新工科时代基于设计过程项目教学法的研究

徐艳敏 叶永权 何新英 张栋华

[摘           要]  新工科背景下为了提高工程教育的质量，分析了机械设计基础课程教学中存在的问题、学生的学习特点以及社会对人才的要求，确立人才培养目标。为了培养学生的工程意识、设计能力和创新素质，调动学生学习的主动性、探究性，改进了教学方法，提出了基于设计过程项目化教学法。将课程内容项目化，经过三年的研究与探索，解决了教学过程中如何机械设计基础课程的理论教学与课程设计实现无缝接轨的问题，提高了教学质量。

[关    键   词]  新工科;机械设计基础;设计过程;项目教学法

[中图分类号]  G712            [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2019）19-0080-02

新工科时代为了实现我国从工程教育大国走向工程教育强国的跨越，为了打造工程教育的新质量，进行了机械设计基础课程教学法的改革与探索。

一、教学过程中存在的问题

机械设计基础是一门理论性和实践性较强的专业基础课。过去的教学方法都是以教师传授为主，学生在学习过程中对所学知识停留于理论上，很难联系实际，到了机械设计基础课程设计环节学生常常不知从何下手，完成设计任务困难，设计时间拖延，课程设计难出优秀的设计作品。当代的大学生已经是1996年后出生的，经研究表明，当代学生注意力的集中时间一般不超过15分钟，如果仍然采用传统以教师为主导长篇累牍“满堂灌”的授课方式，已经不为学生所接受，根据学生的这些特点，教学方法的改革势在必行。

如何摆脱这种教学困境，实现理论教学与设计实践环节的无缝接轨呢？在新工科的背景下，如何提升学生的工程意识、设计能力和创新素质呢？

二、解决问题的途径

新工科时代我们培养的人才是要服务于社会、企业和地方经济的，根据对华南地区船舶、能源和机械制造业的调研，了解社会对各个工程专业的需求，了解智能制造与智能化生产设备，让师生清楚社会与企业发展状况。据此制定了相关工程等专业的人才培养方案，确定了人才培养目标——应用型高级工程师。另外，学校投入大量资金，建立机器人实训室，可以实现六自由度机器人的运动仿真，完成研磨加工、焊接和码垛等复杂作业，以实训室为基础，建立智能化的教学和科研平台。

从机械设计基础课程的角度，充分利用智能化的教学和科研平台仿真软件，从人才培养目标出发，从注重培养学生的工程意识、设计能力和创新素质的角度，改进教学方法，教学方法不能只是教师教授，更重要的是调动学生学习的主动性、探究性。

三、基于设计过程项目教学法总体设计

为了适应新经济、新产业的要求，机械设计基础作为专业基础课，从应用型高级工程师的培养规格出发，以工程為导向优化课程内容，基于零部件设计过程项目化教学内容，教师起到引导作用，学生先熟悉理论知识，在常用零部件或机构的设计项目实践过程中去掌握和运用理论知识。边学习理论知识，边动手设计，内容学完了，就可以达到设计出相关的零部件或机构的教学目标。在设计时，明确设计方法与思路，巩固所学理论知识与设计方法。培养学生通用零部件选用、设计和创新的能力，解决工程设计问题。

从实践性和应用型角度入手，以零部件为载体，按照由简单到复杂、由部分到系统的原则设计教学方案。将课程内容分成为十一个项目：（1）机构有确定相对运动条件的设计;（2）平面连杆机构设计;（3）凸轮机构设计;（4）螺纹连接件的选用;（5）齿轮的设计;（6）带传动设计;（7）链传动设计;（8）轴的设计;（9）轴承的选用;（10）键的选用;（11）创新项目设计。这些项目的学习过程与零部件的设计过程相匹配。

通过学习，使学生具有选用通用标准零部件、设计常用机械零部件和机械传动机构能力，还具有创新设计的能力，为成为卓越型工程师做好职业能力储备。

四、基于设计过程项目教学法举例

项目一 机构有确定相对运动条件的设计

步骤一，知识准备，通过翻转课堂让学生先通过网络学习，自由度及机构有确定运动的条件;课堂举例分析机构自由度;实训室示范六自由度机械人的运动

过程。

步骤二，提出问题。如图1所示为一简易冲床机构，原动件凸轮2作逆时针匀速转动，经过摇杆3带动导杆4实现冲头的上下冲压动作。图b为其机构运动简图。试分析该机构设计方案有无错误。若有，应该如何修改？试绘出正确的机构运动简图。

步骤三，解决问题方案。通过学生分组讨论，对机构运动简图分析得到下列结论，该机构共有4个构件，其中活动构件n=3，低副PL=4，高副Ph=1，所以自由度F=3n-2PL-Ph=3×3-2×4-1=0<1，故这个简易机床机构设计错误，它没有确定的相对运动。要想使机构设计合理自由度必须是大于等于1的整数。

根据机构设计合理性的要求，学生提出了图2中的3个设计方案，经过分析，得到如下结论：图2（a）、图2（b）、图2（c）中自由度F=3n-2PL-Ph=3×4-2×5-1=1=原动件个数，满足F≥1的条件，所以（a）、（b）、（c）的设计方案是合理的。

步骤四，建模与仿真。为了提高学生进一步学习专业的兴趣，形象直观地表达出机构运动情况，利用建模与仿真技术对上述机构进行仿真，如图3。

通过项目一的教学设计和学习，使学生从设计过程中掌握机构自由度的计算以及用机构自由度来判别机构设计的合理性，基于设计过程将理论知识牢固掌握并有比较深刻的认识，同时培养了学生多维思考的创新能力。

五、结论

基于设计过程项目化的教学法不同于传统教学方法，传统的教学法教师以口授、板书、演示为特征进行传授，学生以耳听、手记、练习为特征的刺激强化方式来学习;基于设计过程项目化教学法教师以启发、诱导、点拨为特征授课，学生学习方式具有自主、协作、探究的特征。

从2016年至2018年，基于设计过程的项目教学法在机械设计基础教学过程中进行推广和实施，经过统计参与项目学习的学生有2个专业12个班级，学习人数达到948人，最后落实到实践环节机械设计基础课程设计，其情况如下表。

通过对比2015年、2016年、2017年和2018年学生做的机械设计基础课程设计，随着项目实施的深化，教师经验的累积，发现学生课程设计的质量有明显提高，设计完成速度加快了，2018年达到了优秀率10%，按时完成率95%的理想目标。这说明基于设计过程的项目教学法提升了学生的设计能力、实践能力和知识的应用能力。解决了机械设计基础理论教学与课程设计实现无缝接轨的问题，提高了教学质量。

参考文献：

[1]李华，胡娜，游振声.新工科：形态、内涵与方向[J].高等工程教育研究，2017（4）.

[2]夏建国，赵军.新工科建设背景下地方高校工程教育改革发展刍议[J].高等工程教育研究，2017（3）.

[3]张川，王保文.面向新工科培养模式的汽轮机原理课程教学方法的思考[J].教育教学论坛，2018（10）.