新工科背景下机械设计教学改革探讨

陈晓昀

(梧州学院 机械与材料工程学院，广西 梧州 543002)

21世纪以来，信息时代后的智能时代到来，伴随着高新技术和人工智能的迅猛发展，新的科技革命和产业变革浪潮汹涌而至。为了顺应第四次工业革命的潮流，主动应对新一轮科技革命与产业变革，发挥高等教育支撑服务创新驱动发展和经济高质量发展、“中国制造2025”等国家战略的作用，2017年以来，教育部发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》《高等学校人工智能创新行动计划》等指导思想及行动方案，并积极探索包括大数据、云计算、机器人、区块链、人工智能、虚拟现实、智能制造、智能科学与技术等高新科技为标杆的新兴产业，以及传统产业转型升级的新工科教育教学改革。2020年5月，为规划好未来科技创新领军人才的前瞻性和战略性培养目标，教育部决定在高等学校培育建设一批未来技术学院，拓展实施“卓越工程师教育培养计划”(2.0版)。兼顾战略性、系统性、创新性的新工科教育教学改革是应对未来社会发展、培养适应新时代社会发展的创新型工科人才的必由之路。机械设计专业作为新工科的一个重要专业，肩负着培养高阶性机械工程技术人才的重任。“中国制造2025”提出后，为了打造具有国际竞争力的制造业，国家更加重视高层次机械专业人才的培养。新工科背景下，全国高校尤其是地方性高校应围绕地方经济发展战略，与时俱进地培养相关领域急需和适应社会需求的机械工程技术创新型、复合型的卓越工程师，为“中国制造2025”重大战略的实施和经济高质量发展提供人才支撑与智力支持。

1 新工科背景下机械设计教学改革目标与教学要求

1.1 新工科背景下机械设计教学改革目标

早在21世纪初，美国《培养2020的工程师：为新世纪变革工程教育》提出了很强的分析能力和实践能力、灵活应变能力与创造力、创新意识与创新能力、专业知识与职业素养、沟通能力与商管技能、领导能力与学习能力等未来工程师必备的素质。也就是说，未来的工程师除了拥有扎实的专业理论知识外，还需要多种技能，如创造力、灵活性、领导能力以及商业才智等素质[1]。在我国，高阶性机械工程技术人才应是具备全局的工程价值观、工程技术现状分析与前沿发展趋势的研判力、传承传统优秀工程文化与吸收世界先进工程文化的责任感和创造力等特质的卓越工程师。毋庸置疑，创新能力是卓越工程师的核心能力。因此，在全球经济化大环境下，新工科背景下机械设计教学改革目标是培养既是国内某工程领域工程学术或工程技术独到的高端人才，又是具有国际视野的高级工程技术人才和创新创业研发型、复合应用型的行业领军人才。

1.2 新工科背景下机械设计教学要求

知识经济和智能时代的到来，智能制造和高新技术迅猛发展，由此影响到社会对机械工程技术人才素质能力的需求。新的科技革命和产业变革更需要具有实践能力和创新能力的机械工程技术人才。机械设计是机械工程课程的重要组成部分，是一门以锻炼学生实际操作为主、理论与实践相结合，与力学、材料科学和信息技术等学科交叉的课程。高阶性机械工程技术人才培养目标的教学，除了要加大学生熟练掌握机械工程技术专业理论知识的力度外，特别要注重培养学生的传承吸收能力、思维拓展能力、实践应用能力和创新创造能力。

2 传统的机械设计教学的不足

教学在第四次工业革命的潮流中，传统的机械设计在对学生的创新能力和实践操作能力的培养方面还存在着不足，主要表现在如下7方面。

2.1 教学资源有限

基于高阶性机械工程技术人才特质和“机械设计”课程工程性、实用性和实践性的特点，机械设计教学除了需配备良好的师资外，还需一定的实训实验场地、先进绘图工具和用于实验的机械零部件等教学设备，以及机械制图软件、虚拟仿真软件和力学辅助分析软件等教学资源。但调研发现，个别高校因对工科教育重视不够，投入不足，导致师生比失调、实验场地紧缺、教学设备和教学软件陈旧落后甚至缺失等教学资源配置不合理等问题出现，造成个别学生对机械设备构造、机械制造特征、机械性能、机械工艺等原理一知半解。上述问题若不解决，就无法培养出学生的实践能力、创新能力和工匠精神。

2.2 教案相对陈旧

教案是课程标准的具体化，是学科知识的精华、教者智慧的结晶，教案是课程标准，是教材提炼的精华，教学工作的中心和关键。然而，随着科技发展日新月异，劳动力、资本、科技、信息等活跃的生产要素全球互联互通，有的教师高校机械设计教案每年使用，尚未与经济社会发展与时俱进更新。新形势下如果缺乏工程背景和前沿理论及最新案例的教案，就很难培养出具有国际视野、创新意识和创新能力的高阶性机械工程技术人才。

2.3 学生学与用存在一定脱节

“机械设计”课程是一门理论与实践紧密结合的课程，扎实的理论知识与游刃有余的实践操作能力，是培养机械工程技术应用型人才的基本要求，也是造就大国工匠的基本条件。因师资素质(或双师型教师紧缺)和场地的局限性或教学计划等原因，有的高校“机械设计”课程的理论课与实践操作课是分期断层授课的，有的因缺乏(或损坏)实验室或实训基地或实习单位，使得理论课与实践操作课各占90%和10%，面对抽象、空洞、生硬的机械设计理论知识，学生无法学以致用，仅孤立地死记硬背书本里的设计机构理论和方法，理论知识无法及时与实践动手、实务操作融会贯通，导致学生的理论知识掌握度及其消化吸收度不高，动手能力和创新能力存在一定程度的缺失。

2.4 教学内容相对简单

教学内容是教与学相互作用过程中造就人才培养目标达成度的知识和技能、思想和观点、习惯和行为等素材及信息。目前，个别高校的教学内容较简单枯燥，与经济社会发展的实际需求存在一定差距，在一定程度上缺乏与材料科学、信息技术和力学等这些高度相关学科的关联性和整合性，涉及到的知识面较窄，缺乏先进的设计原理和创新理念，缺乏最新案例分析和前沿理论原理，开设能够提升学生实践能力和创新能力的综合性、设计性实验教学内容不足。难度、深度和厚度均不够的教学内容，无法适应时代的需求和新工科对机械工程技术人才培养的要求，需进行必要的补充和完善，才能达到培养学生机械系统方案设计能力和适应社会需求的人才培养教学目标。

2.5 教学方法不够灵活

教学方法是教师教授法和学生学习法的有机统一体，服务于教学目的和教学任务，体现教学功能及其价值观念，是师生双方共同完成教学活动内容和教学目标要求的手段，在教学活动中教学方法至关重要。长期以来，受“课堂为中心、教材为中心、教师为中心”的传统教育观念影响，包括“机械设计”课程在内的高等教育教学方法，普遍存在“赶鸭式”满堂灌输式教学方式，在一定程度上忽略了学生的主体性和自主性，以及教学体验和乐学善学良好习惯的养成[2]。

2.6 教学途径偏窄

教育或教学途径是学校人才培养目标和学生学习目标达成度的渠道和方式的总称，主要包括课堂教学活动、课外活动、社会活动、学生群体活动、学生日常生活(包括宿舍)、劳动等。而有效、宽广的教学途径是丰富知识、提高技能、发展智力、养成品德的基本渠道。“信息+智能”时代背景下，“互联网+教育”已成为信息技术与教育深度融合的教育发展新范式，机械设计教学途径应与之相适应，进行科学合理的拓宽。当下机械设计教学途径不够宽，教师多以从课本到课本的课堂教学为主，缺乏案例学习、社会实践、研讨学习等传授渠道，学生主要是靠课堂教学这个渠道，来学习机械设计常用的机构设计选用方法、常见的机械传动与通用零部件设计方法等理论知识。

2.7 学业评价存在不足

良好的学业评价对师生和教学起到激励、诊断和促进的积极作用。现行的机械设计学业评价以期末考试+平时作业为中心，仍停留在教材中的理论知识考评上，理论知识与实践操作的创新性不足[3]，考核的是学生对机械设计理论知识的机械记忆和简单理解，缺乏对机械设计理论知识应用与实践能力，以及“对学生学习热情、学习兴趣、知识、技能、情感、态度、价值观等多维度的教学过程综合评价”[4]，忽视过程性成果的评价与考核，直接导致学生学习的成就感不足，能力提升不够显著[5]。

3 新工科背景下机械设计的教学改革思路

针对现行机械设计教学存在的问题，按照“卓越工程师教育培养计划”的目的与要求，借鉴前人优秀研究成果，尤其是皮亚杰(J.Piaget)的建构主义原理，对新工科背景下机械设计教学改革提出如下建议。

3.1 充足教学资源

充足教学资源是教学的物质条件，也是人才培养目标实现的根本保障。在“机械设计”课程教学过程中，除了教学政策支持、适当的教学资金投入、合理配备热爱机械工程专业的双师型教师和热心教育工作的教辅人员等人力资源外，还需要配备充足的教学和科研平台、课程资源平台、仿真实验平台、创新实验平台及其系统等软硬件设备，如实训实验场地、小型科研场地、先进绘图工具、虚拟仿真软件、机械制图软件、力学辅助分析软件、教学媒体与信息资源、教学后援系统等教学资源，以满足教师的教学需要和学生的学习需求，让师生在良好的教学环境和充足的教学资源中，拥有充分的实践空间和实验实践环境，有利于培养学生实践操作能力和创新能力。

3.2 更新教案

机械设计教材教案要体现立德树人背景下“卓越工程师教育培养计划”的“能力”主线，要突出新工科背景下“机械设计”课程特征及培养出具有国际视野、实践能力和创新能力的高阶性机械工程技术人才的培养目标要求，注重所用教案的知识体系内容的工程性、创新性、实践性、应用性和可操作性，要把工程背景和机械工程前沿理论及最新案例融入到教案中，尤其是要更新和开发工程研发和工程应用的实例、例题或习题，促进学生对机械设计理论知识的拓展与升华。利用信息化教学的便利条件，制作教学网络课件，拓宽知识传授渠道[7]。内容丰富、与时俱进的教案，能够强化学生对机械工程的设计理念、工程意识的感性认识和实践体验。

3.3 融贯学用一体

技能是真学问的化身、真本领的象征[8]。教师的主要职责就是把学生的知识与技能连贯起来。学以致用、融会贯通、创新创业、得心应手是学生学业成果的最高境界。如何克服重理论轻实践、重研究轻设计、重精深轻综合、重灌输轻自学、理论知识与实际应用脱节的弊端，这是目前机械设计教学改革的重要方向。除了配备双师型教师和充足的实践实验场地外，需将“机械设计”课程的理论课与实操课有机地结合，适当压缩理论课，合理增加实践操作课，把实验教学作为“机械设计”课程教学的重点，注重第二课堂，让学生有更多实践体验和实验操作的机会。比如，通过让学生实操各种规格的减速器箱体，观察减速器箱体结构特征，启发学生动手对减速器箱体结构设计；又如，在讲解螺纹类型时，让学生设计一个需一端要右旋螺纹、一端要左旋螺纹的能够满足拉紧运动要求的螺纹拉紧装置[9]，动手过程中加深学生对现实生活中不常用的左旋螺纹工程设计使用的认知理解与应用效能，进一步扎实学生对机械设计抽象空洞、生硬干涩的设计机构理论和方法，实现理论知识与实践动手、实务操作融会贯通，培养学生学会学习、勤于反思、理性思维、批判质疑、问题解决的素质能力和钻研精神。

3.4 丰富教学内容

机械设计专业课程设置强调设计的过程性、技能性、应用性[10]。因此，及时更新、挖掘、丰富机械设计理论与实践相联系的教学内容尤为重要。将机械设计优秀成果、先进设计方法和创新思想、最新案例和机械工程前沿理论，以及云计算、大数据、半导体制造、生物工程、纳米技术、智能制造、信息技术、材料科学、机械原理、工程力学等学科知识与理念，融入机械设计教学内容中，将形成基本实验能力的基础性实验、训练综合能力的综合性实验和培养设计能力与创新精神的设计性实验，作为“学以致用”实践指导性课程的主要教学内容。如，对齿轮机构的授课，除了书本知识外，应适当扩充课程信息量，讲解双圆弧齿轮的优点时，重点推介大连理工大学研究团队完成并取得国际领先科研成果的“1级精度基准标准测量技术与仪器”与“1级精度基准标准加工设备精化与工艺技术”等齿轮研究前沿成果；对螺栓拧紧方法及预紧力控制的授课，教师要鼓励学生动手操作，以实际工程设计计算问题为目标，引入现代科技知识、液压拉伸预紧方式、扭矩拧紧法、电测扳手等新方法和新工具，以及如何通过拧紧力矩、螺栓伸长量和螺母转角，来有效控制预紧力的技艺。此外，机械设计教学内容还可以“传授知识+课堂思政”。如，讲解螺母时，以高铁螺母技术为例，高铁运行速度快，需要用到的螺母必须足够稳定，日本为什么号称其研发的“永不松动”螺母技术享誉全球？并称无国会造？事实上，我国工程师研究发现，日本的“永不松动”螺母技术运用的是我国古代木匠使用的楔子原理[11]，在古代木匠技术上进行创新。而经我国工程师改良后，包括螺母技术在内的高铁技术已远远超越了日本和德国[11]。由此，不但能够正确引导和培养学生专业兴趣和专业满意度，而且让学生在了解螺母技术知识的同时，认同我国古代木匠技术与智慧，激发学生的创新意识、工匠精神、家国情怀和民族自豪感。总之，机械设计教学必须把工程意识、创新精神、工匠精神、实验能力、设计能力的培养纳入实践教学内容，贯穿渗透到实践教学环节中，“引导学生提出不同的设计方案和解题途径”[12]，才能适应时代需求和新工科背景下机械工程技术人才培养的基本要求。

3.5 创新教学方法

新工科背景下机械设计教学需采用“学思悟行”有效联动的教学模式，并将问题式探究法、情景模拟法、互动式教学法、讨论式教学法、案例分析教学、体验式教学法和操作式教学法等多种形式教学方法有机结合起来，通过PPT、板书、播放视频、教学故事、教学案例、教学录像、教学影视、典型事件，创新教学方法，丰富理论知识，扩展思维视野，强化实验操作，加深学生对空洞抽象、晦涩难懂的机械设计知识的理解与掌握。例如，在讲授“齿轮传动与蜗杆传动”章节时，可采用体验式教学法和操作式教学法，将课前录制的齿轮传动和蜗杆传动的视频让学生观看后，要求1组学生运用动漫画艺术动手绘制齿轮传动的动漫三维立体模型，另1组学生利用制图软件和分析软件进行评价及改良；又如，在讲授“绪论”章节时，可采用案例分析教学法，课前要求学生观看《中国机长》电影，不但让学生学习航空机械风洞转角设计理论知识，而且引导学生学习刘传健团队视死如归、敢为人先的创新精神，以及其精湛的专业技能、强烈的责任意识、严谨的工作作风和无畏的英雄精神；再如，讲授“连接”章节时，可以“波音公司为什么决定变更螺栓设计”[13]问题为导向，紧紧抓住学生好奇心理，引导学生关注当前机械设计和工程领域的热点难点问题，激发学生对机械设计的求知欲和创造力。总之，科学有效的教学方法，是提升机械设计专业学生工程素养和综合能力的法宝，能够激发学生内在的禀赋、天资、智慧、知识和潜力，培养学生善于发现、勤于思考、勇于探究、敢于创新的良好习惯以及分析问题和解决问题的能力。

3.6 拓宽教学途径

“机械设计”课程理论性强、实践性强、综合性强，面向的是对机械工程知识极度陌生的电类专业学生，这些学生对各种机械结构、齿轮机构、机构运动、轴承、螺纹连接、齿轮啮合等机械传动和机械设备的动态或微变形问题感到生僻抽象，学习起来非常吃力。因此，提升学生机械设计学习效果，拓宽教学途径成为必然。教学途径与教学方法相辅相成，学生喜闻乐见的教学方法和宽广的教学途径，是加深学生对课程内容理解和掌握、提升教学效果的关键因素。除了传统的课堂教学外，“互联网+教学”使得教学模式、学习模式、教学环境、学习环境、学业成果、教学评价等发生根本性变化，也为教学途径的拓宽创造了良好的条件。此外，将设计竞赛、社会实践、课题研究、研发专利、自主学习、调研教学、案例教学、研讨教学、讲座教学、网络学习、现场教学、角色扮演教学等多渠道教学途径有机结合起来，有利于激发学生的观察力、想象力、发现力、创造力，使学生能够做到课前知识自主预习、课堂知识渗透内化、课后知识巩固与拓展，并将知识传递的过程放在教室外，并将知识内化的过程放在教室内，不断提高学习效率和教学质量。

3.7 多元学业评价

教学评价是衡量和检查教学效果的重要抓手和依据，课程考核是检测学生理论知识和实践能力的基本手段。卓越工程师素养和工匠精神是检验和评价机械设计教学质量的基本标准。科学、合理、恰当、可操作的学业评价体系，能够激发学生积极的学习热情，正确引导学生有效地学习，实现人才培养目标达成度。要改革传统的“出勤+作业+考试”的考核评价模式[8]，就必须“扭转不科学的教育评价导向，坚决克服唯分数、唯升学、唯文凭、唯论文、唯帽子的顽瘴痼疾，从根本上解决教育评价指挥棒问题”[14]。多元化学业评价，需要完善过程性考核与结果性考核有机结合机制，注重增值性评价和培优性评价，把控多方面结果评价[15]。

督导与自评相结合，由提高学习成绩向提高学习能力转变，由提高知识技能向提高实践创新转变，加大对学生培养方案、教学环节、教学过程、教学管理、教学质量以及教育改革效果的监控与评价力度。多元考核评价方式包括实验考核、课堂考核、平时作业、期末考试，既考核理论知识，也注重考核知识应用能力。考核内容以培养学生能力为重点，包括设计作品、设计竞赛、社会实践报告、调研报告、案例学习报告、研讨学习报告、讲座学习报告、网络学习报告、课外阅读报告、学习日记等。

4 结语

新发展理念下，创新型国家建设正在如火如荼进行中，第四次工业革命的到来，“中国制造”正在向“中国创造”转型，“卓越工程师”已成为促进我国制造业发展的中流砥柱。培养具有战略眼光、国际视野、实践能力和创新能力的高阶性机械工程技术人才，是高等工程教育服务创新型国家建设的职责所在，也是当代高等工程教育新工科建设的责任担当。机械工程作为高等工程教育新工科的重要学科课程，新工科背景下的机械设计教学改革方案，通过持续补足教学资源、及时更新教案、融会贯通知识技能、丰富厚实教学内容、创新教学方式方法、拓宽知识传授渠道、完善多元评价体系，不但能够使学生学习掌握相应的理论知识，而且还能够培植学生的工程素养、实践能力和创新精神；既可提高机械工程人才培养质量，也符合机械专业学科规划和高等工程教育专业认证的标准，更能为社会提供符合时代发展需求的高阶性、复合型、应用型技术人才，为中国制造和经济高质量发展提供人才支撑与智力支持。