項(xiàng)目教學(xué)法在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的實(shí)踐

孫建芳

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 501640）

0 引言

新工科建設(shè)背景下需要培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，同時(shí)需要提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學(xué)科交叉融合、自主終身學(xué)習(xí)、溝通協(xié)商能力和工程領(lǐng)導(dǎo)力[1，2]。項(xiàng)目教學(xué)法[3-5]主要是“以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”的模式開展教學(xué)，這樣的教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)的由“教師講，學(xué)生聽”的教學(xué)模式，創(chuàng)造了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式，經(jīng)過一定時(shí)期的探索與實(shí)踐已取得了良好的教學(xué)效果。“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程作為機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性，是培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的重要課程。新工科建設(shè)要求同樣為對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)”的教學(xué)實(shí)踐提出新的需求。

筆者基于項(xiàng)目教學(xué)法的“機(jī)械設(shè)計(jì)”探究性實(shí)踐教學(xué)實(shí)踐已進(jìn)行了多個(gè)周期的全課程，本文對(duì)此做一點(diǎn)梳理，以求在總結(jié)中提高，在提高中推進(jìn)。

1 存在問題

（1）缺少與典型項(xiàng)目相關(guān)的“機(jī)械設(shè)計(jì)”拓展知識(shí)的更新。傳統(tǒng)的“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)主要內(nèi)容包括常用機(jī)械零件的類型和選擇、靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、熱分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。課程“門類多、關(guān)系復(fù)雜、要求多、公式多、圖表多”，學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用多數(shù)局限在傳統(tǒng)的減速器課程設(shè)計(jì)。這些內(nèi)容或選擇的內(nèi)容教學(xué)無法融入“以賽促學(xué)，賽教結(jié)合”的理念，無法實(shí)現(xiàn)與賽事或研究項(xiàng)目相關(guān)的“機(jī)械設(shè)計(jì)”拓展知識(shí)。

（2）學(xué)生缺乏主動(dòng)參與項(xiàng)目和探索創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)中很少引入與課程相關(guān)的典型項(xiàng)目，無法實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)并逐步形成以項(xiàng)目為中心引導(dǎo)學(xué)生和以小組為單位進(jìn)行項(xiàng)目研討的教學(xué)方法，學(xué)生無法通過問題探究的方式提高綜合設(shè)計(jì)能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

2 基于項(xiàng)目教學(xué)法的“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)改革

2.1 課程內(nèi)容的改革

“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于全國機(jī)械設(shè)計(jì)大賽主題、學(xué)生研究計(jì)劃（SRP）和省級(jí)（或校級(jí)）教研項(xiàng)目，并根據(jù)學(xué)生完成各個(gè)項(xiàng)目的具體情況，總結(jié)一些典型的、有實(shí)用價(jià)值的項(xiàng)目，結(jié)合學(xué)生的興趣，確定必備的知識(shí)點(diǎn)，再將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，并根據(jù)不同學(xué)生個(gè)體的知識(shí)構(gòu)成、成長經(jīng)歷等差異性，確定了基于項(xiàng)目教學(xué)法的“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)改革的典型實(shí)踐項(xiàng)目，見表1。

表1 基于項(xiàng)目教學(xué)法的“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)改革的典型實(shí)踐項(xiàng)目

2.2 多樣性知識(shí)融合的教學(xué)模式

將典型實(shí)踐項(xiàng)目引入“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)就是圍繞項(xiàng)目將基礎(chǔ)理論知識(shí)打散重構(gòu)，在這一過程中需構(gòu)建多樣性的教學(xué)形式進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分析。這樣的理論講解不僅容易被學(xué)生接受，還能讓他們?cè)趯?shí)踐項(xiàng)目中根據(jù)自身的專業(yè)架構(gòu)主動(dòng)進(jìn)行知識(shí)的轉(zhuǎn)化和完善；另外，教師針對(duì)不同的項(xiàng)目提出修改意見并剖析理論知識(shí)點(diǎn)，教師在課堂上由主導(dǎo)者變?yōu)閰⑴c者，學(xué)生由被動(dòng)接受知識(shí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)探索；教師鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用各種科技手段獲取知識(shí)并分組討論，使學(xué)生在交流和合作中相互融合、碰撞靈感中提高自己的創(chuàng)意能力。這里以“FDM 3D打印示教機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用”為例，給出基于“項(xiàng)目教學(xué)法”的“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)活動(dòng)的授課拓展知識(shí)要點(diǎn)，見表2，主要采用翻轉(zhuǎn)課堂[6]講授所涉及的知識(shí)要點(diǎn)。

表2 基于項(xiàng)目教學(xué)法的“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)活動(dòng)的授課拓展知識(shí)要點(diǎn)

2.3 師資隊(duì)伍的建設(shè)

教師對(duì)每個(gè)項(xiàng)目以小組進(jìn)行輔導(dǎo)時(shí)，需掌握大量的信息和具有很高的技能，因此教師必須關(guān)注前沿、樂于創(chuàng)新，不斷提高教育教學(xué)水平，只有這樣才能滿足學(xué)生的需求；另外，教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和找出差距，樹立終身學(xué)習(xí)的觀念，博覽群書，廣獵知識(shí)，方能滿足自身及學(xué)生的需求。因此，采取基于項(xiàng)目的教學(xué)模式進(jìn)行“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)實(shí)踐，可以極大地促進(jìn)師資隊(duì)伍的建設(shè)。

2.4 考核體系和激勵(lì)機(jī)制的建立

項(xiàng)目考核是過程性考核加終結(jié)性考核，且以過程性考核為主導(dǎo)。另外，建立良好的激勵(lì)機(jī)制，結(jié)合學(xué)生參與項(xiàng)目要求，定期評(píng)比，選擇優(yōu)秀作品進(jìn)行展示，給予高分及精神激勵(lì)，形成競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。學(xué)生在參與項(xiàng)目過程中，也鼓勵(lì)學(xué)生積極參與其他不同級(jí)別的機(jī)械設(shè)計(jì)大賽，并結(jié)合賽事最終結(jié)果給予獎(jiǎng)勵(lì)，篩選出優(yōu)秀者參加高級(jí)別賽事。

3 基于“項(xiàng)目教學(xué)法”的“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)實(shí)踐

華南理工大學(xué)機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在2015年-2021年期間，對(duì)機(jī)械電子專業(yè)和機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)的本科生進(jìn)行了基于“項(xiàng)目教學(xué)法”的“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，取得了良好的教學(xué)效果。這里以“FDM 3D打印示教機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用”進(jìn)行典型案例分析?！癋DM 3D打印示教機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用”典型案例的具體教學(xué)實(shí)踐過程如下：

（1）學(xué)生大量查閱DM 3D打印機(jī)的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，采用以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式講授“FDM 3D打印示教機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用”的拓展知識(shí)要點(diǎn)，具體地，將課前知識(shí)傳遞、課堂知識(shí)內(nèi)化和課后知識(shí)鞏固與拓展三個(gè)環(huán)節(jié)貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，并積極發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動(dòng)性。

（2）學(xué)生結(jié)合軸、滾動(dòng)軸承、鍵和齒輪等“機(jī)械設(shè)計(jì)”的傳統(tǒng)知識(shí)和“FDM 3D打印示教機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用”的拓展知識(shí)，采用Solidworks軟件進(jìn)行FDM 3D打印示教機(jī)三維建模，該模型主要由機(jī)架1、噴頭擠出裝置2、同步輪3、同步帶4、送絲機(jī)構(gòu)5、熱床6和滾珠絲桿裝置7組成，如圖1（a）所示。

（3）在三維建模的基礎(chǔ)上，組裝3D打印示教機(jī)實(shí)物，并依據(jù)項(xiàng)目要求通過小組自評(píng)、互評(píng)與討論，最終完成參與項(xiàng)目且在課堂上進(jìn)行優(yōu)秀成果展示，優(yōu)秀作品實(shí)物如圖1（b）所示。

（4）選用自行設(shè)計(jì)和組裝的3D打印示教機(jī)，進(jìn)行“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、輪系、螺紋連接、軸系等典型教具三維建模和3D打印，其中3D打印差動(dòng)輪系教具，如圖1（c）所示。

學(xué)生在參與該項(xiàng)目過程中，將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)為實(shí)踐應(yīng)用，極大地培養(yǎng)學(xué)生探究問題能力，并滿足學(xué)生主動(dòng)融入機(jī)械設(shè)計(jì)工程的需求，同時(shí)為學(xué)生完成其他機(jī)械專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

圖1 FDM 3D打印示教機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

4 結(jié)語

將項(xiàng)目教學(xué)法引入“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，教師能夠?qū)⒄n堂理論知識(shí)從專業(yè)的角度融入到典型項(xiàng)目，加強(qiáng)了學(xué)生的知識(shí)轉(zhuǎn)化能力，讓學(xué)生能夠達(dá)到以賽促學(xué)的效果，還在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，增強(qiáng)集體創(chuàng)造力?；凇绊?xiàng)目教學(xué)法”的“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)改革是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、推動(dòng)專業(yè)的發(fā)展和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑。在“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中需要進(jìn)一步整合和優(yōu)化典型實(shí)踐項(xiàng)目，以便更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生參與項(xiàng)目研究積極性，真正意義上實(shí)現(xiàn)“學(xué)以致用”。