基于专创教科融合的机械设计教学研究

曹宪周 王明旭 晏丽

摘  要：针对传统机械设计教学方法和内容不适应高校“新工科”建设要求，通过学生专业学习与创新教育相融合、教师教学与科研相融合的教学实践活动，达到了机械设计的分析、综合和评价的高阶教学目标。

关键词：专创教科融合;机械设计;工程能力;创新能力;教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）07-0096-03

Abstract： The higher-level teaching objectives of analysis， synthesis and evaluation of mechanical design have been achieved，in view of the fact that the traditional teaching methods and contents of mechanical design do not meet the requirements of the construction of "new subjects" in colleges and universities， by the integration of students' professional learning and innovative education and the integration of teachers' teaching and scientific research.

Keywords： combination of professional education and innovative education， combination of teaching and scientific research; mechanical design; engineering capability; innovative ability; teaching reform

引言

《中國制造2025》中指出：新一轮的科技革命和产业变革使全球科技创新呈现出新的发展态势和特征，是信息技术与制造业的深度融合。转变发展方式、创新发展模式的国家战略、“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，不仅强调了人才的重要性，而且对人才培养也提出了明确要求。对粮食行业来说，（国家）“粮食物流业十三五发展规划”和“互联网+”智能制造，需要面向未来培养大量掌握粮食行业机械设计能力应用和现代信息管理技术、具有较宽的国际视野、具有较强的创新能力和竞争能力、能够对多学科工程问题开展研究和生产、能够适应时代发展的过程装备与控制工程专业的技术人才。而目前全国大部分高校，普遍存在毕业生工程实践能力不强、创新能力弱、理论和实践脱节等问题，人才培养结构和质量难以适应经济结构调整和产业升级的要求。尤其是学生在学习《机械设计》时，传统教学模式下的课程存在着教学方法、内容不能完全适应素质教育的要求，再加上学生专业学习与创新教育、教师教学和科研相脱节，大部分学生的工程能力、创新能力并未得到有效的锻炼，教学效果难以达到教学大纲的要求。因此必须打破传统教学模式的束缚，使学生的专业学习、创新教育相融合，教师的教学内容和科研活动相融合，以学生为中心，围绕学生工程能力、创新能力的培养，在《机械设计》课程教学的各个方面进行创新性研究和实践，对培养高素质人才，具有十分重要的意义[1-3]。

一、传统机械设计课程教学模式存在问题分析

《机械设计》是机械类专业重要的一门专业基础课，该课程是继工程图学、机械原理、公差与配合、机械制造工程基础等课程学习之后进行的一门实践性课程，是学生在大学学习中综合运用所学知识，对实际工程题目和创新题目进行全面分析与设计，理论与实践结合的一次综合训练，对学生应用知识能力和创新能力的培养十分重要。然而，如前所述：由于现有教学方法、内容不能完全适应素质教育的要求，学生的工程能力、创新能力并未得到有效的锻炼。在进行专业课程设计及专业毕业设计时，所出现的共性问题反映在：（工程）设备方案非技术（经济、人文、法律、环保等）指标综述性分析匮乏、设备技术特点及机构特点归纳描述不清晰、机械基本功不扎实（理论计算、图形表达、零部件综合设计）等问题比较突出。究其原因就在于现有的机械设计课程体系，各章节孤立地介绍各种机械零部件的结构和设计方法，缺乏工程应用实例和背景介绍，专业理论教学与创新实践教学脱节，各章节理论课程间衔接性差，不利于学生知识体系的形成，并且由于教材内容在学术、技术上的滞后性，导致学生不知所学知识如何应用，对于经典理论知识应用比较好，而对于具体工程问题却不知道用什么理论知识、从哪里入手、考虑哪些因素、用什么方法解决。对于工程中的问题，学生只能按照教师提供的计算公式，按约定俗成的计算步骤来完成，没有足够的热情和动力进行问题的思考和分析，实质上在这种培养模式下，几乎谈不到创新能力的培养。

二、机械设计课程高阶教学目标

美国著名心理学家、教育家布鲁姆和其他研究者于20世纪50年代提出了著名的教育目标分类法，该分类法将教育目标分为三大领域：认知领域、情感领域和动作技能领域。其中认知领域的目标分为识记、理解、应用、分析、综合和评价六个层次。前三个属于低阶层次的认知，后三个属于高阶层次的认知。传统课堂教学强调知识的记忆和理解以及运用知识解决较为简单的问题，注重发展低层次的认知。由于学生的高层次认知能力没有得到发展，学生看不到所学的知识有什么价值或意义，通常为了应付考试，他们要学习、掌握、记忆更多内容，考完试后一段时间便忘得所剩无几，所学的知识在他们身上得不到很好的保留。因此，教学活动的设计不能停留在低阶的对知识的记忆、理解和简单应用，而是应该将重点放在解决复杂问题或完成复杂任务。

因而，为顺应机械类工程教育专业认证要求，在进行机械设计教学时，应依据布鲁姆六层次认知目标分类体系及迪芬克教学目标定义分类法，设计机械设计课程的高阶教学目标，即在知识掌握的基础上，强调应用、综合、情感和学习能力等高阶目标的达成，突出能力培养为核心。其中基础知识是学生需要认识的必备知识，是其他教学目标达成的基石，教学时要发展学生理解并记忆具体信息和观点的能力，并建立起课程知识体系，综合性的将不同事物、不同思想观点或不同学科领域等之间建立联系，并能够理解其中的相互关系，并且在整个学习过程中，强调情感对自然客观认识、与人沟通和交往、专业知识和学科知识积累的重要性。将专业知识学习和学生创新实践相联系，将教师科研活动和教学内容相融合，最终达到学生在应用基础知识基础上，使学生批判性、创造性地进行各种思维活动学习，进而具备解决复杂工程问题的实践能力[4-5]。

三、专创教科融合机械设计教学实践

机械产品设计，是通过分析、综合与创新而开发出能满足某些特定要求和功能的机械系统的过程。这个过程的难点在于教育目标的高层次体现。

（一）以工程设计为案例，实现教学高层次目标达成

《机械设计》课程教授的是机械通用零部件的设计、计算的具体知识及初步的设计过程，难点在于课程实践性强、应用的知识点多，学生在有限的时间内难以做到全面的识记、理解、应用，更不要说高层次的分析、综合和评价教学目标。因而，《机械设计》课程教学应以工程（产品）设计为案例，聚焦于工程（产品）设计的设计与制造，并以产品为载体，创设问题情境，从工程（产品）设计所用知识的纵向和横向进行关联归纳，按照工程（产品）设计制造的过程教授所要应用的学习内容，实现理论和实践的有机融合，体现工程（产品）设计艺术创造过程，体现教学活动的过程思维性、逻辑性、艺术性，有步骤、有层次地推进教学，从而构建起此课程完整的教学体系及知识体系，使学生在理解及知道知识该如何应用的基础上，能够实现对工程（产品）设计进行分析、综合和评价的高层次教学目标。

（二）以工程设计为案例，融合专业学习和创新实践

现代机械设计具有很明显的特点，即它的理论性、创造性、广义性、优选性等。传统的机械设计教学模式多教授学生常用仿照、类比的设计方法。其实，人类文明的源泉在于创造，而设计的本质就是创造性的思维与活动过程。教师应在专业教授过程中融合创新性教学方法来体现机械设计的真正本质。

图1是粮食行业所用粮食比重去石机。它的作用是去除粮食中粒度和粮食相近的石头（称为并肩石），其工作原理是去石机去石筛面在往复运动状态下，利用并肩石和粮食的比重不同而去除混杂在粮食中的石头。

《机械设计》课程讲授零件疲劳强度时，首先讲述该专业设备工作原理，然后启发学生利用系统搜寻法找出筛面实现物料运动状态的各种可能性机构，很快便得知满足这一设计要求的机构有曲柄机构、滑块机构、导杆机构、正弦机构、正切机构、凸轮机构等，此时引导学生分析不同机构的各自运动规律，比较不同机构对所设计设备的物料运动影响状况，从中确定最佳传动机构，然后再利用课程中所讲授的连接、轴系等基本知识确定整机组成，并结合课程中零部件的刚度、强度、可靠性等知识点，分析设备零件工作状况，进行机构主要零部件的寿命变化规律分析计算。

在这个将专业与创新相融合的教学过程中，以专业工程装备设计为案例，以掌握、应用通用零部件设计计算及培养学生创新能力為主线，从整体和系统的角度，将课程知识体系整合为机械设计总论、连接、机械传动、轴系零部件四大模块，体现学生设计和实践能力培养的循序渐进性;并且，在这个具备过程思维性、逻辑性、艺术性的学习过程中，不仅使学生理解及知道知识该如何被应用，也使学生明白如何对装备设计进行分析、综合和评价。

（三）以工程设计为案例，融合教学过程和科研活动

图2是本学科团队用来进行粮食粉碎研究所用的稻谷脱壳垄谷机，它的作用是去除稻谷外壳，工作原理是利用图3所示具有相向转动、且有速度差橡胶辊的挤压、搓撕作用而脱壳。

以此为例进行机械设计教学时，从图3、图4进行问题的创设，引导学生进行轴系零部件的零件结构、固定、装拆、轴系支撑、轴系固定、密封、机架体的设计，并提出问题让学生思考、讨论如何设计才能使轴系零部件受力、结构、装拆更合理;如何设计才能噪音更低、润滑油不泄漏，不对环境造成污染，如何设计才能在经济成本最低情况下达到设备工作要求;如何设计才能更人性化，便于设备的操作、维修。通过将教学过程与创新设计、科研活动的融合，极大增强了学生的学习兴趣，纷纷表示更加明确了学习目标，达到了学习效果。

机械设计高层次教学目标是要让学生能够对工程装备设计进行分析、综合及评价。要达到这些目标，就要求学生在完全掌握相关课程基本知识点前提下，构成知识模块，如：将产品设计表达等相关知识点，构成工程图学知识模块;将方案设计、设计计算、结构设计等知识点，构成机械设计知识模块;将加工工艺、零件制造、产品装配等知识点，构成机械制造知识模块;将结构表达创新、方案创新、结构创新和制造创新等知识点，构成机械创新知识模块[6]。如此一来，以工程装备设计为主线，不仅使学生系统的归纳了所学知识在装备设计中的应用，也可使学生构成完整的知识体系，从而使学生对产品设计进行分析、综合和评价。

四、结束语

《机械设计》是机械类学生非常重要的一门专业基础课，在整个人才培养体系中占有重要地位，传统《机械设计》教学方法、内容不适合教育部关于高等学校“新工科”建设中要培养工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力人才的要求，尤其是目前许多高校正在进行的以OBE为理念的现代教学改革，更加突出学生工程实践创新能力的培养成效。通过在我校过程装备与控制工程专业进行“专业学习和创新实践相融合、专业教育和科研活动相融合”的教学活动实践，实现了《机械设计》的高阶教学目标，不仅在全国大学生机械创新大赛、全国大学生过程装备创新大赛等活动中多次获奖，并且在2018年教育部组织的对我校过程装备与控制工程专业专业认证进校考察过程中，获得了进校专家的一致好评，并于2019年顺利通过了专业认证。

参考文献：

[1]张辛喜，李学平.“新工科”背景下过程装备与控制工程专业人才培养方案探索与实践[J].新西部，2019（11）：130-131.

[2]曹宪周，杨卓.基于创新理念的机械设计教学研究[J].河南工业大学学报（社会科学版），2011（1）：136-138.

[3]王铭，黄瑶，黄珊.新时代我国工程教育认证存在的问题与对策[J].教育理论与实践，2019（15）：3-5.

[4]王瑞华.基于布鲁姆教育目标分类法的多模态教学模式研究[J].太原城市职业技术学院学报，2017（6）：106-108.

[5]丘小红.布卢姆教育目标分类法在问题设计上的应用[J].中学生物教学，2015（5）：17-19.

[6]刘峰，石永军.OBE理念下机械创新设计实践课程教学研究与实践[J].实验室研究与探索，2018（10）：196-200.