一流专业建设背景下《工业设计机械基础》课程教学改革

滕佳华

关键词：一流专业;工业设计机械基础;教学模式改革;工作室制

2019 年教育部提出实施一流本科专业建设“双万计划”，即于2019-2021 年建设10000 个左右国家级和10000 个左右省级一流本科专业点，以带动全国高校所有专业提升水平，保障人才培养质量。为了更好地推进一流专业建设，提升人才培养质量，许多高校以此为契机，对专业核心课程进行教学改革与探索，力争把每门课程建设成“金课”。《工业设计机械基础》是工业设计专业的核心专业基础课程，对学生的专业素养的培养有着至关重要的作用，因此对该课程的教学进行梳理与改革，可以为更快更好地实现一流本科专业的建设目标添砖加瓦。

1 一流本科专业建设背景分析

一流本科专业建设是国家全面振兴本科教育、培养一流人才的重大战略部署。《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》中指出课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量，因此一流本科专业建设，必须由一流本科课程做支撑[2]。《工业设计机械基础》作为艺术设计类基础课程之一，率先依据课程特点和一流专业的建设目标，对课程进行改革创新，通过教学方法的改革“让课程优起来”、对教学实践的合理设置“让学生忙起来”、从而达到学生学习“效果实起来”的目的，为一流专业的建设打好基础。

2《工业设计机械基础》课程分析

2.1 课程主要内容

工业设计专业的培养目标是产品设计师，因此需要掌握一定宽度的力学和机械知识，但不可能也没必要达到机械专业的深度[1]，因此课程的内容具有“适专业，宽而浅”的特点。课程包括了工程力学和机械基础两大部分的内容，其中工程力学包含了理论力学中的静力学和材料力学中的强度分析和计算，而机械基础主要讲解了机械零件基础、常用的四杆机构、凸轮机构及齿轮传动等内容，如图1 所示。

2.2 课程教学目标

工业设计是一种创造性的活动，强调的是艺术与技术的结合，而工业设计机械基础作为工业设计专业的一门专业必修课程，解决的是产品设计中的部分技术问题，其教学目的是使学生了解产品的形态美与工程力学间的关系、理解产品的稳定性、安全性的设计依据，对常用机械传动装置的工作特点、适用范围有全面的把握，从而对产品设计中的力学、结构等问题能够科学分析并合理解决。

2.3 课程学习现状与问题

由于该课程内容多而杂，既包含了静力学和材料力学中的强度分析，也需要对机械基础的相关内容进行学习，因此该课程具有理论性、抽象性、实践性和应用性极强的特点。由于在课程的学习中，需要掌握的理论知识较多、概念、公式较为难理解，知识点相对比较抽象，力学部分内容逻辑性强，因此相对其他专业课程来说，学生在学习过程中存在以下问题：（1） 对基础理论理解不透彻，设计实践应用能力不强，如图 2 所示为学生设计的灯具，其在设计及模型制作过程中没有考虑灯具形态与重心的关系，灯具底座欠缺加重块，从而导致灯具无法站立 ;（2） 目前的授课模式主要是以教师在台上讲授、学生在台下听为主，再配合相应的课后习题熟悉相关的理论知识。该授课模式使学生学起来感觉比较枯燥，学习主动性不强，课后主动投入学习时间不足，也不能较好地将所学理论知识运用到产品设计中，部分理科基础薄弱的学生容易产生厌学的情绪 ;（3） 闭卷考试方式无法对学生的实践和创新能力进行有效考核。

3 教学方法改革

基于一流本科专业的建设目标、工业设计专业及课程教学特点和需求及存在的问题，从教学内容、教学方法出发，以“学”

为中心推进传统教学范式的变革，以更好地调动学生的学习兴趣及主观能动性，提升学生循序渐进地发现问题、分析问题和解决问题的能力，增强学生设计实践及创新能力。

3.1 全面夯实学生专业基础知识的掌握能力

由于该课程尤其是工程力学部分的内容具有理论性、抽象性、逻辑性强的特点，如果没有全面及时地理解掌握基本概念、公理、受力图的绘制等基础知识与基本技能，平面力系的平衡问题以及不同变形的强度分析就无从入手，并且随着内容的深入，学生也会因为越来越听不懂而出现神游及厌学的情绪。因此“夯实基础”是指在课程教学内容的安排上，通过各种手段对学生的基本理论和基础知识进行着重培养，为学生的设计应用能力和综合素质的提高打下牢固的基础。

首先，授课时结合典型产品案例分析的方式对基本概念、基本公理进行深入浅出地讲解，如铰链约束的约束反力特征是很多学生陌生且不易理解的，教师可通过实际产品演示铰链的结构和所能提供的约束反力的特征。再如以砖夹为例，如图 3 所示，提醒学生砖夹有几个研究对象可选？每个研究对象的约束数量及相应的约束类型是什么？尺寸的设计依据是什么？从而让学生真正明白应该如何确定研究对象并正确画出受力图。课堂上通过产品案例演示及分析的方式，引导学生带着问题、目标加强对基础知识的领悟，让其体会到深刻理解、活学活用基础知识的重要性并能知悉解题背后的意义和增强学习的成就感 ;其次，课后布置相应的典型习题和选择相应的产品案例，以有效加深学生对基础知识的熟练程度。实践表明，以动画或产品案例分析的方式进行基本知识的讲解及课后习题练习的方式对学生夯实理论基础和基本技能具有明显的效果。

3.2 广泛开展相关知识点的实践教学创新活动

工业设计的核心是创新，而以该课程为基础的结构创新往往是功能创新的关键。为了提高学生的学习兴趣，透彻理解基础理论知识，增强学生应用工程力学和机械基础的知识点合理解决产品设计中的技术问题的能力，任课教师广泛开展了实践教学创新活动。例如在讲解梁的抗弯强度时，教授完弯曲变形的受力特点、弯曲内力的计算、弯矩图的绘制等理论知识之后，结合任务式、讨论式的教学方法，鼓励学生主动查阅桥梁和力学的相关知识，让学生以小组团队的方式完成限定材料和规格的纸桥设计制作，并测试纸桥的承重能力，找出桥的危险位置，并依据所学的弯矩图的知识进行验证，使学生感受到“学有所成”。再如在学习机械设计部分，讲解平面机构的相关理论知识时，以儿童玩具（如图 4 所示）为例，给学生演示转动副、移动副、机构运动简图的绘制、自由度的計算等，并让学生自选一种常用机构在设施或玩具产品中进行设计应用，使学生感受到“学有所用”。在不同章节与内容的学习中，合理开展实践教学活动，不仅引起了学生的学习兴趣和学习动力，加深了学生对理论知识的掌握，而且提高了学生分析问题、解决问题、理论联系实际的能力。

3.3 积极推进现代信息技术与教育教学的深度融合

信息科技革命给世界带来了翻天覆地的变化，互联网技术、知识数字化技术和移动通讯技术的发展，给教育领域带来了前所未有的机遇和挑战 [3]。推进信息技术与教育教学的深度融合，已成为当前教学发展与改革的重要使命 [4]。“深度融合”是指将信息技术与课程教学的各个环节有机结合起来 [3]，实现教师教学方式、教学组织形式、学生学习方式、学习时间与空间等多方面的变革，使以教师为中心的教学模式变为以学生为中心的教学范式。首先，在课堂教学中，充分利用多媒体教学手段，以图片展示、动画演示、视频播放等方式降低学生对抽象内容的了解与学习，比如将铰链四杆机构在自动开关门、雨刮器、儿童摇摇车等产品中的应用制作成动画，能充分调动学生的学习兴趣及加深对四杆机构运动规律的理解。其次，在课前及课后，通过设置问题、布置任务等方式，引导学生充分利用网络信息、网络课堂如微课、慕课等教学资源查阅相关资料进行自主学习与思考 ;任课教师通过社交软件随时进行答疑，并在课堂中创造条件让学生进行讲解、讨论。充分发挥现代信息技术在课程教学中的运用，有效提升了学生的学习能动性和学习效果。

3.4 充分完善“过程性”课程考核评价机制

课程教学评价的要素是学生的学习效果，而工程力学及机械设计课程的传统教学评价最终以选择题、填空题及计算题组成的试卷形式测试学生对课程内容的掌握程度。这种单一的模式考核，仅能评价学生对课程基础知识的理解和掌握程度[5]，无法衡量学生的创新力、综合实践能力的学习效果。基于此，课程推进实施了能引导学生将理论与实践相融合的“N+1”考核方案。“N”代表的是N 次过程性考核，主要以能考核出学生创新和综合解决问题能力的设计应用为主，如可将纸桥的设计制作作为一次过程考核，在这个考核过程中可考查出学生能否通过合理的设计桥面的截面形状、支座位置及形态等要素以提高桥的承重力。“N”可设置为3 次或4 次，以能考核出学生对静力学、材料力學、常用机构、机械传动等相关知识点的运用为主的设计实践。“1”代表的是期末考试，以试卷的形式考核学生对理论知识的掌握程度。“N”和1 各占总评成绩的50%。“N+1”考核方案的实施，既能有效评价学生对基础理论知识的理解和掌握程度，又能综合衡量学生发现问题、解决问题的设计实践能力及创新能力。

4 教学模式的重构

为契合一流专业的建设目标，努力将《工业设计机械基础》课程打造成“两性一度”（即高阶性、创新性、挑战度）的金课标准，课题组成员将上述的教学改革对策以“工作室制”的形式对课程教学模式进行重构。该模式主要基于OBE（ Outcome-BasedEducation）理念进行课程教学的逻辑展开，在教学过程之中引入学生小组研讨教学、课堂翻转教学、项目任务驱动式教学等方式，将琐碎、枯燥的理论化课程内容转化至项目化理论教学与设计实践的有机融合，以培养拥有创新设计思维和实践设计能力、能够基于具体需求而综合解决各类相关问题的优秀设计人才[6]。

4.1 创建以教学为主导的工作室

以教学为主的工作室，就是以工作室为依托，把与教学相结合的实际或虚拟课题项目引入工作室，学生在设计实践中，潜移默化地吸收领悟课堂上无法传授给学生的隐形知识和老师积累多年的专业经验[7]。工作室是融理论学习和实践探索为一体的教学基地，因此工作室的导师不仅需要深厚的理论知识，同时应具备较强的实践能力。为此，教学组成员深入设计企业进行了为期一年的学习锻炼，参与负责了数个实际项目的完成并与企业签订横向课题;同时聘请了不同企业专家或优秀结构设计人员成为工作室的兼职导师，参与人才培养方案、教学大纲的制定、项目式教学内容的商定等教学工作，并定期到工作室为同学们分享最新前沿资讯及优秀设计案例。在专兼结合的师资队伍引领下，学生在以工作室为主要教学基地的学习中，不仅打下了较为扎实的理论基础，同时设计应用能力也有了较好的提升。

4.2 引入基于自主学习的探究式研究项目

吴岩司长指出金课是培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维能力，要有一定的难度，让学生跳一跳才能够得着，学生的学习结果应具有探究性和个性化。由于该课程授课对象为大二上学期的学生，对于刚刚接触工程技术方面的专业课程、还未接触过设计实践的他们来说，直接让他们参与实际项目的研究是困难重重的。为此教师可基于课程内容、知识特点并结合自己的科研项目，遵循由易及难的过程进行研究项目的设计。在每一章内容学习完之后，教师可给学生布置相关知识点的研究项目;课程后期，再给学生安排企业的实际项目。在项目完成过程中，学生自行组成学习研究小组，通过查找相关资料，同学间的相互讨论以及向老师请教等方式，进行自主学习及设计实践，以培养学生灵活运用课本知识解决问题及进行设计创新的能力。通过引领学生通过自主学习完成探究性设计项目，很好地激起了学生的学习动力，学生的设计作品具有探究性和个性化的特点。

4.3 建立高融合的实践教学平台

OBE 是基于学习产出的一种教育理念，其教育目标是使学生在完成案例研究、项目设计等教育实践后取得的最终学习成果[8]。在课程教学中，鼓励学生到相关企业参观实习并积极参加企业举办的设计大赛、参与教师与企业签订的横向技术开发项目等设计实践，以校企合作方式建立高融合的实践教学平台。同时将校企合作成果有效融入课堂，促进教学内容的改革和学生实践能力的培养。基于OBE 理念的工作室制的教学模式，依托企业真实项目的实践，在融入理论知识教学的过程中同时注重了学生设计实践和解决问题能力的培养，为学生搭建了理论和实践高融合的教学平台。实践证明，以“工作室制”引领的课程教学模式，为学生的学习增加了一定的难度，有效提升了学生主动学习的动力;提高了学生理论知识的实践应用能力，培养了学生探究性学习和解决复杂问题的综合能力和创新思维能力。

5 结语

工业设计机械基础作为工业设计专业不可或缺的专业基础课程，对学生的逻辑思维能力、应用实践能力、产品创新能力的培养有着重要作用。在一流专业建设背景下，须结合金课“两性一度”的高要求以及课程理论性强、实践性亦强的高难度特点，通过教学方法的改革，全面扎实提升学生对理论知识的掌握程度及设计实践能力，培养学生主动性学习及综合解决问题的能力，从而实现课程教学质量和人才培养效能的提升。这些在课程考核成绩、毕业设计作品完成度、校企合作等方面均能显示出课程教学预期目标的达成度。