面向创新设计能力培养的机械设计基础实验教学改革探索

2022-11-04王永泉奚延辉

高教学刊 2022年31期

桂亮，金悦，郭婷，王永泉，奚延辉

（西安交通大学机械基础国家级实验教学示范中心，西安 710049）

工程教育专业认证是国际通行的一种工程教育质量保证制度，遵循成果导向，以学生中心、持续改进为理念[1]。我国高校大规模启动该项工作，旨在面向工程实践、依托产教融合协同育人，培养符合地方产业发展的工程人才，大力提升工程人才培养质量。2019 年教育部全面启动了一流本科课程建设，提出了“两性一度”（高阶性、创新性、挑战度）的课程标准[2]，旨在推进课程改革创新，实施科学课程评价，完善以质量为导向的课程建设激励机制，形成多类型、多样化的教学内容与课程体系。

实践教学是本科生整个教学体系中的重要环节[3-4]，尤其对工科专业而言，重要程度不可言喻，其可以帮助学生加深对理论知识的理解与应用，培养学生运用实验手段研究解决机械类专业复杂工程问题的能力[5-6]。因此，近些年很多学校在工程教育认证和一流课程建设标准的指导下，陆续开展了实践教学成效的持续改进，如清华大学在流体力学课程中设计了创新性实验教学项目，增强了学生发现问题、分析问题和解决问题能力的实践创新能力[7]；上海交通大学在材料综合实验课程中引入创新性实验项目，建立以学生小组为执行主体的项目运行模式[8]；华中科技大学光纤光学课程改革更新实验课程，实验内容紧跟目前光纤通信前沿与热点技术，有利于学生独立解决问题能力、自学能力的培养[9]。

机械设计基础是机械工程、能源与动力工程等工科专业的核心基础课程之一，起着承上（基础知识）启下（专业知识）的作用[10]。西安交通大学每年有近40 个班的1 000 余名学生参与此课程学习。本文以该课程为例，依据工程教育专业认证和一流课程建设原则，阐述了近几年来从实验内容、环节的设置、指导方法和持续改进等方面的教学改革措施。

一、课程实验教学改革背景

机械设计基础课程是将原先机械原理和机械零件课程合并组建而成的一门专业基础核心课程，课程目标是培养学生在机械设计领域的创新意识，从而具备识别、分析和解决复杂工程问题的能力。为了帮助学生掌握常用机构的分析与设计方法及机械零件的设计原理、方法等，课程设置了16 学时的实验环节。在过去的实验教学过程中，总体上能够达到帮助学生理解相关知识的效果，但仍存在以下四方面问题。

（1）实验项目以验证理论知识、掌握实验技能为主，综合性和设计性实验开设率低，学生大都“被动参与”。

（2）实验内容和环节不利于培养学生创新设计能力，教学主要为知识传授服务，与工程教育专业认证的“以学生为中心”、产出导向的理念不符。

（3）实验考核方式单一，主要以实验结果为主，学生可自主发挥的空间有限，不利于提升学生的积极性。

（4）不论是教学内容还是教学模式，多年不变，未能基于学生的反馈进行持续改进。

二、课程实验教学改革措施

（一）实验教学改革理念

工程教育专业认证标准遵循三个基本理念：成果导向（Outcomes Based Education，OBE）、以学生为中心和持续改进[11]。OBE 的核心任务是教学设计，教学实施的目标是学生通过教育过程取得学习成果。因此，实践教学活动的实施要围绕学生的实践学习成果产出来设计[12]，按照自上而下的方向设计路径，以培养目标为最高导向，经由毕业要求和课程关联矩阵逐层分解、映射得到[13]，从而设计出相应的实践环节；“持续改进”是工程教育专业认证的核心理念之一[14-15]，是基于学生实验学习效果评价的质量改进和保障机制。实验教学活动应该包含多个闭环反馈和改进环节，需要通过实验教学内容的合理设置，实验教学方法和实验教学手段的改进来引导学生、启发学生，从而提升实验教学的效果，预期实现以下目标。

（1）加强实验的综合性、研究性和创新性，加大学生学习投入，让学生体验“跳一跳才能够得着”的学习挑战，同时优化考核评价，增强学生经过刻苦学习收获能力的成就感。

（2）实验环节设置坚持将知识、能力有机融合，培养学生深度分析、解决复杂工程问题的综合能力和高级思维。

（3）将前沿学术研究引入实验教学，体现前沿性与时代性，积极引导学生进行探究式与个性化学习。

（4）实践教学内容和环节的设置依据学生的反馈每年持续改进。

（二）实验教学项目综合化

基于OBE 的理念，实现学习产出最终要落实到课程的教学上，这是一个自上而下的反向设计过程。根据毕业要求和课程关联矩阵逐层分解得到课程的教学目标，而课程教学又是通过理论教学和实践教学实现对学生能力的培养。按照培养学生解决复杂问题能力的目标定位，实践教学要与理论教学相结合，选择恰当的载体，使学生经历复杂工程（系统）的过程和要素，并在构建过程中掌握深入的工程原理，体现知识、技术和方法的综合应用。因此，课程重新规划了实验项目，大幅度删减了传统的验证型实验，增加了综合型实验的比重，构建起验证型—综合型并存的综合化实验项目体系，在每项综合实验项目的设计中力求建构一种面向复杂工程问题能力培养的教学背景或情境，包括：（1）需运用数学、运动学、力学等科学和工程原理在一定约束下对特定功能的机构组合系统进行分析、描述；（2）内容涵盖设计、建模及实现，具有综合性和一定挑战度。

改革后的课程教学计划设置了2 个综合型实验（3选2）、2 个验证型实验（4 选2），见表1。课程目标对毕业要求的支撑关系及实验环节对课程目标的支撑关系如图1 所示。3 个综合性实验主要培养学生的机构分析与设计能力、系统方案设计能力及问题解决能力。

图1 机械设计基础课程目标对毕业要求的支撑关系

表1 改革前后的实验项目对比

（三）实验教学过程节点化

教学过程决定了教学内容实施的好坏，如何设置实验环节来承载相应的教学内容，以便更好地引导学生将学到的理论知识和实践应用结合起来，是教学效果提升的举措保证。在改革后的实验教学中，提出了“阶段目标节点驱动”的教学理念，以综合实验一“面向机器复杂功能的运动系统创新设计与实现”为例，其教学环节设置如下。

1.环节一：查阅机构优化设计文献并撰写综述

以工业机器人为对象，针对某一具体方向，查找近年相关机械产品，了解其功能实现的机构、工作原理、特点和优势。自选主题，撰写文献综述报告。要求阅读相关研究文献不少于20 篇，其中近五年的文献不少于10篇，参照综述论文格式进行撰写，不少于3 000 字。

2.环节二：案例模型学习与搭建

按照给定模型案例，学习创意组合模型结构设计的方法，按照说明书要求搭建案例模型。

3.环节三：产品方案设计与建模

各小组根据给定的实验任务、所查资料，以各组案例模型零件为依托，设计能实现功能需求的运动系统方案，利用三维建模软件对所设计的产品方案进行建模，并进一步优化设计方案。

4.环节四：方案系统搭建与实现

以小组为单位，根据搭建设计方案整体模型（零件以案例模型零件为主要依托，也可利用3D 打印机等自行加工或借助其他零件），使其能实现设计的目标功能需求。

5.环节五：方案展示与评价

撰写实验报告、答辩PPT，进行方案展示与答辩。

各环节时间节点如图2 所示。

图2 综合实验各环节时间节点

改革后的课程教学计划中综合型实验大幅增加，其特点和组织方式均不同于传统的验证型实验，更注重强调以学生为主体，3～5 个学生一组，根据设定的题目由小组探索并寻找解决方案，引导学生进行主动实践，给学生探索、创新的空间。因此，综合实验的指导主要采用基于项目制的探索导学互动式实验教学方法，以学生为主体的“变教为导，以导促学，学思结合，导学互动”。

（四）实验教学考核指标化

综合型实验由若干递进的任务环节构成，其考核形式不能像验证型实验仅仅依靠实验结果进行考核，而应该将过程评价和结果评价相结合，个人考核和团队考核相结合。因此，从课程目标出发，针对每个综合型实验，各任务环节均有评价指标。以综合实验“面向机器复杂功能的运动系统创新设计与实现”为例，其考核包括两部分：小组成绩和个人成绩。个人实验成绩=小组成绩×个人贡献度。其中小组成绩由实验各个环节评分得出，见表2。个人贡献度是指该学生在本实验中的贡献程度，由各组学生自行商定并说明贡献度分配理由，见表3。

表2 综合实验评分量规表

表3 组员贡献度

（五）实验教学改进持续化

每个综合型实验结束时，要求每一名学生填写综合实验效果调查问卷。每学期末，实验指导教师对调查问卷进行统计分析，如图3 所示。根据学生的反馈和实验报告、答辩等环节发现的问题进行讨论，对下一轮实验从内容优化、环节设置、实验考核及指导方法等方面提出进一步的改进措施。

图3 综合实验效果调查结果

以综合实验二“机器功能驱动的机构优化设计与评价”为例，本实验旨在加深学生对机构组成结构的认识，培养学生机构分析及设计的能力及三维建模的能力。为了更好地激发学生对机构设计的兴趣，每年的选题都在不断优化，与各类学科竞赛主题、机构学前沿研究热点等内容相结合。如2017 年与第八届全国大学生机械创新设计大赛主题相结合，要求设计一款水果采摘机构；2018—2021 年则围绕仿生机构，而每一年的要求均有所不同。

又如综合实验三“轴系结构设计与组装”，整个实验跨度7 周时间，在进行环节“轴系结构设计”时，部分内容尚未学习，因此，对部分零件功能、应用场合不清楚。基于此在第二年教学中进行了改进，在轴系结构设计之前增加了一个环节“轴系零件测量与轴系设计认知学习”，要求学生对轴系模型中相关零件的功能、应用场合进行梳理，并通过轴系展板等进行轴系结构的认知学习，并根据各组学生的掌握情况进行指导。环节改进后，学生反馈效果很好。

三、实践教学改革成效

（一）学生积极性和成绩大幅提升

经过改革，学生参与实验的积极性和互动性大大提升，从资料查找环节、设计环节到答辩环节，各组学生会积极与指导老师讨论，并对实验提出他们的感受和改进建议。实验报告撰写认真，三维建模、机构设计与分析的能力得到训练，如图4 所示。改革前后学生的实验成绩对比如图5 所示，可以看出改革后学生成绩有很大幅度提升。

图5 实践教学改革前后实验成绩对比

（二）学生创新设计能力持续增强

由于机械设计基础课内综合实验的选题和环节设置均与全国大学生机械创新设计大赛紧密结合，学生对机构创新设计的兴趣和能力大大加强。图6 为学生为快速方便摘柑子而设计的“助力柑子采摘器”，其采摘头采用联动式对称十杆机构，通过一个滑块带动两个摇杆运动，通过两摇杆带动切割刀片完成开合运动，实现采摘。该作品由于其独特的十杆机构设计和良好的采摘效率获得了第八届全国机械创新设计大赛一等奖。自从实践教学改革以来，本校在历届全国大学生机械创新设计大赛中的成绩不断创新高，第七届获国赛一等奖5 项，二等奖5 项；第八届获一等奖12 项，二等奖2 项；第九届获一等奖10 项，二等奖7 项。连续三届国赛获奖数量居全国高校第一。