基于工作室的机械设计系列课程创新教学模式探讨

马登秋,叶振环,熊飞峤,吴有林,安 玉

（遵义师范学院工学院，贵州遵义563006）

制造业——立国之本、兴国之器、强国之基，乃我国国民经济的主体，提升我国制造业国际竞争力，有利于提升综合国力、保障国家安全和建设社会主义强国[1]。为此，我国印发了实施制造强国战略第一个十年行动纲领——《中国制造2025》[2]，以“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优先、人才为本”为指导方针，力争通过努力奋斗，到建国一百年时，把我国建设成为引领世界制造业发展的制造强国，为实现中华民族伟大复兴的中国梦打下坚实基础。

“科技强国、人才兴国”，人才是《中国制造2025》的基石，若没有“充足科技人才”保证，制造业必定犹如“空中楼阁”，华而不实。为此，中华人民共和国教育部、人力资源和社会保障部、工业和信息化部联合印发了《制造业人才发展规划指南》，健全人才培养体系，创新人才发展体制机制，为实现制造强国的战略目标提供人才保证[3]。

遵义师范学院“机械设计制造及其自动化”专业秉承“扎根西部，服务地方”的办学理念，培养德、智、体、美等全面发展，掌握机械设计制造及其自动化专业的基本理论、基本知识、基本技能、方法及其相关知识，能够从事机械产品设计、制造、科技开发、运行管理、经营销售、生产管理等领域工作的“高素质、强能力、应用型”专门人才，为我国制造业人才队伍添砖加瓦。该专业机械设计系列课程主要包括机械制图、机械原理、机械原理课程设计、机械设计、机械设计课程设计及互换性与测试测量技术等课程，具有授课内容范围广、理论性和实践性强等特点，不仅要求学生掌握机械基础零件的基本知识、表达方式、理论和设计方法，更要具有动手实践能力、创新能力、工程管理及团队协作能力[4-7]。但是，随着社会经济的发展，“教师讲授知识，学生被动接收知识与完成作业任务”的传统教学模式存在诸多问题，已经无法适应地方经济高速发展和培养新型多功能人才的需要。同时对我校的转型发展及学生个性化的学习成长极为不利。为此，本文基于工作室学习模式，探讨机械设计系列课程的创新教学模式，以满足新环境、新常态、新工科的需求。

1 传统的机械设计系列课程教学存在的不足

1.1 课程教学模式

目前，传统的机械设计系列课程在课程教学模式上存在教学理念落后、教学内容不连贯等问题，无法满足新形势、新常态、新工科背景下学生个性化发展、学校应用型本科转型、地方乃至国家经济发展的需求，亟需解决相关问题。

1.1.1 教学理念落后。部分教师受传统或师范类教学思维的影响，在教学中多采用“填鸭式”的教学方法，学生以教师为中心，以授课内容为主线，刻苦学习，力求能解决习题，考试获得高分，学校犹如大批量生产通用规格的“产品”——学生的工厂，这严重限制了学生的思维，难以有效地提高大学生的创新能力，难以满足学生个性化的发展，所培养的学生难以满足新时代社会的需求。

1.1.2 课程教学不连贯。遵义师范学院“机械设计制造及其自动化”专业的学生，在一年级接受为期一年的机械制图培训，在二年级接受机械原理、机械设计和互换性与测试测量技术学习，其间虽然穿插了机械原理课程设计和机械设计课程设计实践，但在机械原理、机械设计、机械原理课程设计、机械设计课程设计及互换性与测试测量技术等理论和实践课程中，只注重本门课程内容的学习，课程教学内容单一，分散性强，不具有综合性。例如：机械原理课程设计只注重传动结构方案的设计，不重视甚至不涉及机械制图零件几何特征表达、尺寸标注等内容；机械设计课程设计重心基本放在机械结构强度设计，轻视制图环节，通常只有系统装配图，无法实现机械设计与制图的综合训练。

1.2 课程教学内容

在新形势、新常态、新工科背景下，机械系统产品的设计和制造理念、过程及方法已逐渐改变，引入CAD、CAM、CAPP、CAE及创新设计方法等技术，对机械类的机械设计系列课程教学提出了更高要求，但是目前的课程教学内容却滞后。譬如，机械制图课程注重零件二维图手绘教学，不重视二维图计算机CAD制图，三维建模教学，二维与三维相互转换训练不足，所培养的机械类毕业生无法满足企业在计算机制图、三维设计能力等方面的要求。机械设计课的教学内容多围绕常规零件的功能分析、失效形式、设计准则、受力分析、性能指标计算及材料选择等讲解，缺乏新型零件设计的讲解，如机器人关节中大规模使用的谐波齿轮减速、行星齿轮减速器等新型传动技术。此外，机械设计讲解的设计方法虽然经典，但也比较单一与滞后，缺少先进设计技术介绍，如创新设计方法、现代设计方法及CAE技术等。机械原理课程，内容多且杂，大量经验公式、国家标准、国家及行业规范，教学基本为理论教学，抽象空洞，课程知识吸收率低。因此，亟需解决相关问题。

1.3 实验实践教学

遵义师范学院在机械设计系列课程中开设的实验实践教学课程，主要是机械设计课程设计和机械原理课程设计，目前也在积极探索以16+2（实践周）“专业技能训练”作为实验实践教学的补充。其中，机械设计课程设计和机械原理课程设计存在以下问题：

1.3.1 课程设计命题陈旧且单一，缺乏现代设计内容。机械设计课程设计，主要是根据机械设计所学内容对通用二级齿轮减速器进行设计，主要内容为方案设计、传动系统设计、装配绘制以及设计说明书编制，该命题相关设计技术指导书成熟，网络资源丰富，学生完成相关任务时基本是依葫芦画瓢，查手册、套公式、修改数据，整个过程就是仿制，且难免有部分学生存在抄袭、买卖现象，严重影响教学秩序和教学质量。同时，该课程设计制图方面，只重视二维装配图，不涉及二维零件图、爆炸图和三维建模及装配的训练，不能满足机械设计综合训练的要求。

1.3.2 课程设计设计方法和手段落后。如机械设计课程设计，因受制于设计命题的影响，该课程设计主要是针对减速器中带传动、齿轮传动、轴系零件按照强度、寿命或者经验等进行设计，然后手绘二维装配图，存在设计质量差、工作量大及实践内容抽象等问题。

2 基于工作室的机械设计系列课程教学模式创新

2.1 基于工作室的教学模式创新

由于现行课程教学模式存在教学理念落后、教学内容不连贯等问题，无法满足创新型人才培养的需求。因而，笔者提出基于工作室的创新教育教学模式，该模式由“常规课堂”+“工作室课堂”构成。其中，“常规课堂”基本以教师为中心，以授课为主，侧重每门课程的基本知识普及教育，同时兼顾部分学生个性化教育。基于工作室的创新教育教学模式的核心在于“工作室课堂”，该课堂以具有创新能力和专业技能的教师组成指导团队，指导团队为“工作室课堂”教学活动的主要引导者和组织者。

在教学理念上，该课堂倡导“以学生为中心，以学为中心”，推行问题导向、启发探讨式、案例分析式、实践参与式教学，激发学生对机械专业知识的渴求，提升学习动力，引导学生由重视学习结果（考试分数）转变为重视学习过程。以遵义师范学院125机械仿真工作室为例，在教学活动中定期举行指导教师专题报告、学生科技报告、科技问题分析、职业技能训练、“头脑风暴”、趣味科技活动以及学习经验交流会等。通过观察发现，工作室同学在思维能力、团队意识、交流能力、职业技能、创新设计能力以及实践能力等方面优于普通学生。此外，“工作室课堂”上推行“传帮带”学习模式，机械仿真工作室学生由大一至大四各年级学生构成，各个年级的同学在知识结构上必然存在差异，在平时学习活动中学生之间可以相互开展知识传授、学习帮助、学习领路等活动，如2017级学生教授2018级学生三维建模技能、2016级学生教授2017级学生机械制造工艺知识、共同探讨双“8”字无碳小车结构设计等。“以学生为中心，以学为中心”的教学理念和“传帮带”的学习模式极大地满足了学生个性化发展，切合学校应用型本科转型、地方乃至国家经济发展的需求。

在课程教学上，传统教学方式只注重本门课程内容的学习，课程内容教学单一，分散性强，不具有综合性。所以，“工作室课堂”主要解决的问题就是将各门课程串联起来，形成一个课程体系。为此，工作室依托遵义师范学院工学院教学平台，构建“三层次-三模块-四结合”基于工作室的多课程交叉融合创新教学体系（图1所示）。三模块为机械制图模块、机械原理模块和机械设计模块；四结合为与科研结合、与学科竞赛结合、虚实结合及理论结合；具体路径为科研训练、“头脑风暴”、趣味科技、学科竞赛、职业技能训练以及企业课题进行串联与训练，如指导教师课程培训、全国大学生创新训练计划项目、慧鱼工程技术创新训练、全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生工程技能综合训练大赛、指导教师科研项目子课题及工作室技术交流会等，以求将各门课程串联起来，达到基础训练、综合训练以及创新训练等三个层次。

图1 基于工作室的多课程交叉融合创新教学体系

2.2 基于工作室的教学内容体系创新

如图1所示，基于工作室多课程交叉融合创新教学体系，除将各门课程串联起来形成一种课程体系、将碎片化知识形成系统性知识外，还为机械设计系列课程教学内容注入了新鲜血液，弥补了教学内容滞后的短板，满足了机械产品因设计和制造理念、过程及方法改变而提出的新要求。在机械制图方面将手绘机械制图、AutoCAD、三维设计软件UG或SolidWorks及尺寸和形位公差等有机结合起来，以培养学生阅读和绘制机械零件图、装配图、爆炸图、三维制图以及工程图标注的能力为主线。在初级阶段强调零件表达、手绘制图及AutoCAD能力培养，中级阶段强调三维模型设计、装配图和爆炸图以及三维与二维之间双向思维能力培养，高阶阶段在机械制图中注入配合、尺寸公差形状与位置公差，工作室通过大作业或者学科竞赛实践综合训练学生制图能力。在机械设计方面引入创新和现代先进设计方法及新型传动技术，例如介绍TRIZ创新设计思维、机构创新设计与三维造型设计等，为缩短产品开发周期引入CAD与CAE技术、运动学与动力学分析和3D打印技术，同时也以讲座论坛方式介绍谐波齿轮减速、行星齿轮减速器、圆弧齿线圆柱齿轮及高速航空轴承等新型传动技术；在机械原理方面克服抽象空洞，课程知识吸收率低等问题。引入机械工程教学课程演示设备，服务于本专业的认知教学与专业课的辅助教学，设备涵盖了机械原理、机械设计、公差配合与技术测量、机械工程材料等相关认知内容，对机械专业低年级同学提供了极大帮助。

2.3 基于工作室的实验实践教学创新

实验实践教学历来是本科工程类专业必不可少的环节，是人才培养的重要支撑，但目前我校16+2实践周“专业技能训练”、机械设计课程设计和机械原理课程设计等本科工程实验实践教育还存在不足之处，对于我校应用型本科转型发展的推动作用不明显。基于此，笔者提出机械设计制造及其自动化专业工程实验实践教学以科研项目与学科竞赛为载体，以机械创新工作室为基地，通过“以教孵项，以教孵赛、以项促教，以赛促教、学与做交融”的方式，将课程学习、创新设计能力和工程试验时间能力融合在学生综合能力培养的整个过程中。

以教孵项，以教孵赛。主要体现在“项”和“赛”两个字上。项，即国家级大学生创新创业训练计划项目与指导老师科研项目；赛，即国家和省部级学科竞赛，例如全国大学生工程训练综合能力竞赛、全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生机器人设计大赛以及贵州省“贵安杯”青少年3D打印创意设计大赛等。在“专业技能训练和课程设计”教学中，以科研项目或各项赛事为主题（学生可以任选一项），取代传统减速器课程设计等，通过“方案设计+技术设计+二维和三维图纸设计+实物加工与制作+作品运行+发表论文/申报专利+全过程工作室教师指导”作品/产品设计制作的全过程教学主线，建立从理论学习、动手实践到探究式学习，且兼顾学生个性化发展的教学链条，实现机械设计系列课程理论教学、创新设计与实验实践的有机融合。

以项促教，以赛促教。在“方案设计+技术设计+二维和三维图纸设计+实物加工与制作+作品运行+发表论文/申报专利+全过程工作室教师指导”教学主线中，一方面，每一个具体环节都需要学生充分地调研，分门别类地学习相关知识，并与指导老师进行探讨，这个过程中的任何一个活动其实都是通过实践整合分散性知识，查漏补缺，自主获取新知识；另一方面，阶段性成果汇报及展示，工作室不同年级、不同项目同学相互交流，进行查找问题与知识普及。两方面结合，教师及时调整教学内容与方法，学生及时补充知识，查漏补缺，真正做到以项促教，以赛促教。

学与做交融。以轴承为例，在机械设计课程教学过程中，轴承分类只涉及到滑动轴承、深沟球轴承、角接触轴承、圆锥滚子轴承以及滚针轴承等滚动轴承的介绍，但工作室学生在第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛“S环形”和“双8字”无碳小车结构设计中，为了解决两个后轮差速问题提出使用“单向轴承”，为了减小转向机构摇杆的摩擦，提出使用“直线轴承”，为了方便轴上零件轴向固定，提出使用“挡边轴承”。此外，在本次全国大学生工程训练综合能力竞赛中，工作室同学在老师指导下学会了数控车床、数控铣床、锯床、线切割机床、3D打印机、丝锥和板牙等设备和工具的使用，学会了数控编程，对机械制图、机械设计、机械加工工艺加深了理解。真正实现“学”中有“做”，“做”中有“学”，“学”与“做”相融合，增强学生的创新设计与工程实验实践能力。

在基于工作室的实验实践教学中，遵义师范学院机械仿真工作室自2017年6月成立以来，在第六届全国大学生工程技能综合训练大赛中获得国家二等奖2项、国家三等奖1项、贵州省一等奖2项、贵州省二等奖2项；在第八届全国大学生机械创新设计大赛（慧鱼组）中获得国家三等奖1项；在第三届贵州省“贵安杯”青少年3D打印创意设计大赛中获得二等奖三项、三等奖一项；立项国家级大学生创新创业训练计划项目2项、省级大学生创新创业计划训练项目1项，其中省级项目“钱币分离清点机设计”于2019年6月总评以“优”等次结题；发表省级以上科技学术论文3篇，申报专利1项。也因此基于工作室的创新教学模式获得贵州省教学成果三等奖。目前工作室正在积极备战贵州省第四届“贵安杯”青少年3D打印创意设计大赛和第九届全国大学生机械创新设计大赛，期望取得优异成绩。

3 结语

“科技强国、人才兴国”，人才是《中国制造2025》的基石，是实现制造强国战略目标的保障。机械设计系列课程是培养学生综合应用所学知识分析和解决工程实际问题的能力，培养学生机械创新设计能力、创造性思维和工程实验实践能力的重要课程。基于工作室模式的机械设计系列课程创新教学模式，在课程教学模式、课程教学内容和实验实践教学三方面进行改革，教学模式上提出“常规课堂+工作室课堂”；教学内容上提出“三层次—三模块—四结合”基于工作室的多课程交叉融合创新教学体系，强调教学内容先进性、串联性和综合性；在实验实践教学上提出“以教孵项，以教孵赛、以项促教，以赛促教、学与做交融”，将课程学习、创新设计能力和工程试验时间能力融合在学生综合能力培养整个过程中。通过两年的实践检验表明，基于工作室模式的机械设计系列课程创新教学模式，有利于学生创新设计能力与工程实验实践能力的培养，有利于学校应用型技术本科转型的发展，该创新教学模式获得贵州省教学成果三等奖。