非机类机械设计基础教学体系的研究

2020-12-21翟秀云陈明通周英姿

高教学刊 2020年36期

翟秀云　陈明通　周英姿

摘要：非机类机械设计基础是许多工科专业必修的专业基础课，在课程体系中起承上启下的桥梁作用。但是它在现有理论教学与实验教学上存在诸多问题，文章对存在的问题进行了深入的分析以挖掘产生的原因，并提出以培养应用型人才为目标，以“学生为核心”的“讲授教学+Web辅助理论教学+分组讨论+课后专研学习”的混合教学模式的解决措施。在教学内容、方法、手段和考核评价体系等方面提出具体建议，对于本门课程的教学改革具有重要的参考价值。

关键词：机械设计基础;理论教学;实验教学;考核体系;应用型人才

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2020）36-0072-05

Abstract： The course of "Fundamentals of Mechanical Design" for non-mechanical major， a fundamental and compulsory course of many engineering professions， is a connecting link between the preceding and the following in the curriculum system. Its theoretical teaching and experimental training currently show some problems. In this paper， the problems were analyzed in depth to explore their reasons. With the goal of cultivating applied talents， we put forward the solutions taking students as the center under the blended teaching pattern of "face-to-face teaching + theoretical teaching assisted by Web + group discussion + specialized study after class". The paper provided the specific recommendations on teaching contents， methods， assessment system and so on， which have important meaning for instruction reform of the course.

Keywords： Fundamentals of Mechanical Design; theoretical teaching; experimental training; assessment system; applied talents

機械设计基础课程是非机类与机械类专业中一门承上启下的主干课程，是一门与生产实际密切相关的技术基础课。也是一门“双面难”的课程，即一方面学生“难学”，一方面教师“难教”。难学的根本缘由是：它是一门综合课程，对于先修课程如高等数学、工程制图、材料力学、理论力学、金属工艺学、互换性与技术测量等有很强的依赖性，要求运用它们的理论与原理来辅助解决机械设计中的工程问题，因此课程的知识既复杂又兼具综合性，要求学生具备很强的空间想象和扎实的理论基础。难教的根本缘由是：任课老师不但要熟悉专业体系及各门课程的知识，还需要一定的教学经验，并能综合运用多种教学手段将理论与实际紧密地联系起来，把生涩难懂的机械知识转变为活跃且立体的、具有工程价值的机械理念与科学实际。

为了解决这种“双面难”的局面，本人根据多年的理论与实践教学经验，分析了非机类机械设计基础理论和实验教学中存在的问题，提出了具体的教学改革措施，阐述了改进理论与实验教学方法、教学手段与评价体系的详细举措，对提高课程教学效果具有重要的指导价值。

一、理论教学

（一）存在问题

1. 多媒体教学不是传统教学的替代

传统的教学主要是板书教学，讲课速度慢，而且不够生动。当有多媒体教学后，无论老师还是学生大都是欢迎的，它特别适合于大班教学，似乎成为了传统教学的替代。将一些不易说明的机械工作过程、机械结构和工作理论做成生动的课件，可以使教学知识点更易懂、更清晰，并且使教学过程更具表现力。但是通过一定时间的教学检验后，发现多媒体教学存在一些不能忽视的问题[1-2]，主要体现在以下方面：

相比于传统教学知识量过大，教师讲课的速度偏快，影响了学生对教学内容的掌握。板书减少或者没有板书，一些学生想通过做笔记来掌握课上的教学知识，可是较快的多媒体教学，使得学生不易吸收课上较多的内容，课下也不利于复习。尤其是对于大多数公式的推导，学生还没有完全理解，教学已经进入下一部分内容。因此，传统教学在授课速度方面反而更有优势。

互动减少了，学生集中在课堂上的时间是有限的，只有生动的教学方式才能使大多数学生不会产生疲劳感，以达到预期的教学效果。因此，互动是课堂教学的基本要素。

对于多媒体教学过于依赖。讲授的内容基本上是课件上的，没有深入地、形象地剖析与知识点的前后贯穿。一门课程是一个知识体系，各章节之间相后呼应，前后知识点的穿插式的教学更利于学生获取整体工程知识理念，去解决实际生活、生产中的机械工程问题。

2. 考核方式不恰当

课程考核是教学过程中的必要与基本环节，其方法与内容关系到所培养的人才质量。目前大多数考试的知识和题型都是常规的，缺少课程的特色。常规的题型考核的是一些基本概念和理论，学生不需要过多的理解就能过关。这种考核方法不利于培养学生综合分析和解决工程问题的能力，更不利于培养应用型人材[3]。学生只需要在考前稍微复习一下就能过关，课程的成绩不能体现学生的实际工程能力。

以往的考核方式由三部分组成：作业、平时考勤与期末考试。学生只要抄下作业，上课点个到，就能得到较高的平时成绩，不利于提高学习积极性。将传统的考核方式应用于本门课程不能体现机械设计的工程理念，也不利于培养创新型工程人才目标的实现[4]。

3. 理论与实验脱节

非机类的机械设计基础学时少，存在没有实验的情况，教学都是在教室中进行的。这一点与课程的特点不符，只有在实验、实践中才能真正理解理论知识并加以应用。通过多媒体课件所播放的动画能帮助理解一些机械知识，但是对于机构、零件实际的工程价值不能真正体现。

一般情况下，教学改革偏重于教学内容和方法的研究，不注重课程的工程特性，使得学生对课程有畏难情绪。同时，理论与实验、实践脱节的情况也不利于培养应用型人才。

4. 学时少或不统一

目前，非机类机械设计基础的学时有多种，并且存在学时非常少的情况，学生只是刚了解几个常用机构，对这门课刚有点认识的时候，这门实践性很强又很难理解的课就这样匆匆地结束了。在后面使用这门课的知识看设备图纸时，一脸茫然，因为学生对于简单的轴上零件的定位和力学分析不了解，要看懂设备非常困难。

一些非近机类专业对课程的定位是使学生了解机械设计项目方案制订的基本流程并能按照拟定的项目规划进行机械产品的初步设计。也就是说，这个专业对机械设计的要求已经基本达到了机械设计与制造专业的要求。如果把这样的专业与其它非机类专业放在一个水平上去要求机械设计知识，就显得有点武断。因此，有必要规范这门课的学时数，即使不同专业对于本课程内容和学时有所不同，制订合理的理论与实践教学大纲。

5. 先行课程的开课时间不合适

该门课程的先行课程主要有工程力学、金属工艺学、机械制图、互换性与技术测量等。例如会存在金属工艺学还没有开设，已经开始学机械设计基础这种情况。在学习齿轮材料时，学生不懂如何选择材料及热处理方式。对于互换性与技术测量这门课有些专业不开，或者并行开课，造成提到一些技术要求时，学生完全不理解。以上情况使得本来具有一定难度的课程，变得更加高深莫测。

（二）解决的方法

1. 调整教学方法

结合我校以培养应用型人才为目标和非机类专业学生对于本课程的专业知识需求，建议以“学生为核心”的“讲授教学+Web辅助理论教学+分组讨论+课后专研学习”的混合教学模式，为学生打造开放式学习、注重工程素质的培养及勇于创新的学习氛围，发挥学生的能动性和合作精神，加强培养工程意识和创新式设计能力[5-6]。

讲授教学是基本的、主要的授课方式。教师采用动画、三维仿真图、实物教具或视频等工具，在讲授基本理论的同时，始终贯穿培养学生如何分析与解决工程实际问题的能力，加强互动式教学以帮助理解课程的重点与难点。

目前应用较多的MOOC教学[7]具有很高的共享性和便捷性，可以帮助学生进行广泛的交流和讨论及深入的学习。MOOC教学和传统的面授式教学组合的方式的确可以提高各门课程的教学质量。虽然它不是本课程主要的教学手段，但它可以是课前预习与课后巩固的手段，也能成为授课老师掌握基本学情信息的手段，并能为一些具有较强学习能力的学生提供更多钻研和开拓知识的机会。本课程具有很强的实践性和综合性，建议MOOC教学作为辅助手段，引导学生认知和扩展式学习。

Web平台可以作为学生讨论的理想场所，教师可以在平台上查看学生的学习效果。它作为强有力的交互平台，激发学生的潜能与灵感。在交流的过程中，学生积极地浏览各种课程资源，对于感兴趣的知识、论点可以阐明他们的见解。Web条件下轻松的学习环境便于发挥他们的聪明才智。在讨论的过程中，教師采用引导式的教学手段，既要发表合理的见解，也要随时控制整个过程的进度与范围。教师虽然是主导，但是不能忽视学生的主体作用。

在面授式教学中，一部分课时作为讨论课学时，既要有小组式讨论，也要有班级式大讨论，以达到人人都有发言权的平等式学习氛围。两种讨论既可以是相互独立的，也可以是相互依赖的。在讨论课中，可以对学生进行分组，每个小组自行选题，课前查阅资料、收集素材，课上先小组内自主讨论，然后进行班级式大讨论，要确保每位同学参与学习，提高整个课程的互动性。也可以仅采用班级式大讨论的方式，由老师引入自己的科研项目、机械设计实例或前沿的研究项目，让学生在强烈的好奇心的带动下，采用积极有效的学习方法和途径进行研讨、思索和扩展，既要发挥学生的主体作用，也要增强他们对机械工程相关知识的深入理解。

上面所提到的针对本课程的混合式教学模式不仅强调学生的核心地位，也强调教师的主导作用[8]。教师通过网络平台提供的有效的、前沿的、符合工程实际的机械设计素材，以生活中的实物和各种案例为载体，达到教学方式和手段的多样化，强化学生的学习乐趣，培养他们对于工程实际的认识及解决科学问题的能力，加强学生科研团队的建设及相互的合作与交流，以实现本课程所规定的教学目标和任务。

2. 调整考核评价体系

课程考核的目的包括两方面，既要检查学生对于课程的掌握情况，也要考查教师的实际教学成果，为后面改进教学、提高教学质量指明方向。考核的方法应围绕课程的教学目标而设置，既要有个性化，也应具备多元化，要能真实反映出学生的学习效果和教师的教学质量[9]。

多元化评价包括两部分，即过程性综合评价与期末闭卷考试评价。过程性评价主要体现学生对于理论知识掌握情况、学习态度和学习效果等。学习态度是对学生的考勤、课上回答问题、作业完成及自主学习等情况进行评价;Web学习主要评价学生是否参与线上学习和是否达到教学要求;分组讨论以各组的课前准备、课上陈述与讨论和课程素材的制作等情况进行多方面评价;班级式大讨论评价学生在课上的参与度、课前准备和课上相互交流的情况。可以采用组内评价、组外评价、教师评价等多种方式进行综合打分，作为期末总成绩的一部分。期末闭卷考试的题型尽可能多元化，包括常规题、绘制机构简图题、计算自由度题、计算传动比题和轴上零件改错题等，考试知识点应与课程的目标相一致。建议期末成绩的组成为：作业情况与课上回答问题（15%），线上自主学习（10%），分组讨论与班级大讨论（5%），实验（20%），期末考试（50%）。教师根据制订的考核评价体系，综合分析、评价期末试卷和教学效果，找出教学中存在的问题，提出解决措施。

3. 理论与实验、实践融合

由于课程的实践性强，应加强实体与综合实训教学，以提高学生的学习积极性和教学效果。可以设置齿轮机构、带传动、凸轮机构、常用联接件和轴上零件的陈列室，也可以陈列一些来自生活、生产的并且具有代表性的传动机构或机械模型与实物，如：搅拌机、缝纫机、火车联动机构、减速器、机床传动系统、油泵等。让学生可以随时参观机械陈列室，并要求能够讲解模型的工作原理及与机构相关的理论知识点，以提升学生对本门课的感性认识，为进一步加强理论知识的学习提供支撑。

也可以在陈列室中进行部分理论教学，如讲授齿轮机构时，让学生一边观察其应用场景一边讲解，以提高其学习兴趣及学习效果。在面授教学中要多列举一些机械工程实例，如讲解连杆机构时，列举汽车雨刮器、搅拌机等;讲轮系时，列举变速箱、机床主轴箱等;讲各种轴上零件时，列举减速器的传动轴等等。让学生充分认识到本课程在生产、生活实际中的价值，使学生感觉到这门课很有用也很有趣。

理论课程进度应与实验项目内容、进度并行，以便于学生深刻理解、掌握机械的重点、难点，从而使理论教学与实践、实验教学能有机融合。为了使实践教学辅助理论教学，在讲解“轮系”传动比、惰轮知识点时，可以在实验室中讲解，让学生打开机床的主轴箱，分析车床的轮系结构与组成，一边讲解一边演示输出轴的速度与方向的变化，就可以使生硬的、难懂的知识转变为生动的、有趣的知识，加深他们对机械理论的感性认识，最后总结输入轴、输出轴之间传递运动与改变速度是通过改变相互啮合齿轮的齿数来实现的。利用实体与感观教学，把机械工程的知识系统地贯穿起来，达到逐渐深入与灵活应用的目标，从而加强学生的学习兴趣、降低学习难度。

引入若干个开放性实践项目，把教师科研项目、创新创业项目等作为案例引入到课堂教学中，以科研项目、创新创业项目的开展过程为主线，通过课堂、实验教学引导学生深入学习机械工程的创新、创业项目的内容与实施过程。

4. 规范课时、调整教学体系

将非机类专业分为两类，课程的学时量分别规定为48与72学时。第一类专业主要包括：冶金、材料科学、新能源科学与工程、产品设计、化学工程等;第二类专业（近机类）主要包括：材料成型、工业设计、工业工程等。在48个学时中，包括40个理论学时和8个实验学时。72个学时包括60个理论学时和12个实验学时。这样既能有足够的学时把理论知识讲解清楚，也能有足够的实践学时开展综合性、设计性实验，同时要求实验项目应根据理论课程进度统筹安排。

机械工程专业的教师应参与到非机类、近机类专业教学体系制订中，避免一些课程开课时间不恰当。表1列出各先行课程和本课程开课时间建议。

轴上零件图、减速器装配图等都需要工程制图的知识，一般对工程制图掌握不好的学生，很难理解机械设计中较复杂的图形。工程力学知识是进行机构和机械零件受力分析、运动分析和强度、刚度计算的基础，也是学好本课程的关键基础知识之一。金属工艺学和工程材料是学习材料性能、牌号、热处理等知识的课程，这些都是学习齿轮、凸轮、轴等零件选择材料的基础知识。要理解机械零件的技术要求就需要互换性与技术测量这门课的知识。因此，以上任何一门课都是学习本课程的必备条件。

5. 恰当的课上习题与课外作业

在讲解一些习题的同时，也要安排适当的课上练习，便于学生及时理解机械习题的解题方法，教师不仅要布置基本題型也要扩展习题，即引入一些经典的设计练习，不是就题论题，也不是简单的模仿，而是灵活使用所学的技巧解决一些难题、复杂的习题或设计型的练习题。

例如绘制机构运动简图的教学中，引入一道综合题，如绘制减速器的机构运动简图，减速器含有带传动、蜗轮蜗杆传动、直齿圆柱齿轮传动等，说明绘图要按比例绘制，并且按运动方向画图，如先画电机、再画带传动、最后画箱体内的传动等。同时要注意一些绘图细节，如轴承、轴、联轴器怎么画简图，也要说明绘制机构运动简图的实质是为了表达机构的运动原理与组成情况。简图的绘制与运动尺寸密切相关，而与实际外形尺寸无关。课内习题不仅可以巩固理论知识，也可以加强学生机械设计、绘制工程图及解题能力。

工程课程有一个普遍现象，就是学生明白老师所讲解的知识，但是不知道怎么用。这就要求老师在布置习题时应由简入难，让学生有一个适应的过程，进而提高其学习的兴趣。题的选择非常重要，既要有针对性，也要有一定的覆盖性，同时也要分析有多少学生会做题，做错题或不会做的原因是什么，找到根源，课上纠正问题的所在，及时改进教学方法。在不断深入研究的过程中，提高教学质量。

机械设计习题的布置既要有一定的连贯性，也要不断加深难度，更要将理论知识与生活、实践相结合。恰当的课上习题与课外作业是学好机械设计基础的基本的、必要的环节，也是重要的教学手段之一。

二、实验教学

（一）存在的问题

1. 为实验而实验

本课程传统的实验目标只是为了加深学生对机械理论与原理的理解，进一步验证理论课上讲授的机械知识。学生仅仅为了实验而实验，为了任务而实验，不是积极地、主动地参与实验教学，不能发挥他们的灵感与创造性。

2. 实验模式单一

在实验指导书的指导下，学生根据要求、方法、步骤，一步一步地完成实验任务。学生们的数据处理结果相同，思维模式被限定，从而制约他们的开拓与创新。

3. 实验内容孤立

本课程的传统实验是根据理论课的章节设计的，内容涉及面偏窄，未形成一个完整的机械实验体系;同时忽略课程之间的联系和相关性，因此，每个实验都是孤立的，没有广泛性和关联性。创新性、设计性及综合性的实验对于培养学生综合运用课程的理论知识、现代化手段和解决实际机械工程问题的能力是必不可少的，通过这样的实验才能有利于培养应用型人才[10]。

4. 实验评定单一

实验报告的质量是实验成绩的评定的主要依据，通常情况下，期末考试试卷中不涉与实验相关的内容，从而使很多学生做实验时的态度不认真，也不去思考。由于实验内容相同，学生的实验报告经常是互相参考、应付了事，实验教学的目标根本无法实现。

（二）解决的措施

实验课程是本课程的教学基石，完善的教学手段和体系既影响学生的学习态度和兴趣，也直接影响教学质量和效果，因此，对于实验课程的教学方法、内容、评价体系的持续改进也是本课程的研究重点[11]。为了提高学生的综合素质、创新能力和科研素养，应对课程实验教学进行必要的改革。

1. 恰当的实验模式

在编写实验指导书时，充分考虑有利于开拓学生科学思维和增强创新意识的实验项目与实验方案。精心制作实验的教学课件，并采用现代化教学手段进行教学，提高教学质量和效果。采用学生为主体的实验教学模式，开设自主实验、合作实验，尽可能调动他们独立分析工程问题并解决问题的积极性。实验过程中要求学生应具备严谨的科学态度，并逐步培养创新意识。实验题目的设计旨在拓展学生的工程实际能力，每一个项目可以选择不同的方案，形成具有个性化的实验教学活动，扩展学生的思维。

建议开展的实验有：“连杆机构创意设计”、“轴上零件组合设计”、“多种机构组合设计”、“变速器传动机构设计”等，通過创意实验来巩固、加深学生所学的机械理论，开拓视野、充分发挥想象、提高教学效果。

2. 调整考核体系

由于实验教学项目的更新，需要调整实验环节的考核方法。严格控制实验室纪律，切实地根据实验课前表现、课上实验过程及课后实验报告，对实验成绩进行综合评定。课前表现主要包括预习情况、实验项目的准备。为了进一步提高学生实验的兴趣，要求实验教师对每一个实验项目进行考核。既要考核实验理论也要考核实验操作，同时对书面报告也要进行评价，具体的评定形式有观察实验结果、随机提问、单独展示某一实验过程等，真正地督促学生积极参与实验，并对每位学生的实验能力给出合理的评价[12]。

考核方式要真正实现多样化。特别是具有综合性、设计性的实验，可以将单独考核与分组答辩相结合，用个人得分与小组成绩的综合得分来评定学生的实验能力。比如，在变速器传动机构设计实验中，多种机构、构件、机器的综合运用组装成各种传动方案，如运用不同型号的电动机、带传动、直齿圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、轴承、联轴器等进行组装，通过变速装置的搭建、调试、输入与输出数据的采集和处理过程，获得运用先进的工程技术手段和理论课程的知识解决实际工程问题的较好训练，也对每个学生的实验能力进行了综合检验和考评，这种系统的、综合的实验考评方式，将对学生的实验操作过程、实验结论进行全方位的考核，激发学生自主性和积极性，有利于实现所要求的实验目标。

3. 师资队伍建设

实验项目的更新、先进的实验设备与仪器的应用、现代化的教学手段的运用，对于实验教师的要求越来越高，特别是各种实验结果的分析、前后贯穿的理论知识的综合使用，要求他们熟练掌握课程理论知识，还要具有随机应变的、较强的动手能力。最好的方式是理论教师与实验教师相互辅助共同完成实验教学，共同参与实验改革，这样可以将理论知识与实验操作知识融合起来，避免理论与实践脱节，也便于达到理想的实验教学效果。

三、结论

机械设计基础课是非机类工科专业的基础课程，是培养学生掌握机械基础知识、具备机械设计初步能力的重要课程。在教学过程中，由于学生对先行课程的基础知识掌握不牢，缺乏实际工程经验，教师教学手段传统且单一，“双面难”的局面非常突出。本文从理论教学与实验教学两方面分析在教学中存在的问题，提出了以“学生为核心”、以“教师为主导”、以现代化手段为支撑、以设计性、综合性实验为载体的理论与实验教学相融合的教学模式。当然，随着科技的进步、先进的教学手段的不断出现，在未来仍需要对本课程的教学进行不断地探索、研究和改革，使教学更科学、更合理、更有效，为高校培养应用型人才的目标而服务。

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