基于兩性一度的機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革*

◆王榮先 張旦聞 王定保

0 引言

在2018年6月召開(kāi)的“新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議”上，教育部提出“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn)[1]?！皟尚砸欢取奔锤唠A性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度：高階性要求重視知識(shí)能力素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維；創(chuàng)新性要求課程內(nèi)容反映前沿性和時(shí)代性，教學(xué)形式呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化；挑戰(zhàn)度要求課程有一定難度，需要跳一跳才能夠得著。

機(jī)械設(shè)計(jì)課程是機(jī)械類(lèi)、近機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的主干課程，介紹機(jī)械通用零部件的結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)研究開(kāi)發(fā)新的零部件及設(shè)計(jì)機(jī)械裝置[2]。教學(xué)內(nèi)容涉及機(jī)械制圖、工程材料、理論力學(xué)、材料力學(xué)等基礎(chǔ)課程，具有理論性強(qiáng)、創(chuàng)新要求高、教學(xué)難度大等特點(diǎn)。教學(xué)模式以課堂講授（56 ～64 學(xué)時(shí)）為主，實(shí)驗(yàn)課（8 ～10學(xué)時(shí)）和課程設(shè)計(jì)（2周）為輔。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，以CAD、SolidWorks、MATLAB等為代表的功能強(qiáng)大的現(xiàn)代設(shè)計(jì)分析軟件已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域。機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和研究方法發(fā)展迅速，機(jī)械設(shè)計(jì)課程研究對(duì)象、教學(xué)內(nèi)容也隨之發(fā)生變化[3]：研究對(duì)象從傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向現(xiàn)代機(jī)械；研究方法由靜態(tài)理論分析到動(dòng)態(tài)仿真分析，由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些變化豐富了機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容，也增加了教學(xué)難度。為適應(yīng)這種變化，進(jìn)行“兩性一度”的機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革顯得十分必要。

本研究基于“兩性一度”金課標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)理論課和實(shí)踐課進(jìn)行教學(xué)改革，通過(guò)重構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)課程體系，將現(xiàn)代科技教學(xué)和課程思政內(nèi)容引入教學(xué)環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，豐富理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容；立德樹(shù)人，提升教學(xué)目標(biāo)的高階性；建設(shè)在線(xiàn)課程，進(jìn)行線(xiàn)上和線(xiàn)下、過(guò)程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的混合式教學(xué)模式改革，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)課程達(dá)到“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn)。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)模式現(xiàn)狀

機(jī)械設(shè)計(jì)為機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，當(dāng)前教學(xué)過(guò)程中普遍存在下面一些問(wèn)題。

1）教學(xué)內(nèi)容固化，以傳統(tǒng)的通用機(jī)械零部件為研究對(duì)象，如螺栓、齒輪、軸承等標(biāo)準(zhǔn)件，課程體系以理論知識(shí)為主，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際結(jié)合不緊密，沒(méi)有體現(xiàn)當(dāng)代先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)成果，與高速發(fā)展的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)銜接不緊密，不利于體現(xiàn)課程目標(biāo)的高階性。

2）教學(xué)模式固化。教師課堂教學(xué)形式單一，講解基本概念，進(jìn)行公式推導(dǎo)，使學(xué)生處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，參與教學(xué)活動(dòng)的機(jī)會(huì)少，缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析理解能力有限，不利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)造性思維[4]。

3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容少。實(shí)驗(yàn)裝置落后，學(xué)生操作對(duì)象多為模型；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少、步驟固化且均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生按套路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果雷同，缺乏挑戰(zhàn)度，不利于培養(yǎng)解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革內(nèi)容

基于“兩性一度”的機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)改革內(nèi)容及步驟如圖1所示，教學(xué)環(huán)節(jié)包括：將現(xiàn)代科技成果引入課堂，導(dǎo)入課程思政元素，重構(gòu)課程體系，課程內(nèi)容反映前沿性和時(shí)代性；建設(shè)機(jī)械設(shè)計(jì)在線(xiàn)課程，豐富教學(xué)資源，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，重視知識(shí)能力素質(zhì)的有機(jī)融合；創(chuàng)新教學(xué)模式，進(jìn)行線(xiàn)上、線(xiàn)下混合式教學(xué)和開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，教學(xué)形式多樣化，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維；改革考核評(píng)價(jià)方式，提升課程教學(xué)要求的挑戰(zhàn)度。

圖1 教學(xué)改革內(nèi)容及步驟

2.1 重構(gòu)課程體系

按照“兩性一度”的標(biāo)準(zhǔn)，提升教學(xué)目標(biāo)，增加教學(xué)內(nèi)容，將機(jī)械設(shè)計(jì)在線(xiàn)課程線(xiàn)上資源和線(xiàn)下教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，重構(gòu)課程體系。

2.1.1 根據(jù)學(xué)科優(yōu)勢(shì)導(dǎo)入課程思政元素，強(qiáng)化育人意識(shí)，提升育人能力，使機(jī)械設(shè)計(jì)課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng) 在教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生了解我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展史，學(xué)習(xí)奮戰(zhàn)在科研一線(xiàn)的科技工作者的愛(ài)國(guó)奉獻(xiàn)精神；讓學(xué)生了解我國(guó)機(jī)械工業(yè)與世界先進(jìn)國(guó)家的差距，堅(jiān)信通過(guò)科技創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興；培養(yǎng)學(xué)生具有良好的職業(yè)道德，弘揚(yáng)大國(guó)工匠精神，激發(fā)科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

2.1.2 將現(xiàn)代科技發(fā)展的新技術(shù)融入日常教學(xué)中 介紹我國(guó)月球車(chē)、高鐵等先進(jìn)的機(jī)械裝備，加強(qiáng)有關(guān)零件設(shè)計(jì)的新方法、新技術(shù)學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由于課時(shí)有限，將拓展的教學(xué)內(nèi)容放在線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)，供學(xué)生自學(xué)。

2.1.3 增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富實(shí)驗(yàn)形式 基于機(jī)械設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)的基本內(nèi)容，通過(guò)開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)裝置，增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，擴(kuò)大對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的覆蓋面。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由過(guò)去的四個(gè)增加到五大類(lèi)18 項(xiàng)，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)常見(jiàn)的通用零件，如螺栓連接、鍵連接、帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等。實(shí)驗(yàn)類(lèi)別由過(guò)去單一的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展為創(chuàng)新型、測(cè)量分析型與驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的混合式實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力?；跈C(jī)械工程學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)，進(jìn)行多種形式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

2.1.4 課程設(shè)計(jì)與創(chuàng)新項(xiàng)目相結(jié)合 課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是在理論課、實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ)上開(kāi)展的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，將課程設(shè)計(jì)題目由過(guò)去的統(tǒng)一進(jìn)行帶式輸送機(jī)減速器的設(shè)計(jì)改為自主選題，鼓勵(lì)學(xué)生以創(chuàng)新設(shè)計(jì)為目的，結(jié)合挑戰(zhàn)杯、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等創(chuàng)新活動(dòng)自主命題，解決課程設(shè)計(jì)題目單一、內(nèi)容雷同的問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)使用SolidWorks、UG、MATLAB和ANSYS等設(shè)計(jì)分析軟件，進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，參加機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽，提高創(chuàng)新實(shí)踐能力，普遍感到新穎，有挑戰(zhàn)度。

2.2 創(chuàng)新教學(xué)模式

采用先進(jìn)的現(xiàn)代教學(xué)手段，在智慧教室開(kāi)展以學(xué)生為中心的線(xiàn)上、線(xiàn)下混合式教學(xué)實(shí)踐。重視學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，開(kāi)展以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為主、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為輔的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。

搭建機(jī)械設(shè)計(jì)在線(xiàn)課程，基于超星學(xué)習(xí)通、手機(jī)學(xué)習(xí)通APP平臺(tái)建設(shè)機(jī)械設(shè)計(jì)課程線(xiàn)上教學(xué)資源，線(xiàn)上教學(xué)資源豐富，形式豐富，使用方便，內(nèi)容包括授課視頻、電子教案、課件、動(dòng)畫(huà)、習(xí)題、試題庫(kù)、實(shí)驗(yàn)視頻、課程設(shè)計(jì)展示、學(xué)生創(chuàng)新作品展示、考研教學(xué)資料、科技論文等。超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)功能強(qiáng)大，具有提交批改作業(yè)、討論、通知、測(cè)試、答疑功能，為學(xué)生線(xiàn)上、線(xiàn)下學(xué)習(xí)提供便利。學(xué)生按照教學(xué)計(jì)劃，自由安排時(shí)間觀(guān)看授課視頻，參與網(wǎng)上互動(dòng)，完成章節(jié)測(cè)試和作業(yè)。

課堂教學(xué)在學(xué)校智慧教室進(jìn)行，教師每周排四小時(shí)見(jiàn)面課，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，圍繞知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)任務(wù)與活動(dòng)設(shè)計(jì)，采用案例式、探究式等多種教學(xué)方式進(jìn)行線(xiàn)上、線(xiàn)下混合式教學(xué)實(shí)踐，促進(jìn)師生之間、學(xué)生之間的交流，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

改革前的機(jī)械課程設(shè)計(jì)通常安排在理論課結(jié)束以后進(jìn)行，學(xué)生在兩周的時(shí)間內(nèi)完成帶式輸送機(jī)減速器的設(shè)計(jì)，繪制裝配圖和零件圖，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。改革后的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)和理論課同步進(jìn)行，學(xué)生提前準(zhǔn)備題目，有較充分的時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備，有助于創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

對(duì)學(xué)生成績(jī)的考核評(píng)價(jià)方式由過(guò)去單一的終結(jié)性評(píng)價(jià)變?yōu)槎嘣己司C合評(píng)價(jià)，其中線(xiàn)上學(xué)習(xí)成績(jī)占10%，實(shí)驗(yàn)、線(xiàn)下平時(shí)成績(jī)占20%，期末測(cè)試成績(jī)占70%。過(guò)程性評(píng)價(jià)基于大數(shù)據(jù)，記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)發(fā)展。

2.3 重視實(shí)踐教學(xué)

針對(duì)課程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，結(jié)合學(xué)校辦學(xué)定位和人才培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)校教學(xué)團(tuán)隊(duì)將先進(jìn)技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，重視對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)?；跈C(jī)器視覺(jué)技術(shù)研發(fā)多種機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝備，包括齒輪傳動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[5]、螺栓連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、鍵連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)類(lèi)別由原來(lái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展為以測(cè)試分析為主、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的多類(lèi)型實(shí)驗(yàn)。改革后的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

表1 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及類(lèi)別

教學(xué)實(shí)踐表明：上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目增加了實(shí)踐教學(xué)對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的覆蓋，解決了實(shí)驗(yàn)技術(shù)落后、實(shí)驗(yàn)方法單一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單、缺乏創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，教學(xué)效果良好，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力。其中創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，還可用于實(shí)際工程檢測(cè)。

在課程學(xué)習(xí)期間，教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師指導(dǎo)學(xué)生參加挑戰(zhàn)杯、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽等多種學(xué)科創(chuàng)新競(jìng)賽，獲得多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。這種項(xiàng)目式學(xué)習(xí)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力，為其未來(lái)從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作、解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究基于“兩性一度”金課標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)重構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)課程體系，導(dǎo)入課程思政元素，在超星學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺(tái)建設(shè)在線(xiàn)課程，改革教學(xué)模式，在智慧教室進(jìn)行線(xiàn)上、線(xiàn)下混合式教學(xué)實(shí)踐，基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)生參加機(jī)械創(chuàng)新大賽等多項(xiàng)教學(xué)改革，使機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。改革后的機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容豐富，教學(xué)形式多樣，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維方面發(fā)揮了積極作用。