Wgroup和Ggroup為團(tuán)隊評估的權(quán)值和得分；Wpersonal和Gpersonal為個人評估的權(quán)值和得分，Wpeer和Gpeer為學(xué)生互評所占的比重和分?jǐn)?shù)。式(2)中，Wtheory和Gtheory為個人評價中理論學(xué)習(xí)的權(quán)值和得分；Wpractice和Gpractice為個人評價中實踐學(xué)習(xí)的權(quán)值和得分；在式(3)中，Wtext和Gtext為個人在線測試權(quán)值和成績；Wvideo和Gvideo為個人在線視頻學(xué)習(xí)權(quán)值和成績；Wexperiment和Gexperiment為個人實驗學(xué)習(xí)比重大小和成績；Wtext和Gtext為個人期末考試比重大小和成績。在式(4)中，Winstruction和Ginstruction為實踐部分產(chǎn)品設(shè)計說明書所占的比重和得分；Wdrawing和Gdrawing為產(chǎn)品圖紙所占的權(quán)值和成績；Wpresentation和Gpresentation為學(xué)生答辯成績所占的比重大小和成績。上式中的所有成績均采用百分制，權(quán)值可根據(jù)重要性賦予不同的百分比。

五、教學(xué)實踐與評估

為了客觀得出該方法的教學(xué)效果，在2013級機(jī)械制造及其自動化的兩個平行班中展開教學(xué)，2013級的A班采用文中講述的“校企協(xié)同”下的項目導(dǎo)向設(shè)計(PDL)教學(xué)法，B班仍采用常規(guī)的傳統(tǒng)(LBL)教學(xué)方法，在線平臺資料同時向兩個班級的學(xué)生開放。期末考試采用相同的試卷，實踐教學(xué)采用相同的內(nèi)容。理論部分內(nèi)容由同一名教師講授，實踐部分每班分配校內(nèi)和企業(yè)兩名指導(dǎo)教師。表2和3中分別給出了兩個班學(xué)生期末考試和實踐答辯數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

從表2和3中的數(shù)據(jù)可以看出，采用PDL教學(xué)法的A班無論是理論考試成績還是實踐答辯成績明顯高于采用LBL教學(xué)法的B班。在PDL教學(xué)法中，理論教學(xué)與實踐教學(xué)法相融合，“以理指踐、以踐強(qiáng)理”，因此學(xué)生對理論知識的掌握和理解更加深入，理論考試成績表明PDL教學(xué)的教學(xué)效果。實踐答辯成績由五位指導(dǎo)教師共同評定，五位教師均認(rèn)為，在答辯過程中，A班學(xué)生表現(xiàn)的更加自信，對知識的理解也更加深入。

表2　兩種教學(xué)法理論考試成績對比

表3　兩種不同教學(xué)法實踐教學(xué)答辯成績對比

為了進(jìn)一步更加客觀的了解學(xué)生對此教學(xué)法的態(tài)度，對A班39名學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查問卷。為了保證問卷結(jié)果的可靠性，問卷采用不記名形式，表4為調(diào)查問卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。

表4　調(diào)查問卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從調(diào)查問卷統(tǒng)計結(jié)果可以得出，學(xué)生對此教學(xué)法持積極的態(tài)度，參與教學(xué)的39名學(xué)生均認(rèn)為此教學(xué)法幫助他們提高了設(shè)計能力。由于此教學(xué)法以項目為導(dǎo)向，按照項目將學(xué)生分組，因此有36名學(xué)生在團(tuán)隊合作能力上給出了5分，3名學(xué)生給出了4分。由于以產(chǎn)品設(shè)計為主線展開教學(xué)，每完成一部分教學(xué)內(nèi)容要求學(xué)生同時完成相應(yīng)零部件的設(shè)計，結(jié)合采用的評價方法，學(xué)生都能夠積極主動的投入到學(xué)習(xí)之中，27名學(xué)生在自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)上給出了4分的選擇。

六、結(jié)　論

PDL教學(xué)法緊密結(jié)合實際需求，依托“協(xié)同創(chuàng)新中心”，采用企業(yè)項目管理形式，開展協(xié)同教學(xué)。首先向?qū)W生下發(fā)項目任務(wù)書，學(xué)生自主選取任務(wù)并組成項目管理小組，教師按照項目進(jìn)展，以產(chǎn)品設(shè)計流程為教學(xué)主線，利用在線課程資源，采用PBL項目式教學(xué)和LBL教學(xué)法相結(jié)合的形式展開教學(xué)，要求學(xué)生每學(xué)完一部分內(nèi)容，完成相應(yīng)機(jī)械設(shè)備中相關(guān)零件的設(shè)計并繪制圖紙，做到“學(xué)中做，做中學(xué)”。通過一個學(xué)期的教學(xué)實踐，采用文中描述的考核辦法，對學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實踐學(xué)習(xí)效果進(jìn)行了評價。教學(xué)評價結(jié)果表明，采用PDL教學(xué)法的A班學(xué)生理論成績和實踐成績明顯優(yōu)于采用傳統(tǒng)教學(xué)法的B班，A班學(xué)生對產(chǎn)品的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、原理的理解深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于B班。除此之外調(diào)查問卷結(jié)果表明，通過此教學(xué)法，學(xué)生的自信心、團(tuán)隊合作意識、自主學(xué)習(xí)能力、解決問題的能力也得到了提高，這與教學(xué)初的目標(biāo)設(shè)定吻合，基本達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)。在2016年5月份的機(jī)械設(shè)計競賽和機(jī)械人競賽中學(xué)生也取得了不錯的成績，學(xué)生的參賽積極性與前幾年相比明顯提高。在教學(xué)實踐中也發(fā)現(xiàn)除教學(xué)方法本身以外，教學(xué)考核方法與標(biāo)準(zhǔn)、教師對學(xué)生提出的要求、教師對課程的態(tài)度等都對課程的教學(xué)效果有非常大的影響，因此在今后的教學(xué)中也會針對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究。

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