基于目标导向组织机械设计课程教学的探索

穆玺清　张继林

[摘 要]工程能力是工科专业本科生应具备的一种关键能力。该研究探讨在OBE理念下以培养解决复杂工程问题的能力为目标，以设计出符合要求的机械结构教学为导向，开展了机械设计课程教学探索。这个教学过程通过梳理课程目标，重新构建课程体系，以设计项目具体产品为主线，采用案例项目引导、讨论式课堂授课、增加实操环节以及多元化的评价措施，在突出以学生为中心的实施过程中使教与学有机融合，从而使学生的学习主动性得到调动以及其判断和解决工程问题的能力得到有效提升。

[关键词]机械设计;目标导向;高校教学

[中图分类号] G642.421 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）11-0057-03

我国产业经济的飞速发展，对工科类专业本科生工程能力的要求不断提高。教育部开展基于学习产出（OBE）标准的工程专业认证和管理，是对高校调动学生学习探索的积极主动性、培养学生发现和解决工程实际问题能力等要求的全面落实[1]。机械设计是机械大类专业培养学生机械设计能力的学科专业基础课程，是一门理论性和实践性很强且直接面向实际设计应用的课程[2]，在培养学生工程专业意识、机械专业思维、综合分析和解决专业实际问题的能力方面占有重要地位。这门课程总共有56学时（其中实验8学时），3.5学分。

从结构出发设计出合理的具体完整机器是学习机械设计课程的最终目的。如何使学生更深刻地理解机械设计内涵，如何使学生感兴趣且深入地学习课程内容，如何使学生的分析和设计能力得到提升，这些都是施教者经常思索和探究的问题。机械设计课程的概念、名词、公式、图表众多，而且大量的公式、国家标准、规范与课程内容融合交织，具有内容杂、重点不突出的特点，因此存在学生普遍感到内容零乱、把握不住重点等问题。设计机器没有固定模式，但一般要经历产品规划，方案设计，技术与施工图设计以及产品试制、调试与鉴定等阶段。以能力培养为目标、以具体结构设计为导向，将具体机器的制造和图纸设计穿插在课程教学过程中，有助于提高教学质量、获得良好教学效果。其具体做法主要有以下几方面。

一、根据人才培养方案制订机械设计课程目标

机械设计课程组依据机械设计制造及其自动化专业人才培养方案要求以及课程支撑毕业要求指标点1.2、2.2、3.3、6.2、10.1，使學生在工程知识方面具有解决机械制造及其相关领域复杂工程问题所需的工程基础和专业基础知识及其应用能力;在问题分析方面能够基于机械工程科学原理，提出机械制造及其相关领域复杂工程问题的解决方案;在设计/开发解决方案方面能够基于设计方案进行设计计算，完成机器总体结构、零部件及其相关工艺设计，并能用模型、图纸、程序、设计报告等进行合理表达;在工程与社会方面能够基于机械工程材料、机械设计与制造技术等工程知识，合理评价机械产品和制造技术对社会、安全的影响;在沟通和交流方面能够通过报告、设计图纸和论文等形式与同行进行有效沟通，陈述自己的想法。

课程组基于OBE理念，以学生为中心，以工程能力培养为原则，按照人才培养方案中的毕业要求对课程赋予的指标和关联关系，将机械设计课程教学分为理论教学、实验教学、大作业（作业）指导三大环节，通过各环节的协调互补，使学生能够掌握机械设计基本理论，具有机械设计能力、机械零件（机械系统）实验能力、工程问题的解决能力;同时通过对课程教学模式、课程教学内容及课程教学方法的探索与改革，将提高解决工程问题的能力贯穿于教学过程的各个环节，由此梳理和确定机械设计课程目标[3]。

目标1：掌握常见通用零件的工作原理、特点、失效形式和设计准则等基本知识，具有根据使用条件选择和校核的能力。

目标2：熟悉机械工程领域的设计规范和技术标准，对各种通用零件进行设计计算、结构设计和结果修正。

目标3：能够将通用零件的设计理论与方法应用于具体机械或系统传动装置技术中，具有综合运用设计方法分析或解决具体工程问题的能力。

目标4：能够通过设计报告或设计文件表述或撰写机械传动装置及其主要零件设计问题。

课程目标注重要求学生对机械设计的基本原理、基本知识和基本理论的掌握，注重学生分析解决问题能力和工程实际应用能力的培养。

二、将案例、项目贯穿于教学全过程的组织

机械设计课程的教学组织以毕业要求和课程目标为基础以及以毕业要求的能力达成为目的展开。可将机械设计课程教学体系分为课堂教学、实验教学和课程设计三大部分，各部分既独立又相互交织[4]。课堂教学将案例与课程内容相结合，实验教学除了做实验还增加了与案例、项目有关的项目大作业，课程设计将案例方案优化后进行结构设计具体化。课程围绕案例、工程项目以及提出问题并解决问题的思路构建机械设计课程教学体系，将原有相互独立的部分加以有机融合，将案例或项目设计内容贯穿于课程教学的全过程。其教学过程组织如图1所示。

三、以学生为中心的教学模式的探索与实施

传统机械设计课程的教学模式存在教师满堂灌、内容多且课时紧张、学生学习被动且对教师的依赖性强、教师与学生之间是支配与被支配的关系等问题。因此，课程组通过多种教学方式方法和教学设计尝试，在激发学生学习兴趣、学生学习热情以及提高学生在教学活动中的参与度等方面做工作，改变传统授课方式，打造了以学生为中心的案例与知识点结合、学生与教师互动、学生由被动变为主动、教师由灌输变为引导的教学模式。

（一）用案例、项目引导学生的思考与探索

教师将学生已经完成的机械原理课程设计题目、参赛设计题目、工程实践项目或机械设计中出现的问题作为案例引入机械设计课堂教学中，从学生已有的理论和知识基础出发，引导学生围绕案例问题进行思索[5]，在思索学习中获得新知识，再随着案例问题的逐步解决使学生对新知识的理解加深，从而达到从“案例—教材内容—案例”途径获得和理解相关知识的目的，同时通过引入分析问题、启发解决问题的过程，达到培养学生分析解决工程实际问题的能力的目的。

零部件设计是设计一台完整的机器必不可少的步骤，它涵盖分析（场合、载荷）、设计（材料、结构）、制造（热处理、工艺）等多个环节。以设计案例产品为主线的课程讲解，串连起与产品设计相关的知识。以减速器、洗衣机的设计为例，通过预设功能实现和相关知识穿插实施教学，学生就会思考与该产品相关的很多问题，比如设计机器应考虑哪些因素、如何设计制造零部件等等。教师带着问题讲授，学生带着问题学习并按任务目标完成设计或项目大作业。教师在教学活动中是组织者、引导者和推进者，学生则是参与者、思考者、获得者，从而形成教师开展案例式、问题式、讨论式教学而学生开展追问式、探究式、参与式学习的教与学的氛围。将案例、项目贯穿于教学过程的始终，案例、项目问题的解决意味着课堂学习任务的完成，使学生在求索、追问中主动建构起机械设计理论和知识体系，加深相关知识的理解，促进专业人才培养方案的进一步落实。

（二）探索讨论式课堂教学模式

课程组按任务驱动的模式分解课程知识点，案例、项目的设计覆盖课程相关内容，将机械设计课程内容分成总论、常用机械零部件类型和选择、疲劳强度设计、摩擦学设计、结构设计以及静强度设计六个部分。学生按照“实践归纳—理论学习—再实践总结”模式參与到课程的学习中。课程组根据课程性质将上课教室设在实验室，学生以会议室围坐的方式就座，在学生的前方有多媒体屏幕及教师用黑板，在教室的左方、右方、后方再各放一块供学生讨论和商议书写所用的黑板。例如学习螺栓组连接件布置方式的问题时，教师设定条件，要求学生按不同布置方式分组验算和讨论。学生在自己组的黑板上写出结果，然后组内或各组之间相互比较、讨论和争辩，再由教师将各组最佳结果进行汇总，通过引导、比较并由学生分析得出最合理的布置方案，从而达成共识。这种讨论式课堂学生参与热情高、知识获得效果好。实验室教学依托实验教学设施使学生能够看得见、摸得着各种零件、各种机械传动，加强了学生对机械设计理论知识应用于实际并解决实际问题的直观感受，增强了学生将理论与实际工程问题的结合意识和解决实际问题的意识。

（三）加强知识的巩固与综合能力的提升

课后作业布置、批改和答疑也是学习过程中的重要环节。除正常发布课后作业、思考题外，课程组围绕以往学生在机械设计课程里普遍出现的问题，有针对性地安排2～3次项目大作业。比如键连接知识，学生通过课堂学习很容易掌握和应用，但是做课程设计要将尺寸、形位公差标注到相关零件图的键槽上时容易出现的问题很多。因此，课程组在学生学完键连接后专门安排一次既能选出和校核键连接又能正确标注键槽的与案例、项目有关的大作业，使学生的制图、公差、零件的相关知识得到综合应用，有助于学生深度理解标注与零件的关系。又如学生学习了带传动后，做设计带传动及画出带轮零件图的大作业，让学生第一次感受到将自己设计计算出的结果数据绘制成零件图纸的过程，并强调图纸就是工件成形的指令，从而在培养学生强烈工程意识[6]的同时让学生对先修课程及本课程内容的综合应用有了明确的感知，也培养了学生的综合分析应用能力。学生在学习了齿轮或蜗轮传动后，再做一次设计及绘制零件图的大作业，除了能够正确填写参数表，其绘制零件图的能力也得到了巩固，再经教师的批改和点评后，在后续机械设计课程设计零件图中出现的问题也得到了大幅度减少，从而提升了综合运用机械设计方法解决具体工程问题的能力。

四、多元化评价体系的构建

机械设计课程考核采用多元化评价体系[7]。评价项目有课堂出勤、课堂表现、大作业（作业）、实验和期末考试等，其中课堂出勤、课堂表现、大作业（作业）、实验属于学习过程考核评定内容。总成绩根据学习过程考核成绩和期末考试成绩综合评定，学习过程考核成绩占总成绩的40%、期末考试成绩占60%。其中学习过程考核成绩比例分配为课堂出勤（20%）、课堂互动中的参与程度（10%）、作业完成情况（30%）和实验（40%）。作业完成情况包括平时作业和大作业，各占50%。

五、结论

目标导向组织课程教学的方法在机械设计课程教学中的实践和应用，通过以学生为中心，案例、项目与教材内容结合，理论与实际结合，启发式与探究式结合以及教师与学生互动的教学方式，提高了学生的学习主动性和教学参与度，加强了学生的学习过程考核，课堂教学效果明显，学生实际设计能力有了提升。但还存在以下不足：（1）个别章节安排自学，有少数学生还想强化和深入学习相关内容，但受课时所限，很难顾及这些学生;教师尽管通过微信把机械设计学科的前沿内容、共同的疑难问题发送到学习群里了，但对学生是否了解了、是否感兴趣无法掌握。（2）课程组对各知识点归纳整理了选择题、简答题等，以便能及时了解学生在课前、课中及课后对知识的掌握情况。但在现有模式下能够实施的次数有限，而且对学生答题情况的记录也不够翔实等。

培养更多更好适应科学技术和社会发展需求的机械类人才，不断进行教学理念、教学模式、教学方式的探索和改革势在必行。提升解决复杂机械工程问题的能力需要在专业课程体系的各个环节中循序渐进、不断探索。发挥网络课程资源优势、充分利用在线学习平台、掌握学生的学习过程、探索与实践线上线下混合教学模式以及优化学生学习成果评价体系，都是课题组进一步探索和实践的方向。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 彭翔，李吉泉，姜少飞，等.面向工程能力培养的机械设计课程教学改革研究[J].机械设计，2018（S2）：179-181.

[2] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].10版.北京：高等教育出版社，2019.

[3] 刘瑛，刘洁，李佰洲.工程教育认证背景下机械设计课程的教学实践[J]机械设计，2018（S2）：339-342.

[4] 朱美华，奚鹰，陆佳玮，等.成果导向教育理念在“机械工程材料”教学中的实践[J].机械设计，2018（S2）：45-47.

[5] 胡文龙.基于CDIO的工科探究式教学改革研究[J].高等工程教育研究，2014（1）：163-168.

[6] 周震，凌益萍，董华青.基于工程精神与工程意识养成的拔尖创新工程人才培养路径研究[J].浙江工业大学学报（社会科学版），2015（1）：114-119.

[7] 潘懋元，陈春梅.高等教育质量建设的理论设计[J].高等教育研究，2016（3）：1-5.

[责任编辑：庞丹丹]