金属材料工程课程设计“一核心四协同”教学理念改革与实践

2023-07-04陈桂娟谭秀娟马志鹏毕凤琴

高教学刊 2023年37期

陈桂娟谭秀娟马志鹏毕凤琴

摘要：金属材料工程课程设计作为培育材料专业学生工程能力的重要实践教学环节，对标工程教育标准仍存在题目陈旧、工程背景不强、团队协作及创新意识培育不足等问题。该文以材料专业综合课程设计为对象，基于工程教育理念，从题目设置、教学模式、组织形式、引导机制及考核方式维度出发，构建以培养学生解决复杂工程问题能力为核心，CDIO项目驱动、团队协作组织、学科竞赛引导和形成性评价考核共为协同的“一核心四协同”教学理念。金属材料工程课程设计应用表明该理念实践成效显著，可有效提升课程目标达成度、学生学科竞赛获奖率。

关键词：课程设计；工程教育；复杂工程问题；CDIO项目驱动；形成性评价

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2023）S1-0144-05

Abstract： As an important practical teaching approach for cultivating mechanical students' engineering ability， Metal Material Engineering Curriculum Design still has some problems according to engineering education standards， such as outdated topics， weak engineering background， and insufficient cultivation of teamwork and innovative awareness. Based on the concept of engineering education， this article presents a "One Core and Four Coordination" concept for the comprehensive curriculum design from the point of topic setting， teaching mode， organization form， guidance mechanism and assessment method. This concept centers on cultivating students' ability to solve complex engineering problems， and takes CDIO project drive， teamwork organization， subject competition guidance and formative evaluation and assessment as four collaborative ways. The application for Mechatronics and Hydraulic Integration System Design curriculum design shows that the concept has a good practice effect with an obviously improvement of the curriculum goals achievement， and the award rate in the subject competition.

Keywords： curriculum Design; engineering education; complex engineering problems; CDIO project-Driven; formative evaluation

基金項目：黑龙江省高等教育教学改革项目“‘双创’人才培养理念下工程材料‘金课’建设与实践”（SJGY20210142）、“基于创新创业教育的新材料设计实践教学体系研究”（SJGY20210134）、“创新创业教育与材料专业工程人才融合培养的研究”（SJGY20210147）

第一作者简介：陈桂娟（1981-），女，汉族，辽宁瓦房店人，博士，副教授。研究方向为材料科学与工程教学管理。

自我国2016年正式加入《华盛顿协议》以来，工程教育理念成为高等教育本科人才培养的主流思想，各大高校在人才培养方案规划、实践教学体系建设等方面总结了诸多教学理念、方法及模式[1-3]。实践教学是学生获得工程能力的重要途径，成为工程教育改革的核心关注点，工程教育通用标准对其既有课程体系学分比例的底线要求，又有内涵建设的质量要求。课程设计作为实践教学的重要环节，对巩固和加深理论知识，培养学生创新意识，提高动手能力具有重要意义，然而对标工程教育“一核心，三理念，七标准，十二要求”，仍普遍存在题目单一陈旧、工程问题背景不强、团队与创新意识培养不足等问题，亟待开展其教育教学理念与模式研究[4-7]。

近年东北石油大学金属材料工程（简称材料）专业持续开展CDIO、卓越工程师计划及工程教育专业认证等本科人才培养体系改革工作，并于2020年获批黑龙江省一流专业建设点[8-9]。专业积极探索面向工程教育的实践教学模式改革，针对金属材料工程为主体的专业综合课程设计，基于成果导向（OBE）理念重构课程目标，以学生为中心改革教学方法与组织形式，持续改进课程考核评价方式，构建了“一核心四协同”课程设计教学理念，旨在提升学生知识交叉运用能力，培育学生团队合作精神、主动创新意识以及卓越工程素养，进而具备解决复杂工程问题能力。

一课程设计任务与目标

东北石油大学材料专业于第三学年下学期开展为期两周的金属材料工程课程设计，其主要任务是培养专业学生使用现代工具进行机械零件生产工艺流程设计与选材能力，训练学生人际交往能力和团队合作精神，建立工程意识和创新意识，具备初步的复杂机械工程问题解决能力，为培养合格工程师奠定基础。

课程基于OBE理念的目标如下：

1）了解机械零件服役工况，通过相关失效分析，确定该零件所需的主要性能指标；

2）熟悉各种金属材料性能、用途和加工生产工艺，能够根据零件所需性能指标合理选材；

3）结合选材特性，设计零件的生产工艺流程，具备解决基础工程问题的初步技能；

4）掌握机械零件的绘图方法，具备计算机绘图及编制文件的能力；

5）能够运用经济决策方法，评估所需材料的全寿命使用成本。

金属材料工程课程设计作为金属材料工程专业综合性实践课程，课程目标支撑了问题分析、设计/开发解决方案、使用现代工具、个人与团队合作及项目管理等多项毕业要求，既有知识的运用又有非技术因素综合素养的培育，涵盖了培养学生解决复杂工程问题能力所需关键要求，创新设计教学模式与实施举措是课程落实工程教育理念的重要保障。

二传统课程设计存在的问题

（一）题目单一陈旧，创新训练不足

传统课程设计仅设置同一类型题目，区别也仅是设计参数不同，题目的总体设计方案、关键结构设计步骤以及相关设计方法已形成定式，学生设计内容同质化严重；同时，由于设计题目多年不变，内容陈旧，往届学生留存了大量图样及相关参考资料，难免有部分学生存在抄袭现象，导致学生缺乏学习的主动性、积极性，也就无法有效培养学生分析问题和解决问题能力，更谈不上创新设计能力的培养。

（二）复杂工程问题对标性不强，非技术因素缺失

工程教育注重培养学生解决复杂工程问题的能力，而运用深入工程原理、非常规标准与方法，平衡多因素冲突是解决复杂工程问题应具备的核心能力。课程设计题目设置普遍存在工程背景缺失，设计流程固定，分析原理同质，工程标准单一等，设计目标仅面向解决技术问题，并未考虑经济、安全、法律、文化及环境等因素，培养过程方式无法有效对标复杂工程问题所需能力。

（三）团队协作不足，合作意识欠缺

教学过程中采用一组一题的合作学习模式，目的在于锻炼学生团队协作能力，培育合作意识。现实执行过程中部分小组存在成员协作不足，缺乏担当意识，个别学生“蹭吃蹭喝”，设计任务仅靠几个能力较强的学生完成，严重违背了课程设计合作学习模式的初衷。

（四）考核方式单一，缺乏形成性评价

工程教育目标达成注重形成性评价，期望学生独立完成设计过程，而最终考核成绩仅依据完成图纸及设计报告情况评定，对过程考核不足，缺乏对各设计环节学生表现的形成性评价，无法有效判断学生任务完成的独立性、主动性、创新性，难以有效调动学生学习积极性。

三 “一核心四协同”教学理念内涵

培养学生解决复杂工程问题能力是本科工程教育的基本定位与核心问题，本文在解析复杂工程问题基本特征，学生应具备能力基础上，遵循工程教育“成果导向、学生中心、持续改进”理念，结合材料专业课程特点与教学目标，从题目设置、教学模式、组织形式、引导机制及考核方式维度提出了具有工程教育特质的“一核心四协同”课程设计教学理念[10-11]。

“一核心”是以培养学生解决复杂工程问题能力为核心，依托工程背景设置题目，从多角度提出高阶设计要求，保证课题具备复杂工程问题特征。“四协同”一是CDIO项目驱动教学模式协同，构建包含构思、设计、实施和操作等环节的课程设计流程，通过“做中学”促使学生既掌握工程基础理论和专业知识，又得以训练问题分析、系统设计、使用现代工具以及项目管理能力；二是團队协作组织形式协同，体现“学生为中心”理念，合理搭配学生项目团队，按兴趣与能力分工协作完成设计任务，锻炼团队合作精神；三是项目竞赛引导机制协同，基于“成果导向”理念鼓励学生以课程设计题目参与学科竞赛，积极调动学习主动性，培育创新意识[12-13]；四是形成性评价考核方式协同，以过程汇报、成员互评、结题答辩和材料审核等多种形式“持续改进”成绩考核评价方式，对学生的设计过程、设计态度和设计质量进行多维度评价[14]。

四 “一核心四协同”教学理念实践

（一）复杂工程问题项目设置

基于复杂工程问题基本特征，任课教师依托行业企业科研或工程项目，深入挖掘其中机械产品、装置或系统，转化为课程设计题目。要求一组一题，题目具有明确工程背景，设计内容具备复杂性，存在材料、机械、力学等专业知识交叉运用，遵循工程标准与规范，需考量非技术因素平衡等。将上述要素整理规范形成设计任务书，分配给学生团队明确任务要求。

例如，任课教师结合东北石油大学（以下简称“我校”）材料专业办学定位，设置了诸如“游梁抽油机钢丝绳生产工艺设计” “井下抽油泵的凡尔（球）生产工艺设计”等石油机械零件生产工艺的系列题目。该类题目具有显著的油气装备行业工程背景，学生在理论课程、实习实验环节积累了相关知识；任务内容包含材料、机械、力学等专业知识交叉运用，学生需使用深入的工程原理进行分析；设计过程需要考虑油田设备服役环境、操作规范及安全环保要求，了解零件常见失效形式；分析加工零件的材料应具备的力学性能、工艺性能、采购成本；根据实际情况和选材方案，设计零件尺寸，满足使用要求；参考同类零件材料生产加工工艺流程，从能源消耗和环境保护角度制定合理方案。学生要在遵守规范标准前提下平衡多项因素，该类题目要素恰当地契合了复杂工程问题特征[15]。

（二） CDIO项目驱动教学模式

CDIO倡导在工程领域具体情境中实施学生专业知识、团队协作和创新实践能力培养[16]。基于CDIO项目驱动课程设计模式共分四阶段：①构思阶段，学生理解课题研究目的意义，分析所解决工程问题复杂性，掌握设计任务技术与非技术要求，教师协助分析本项目涉及关键知识点；②设计阶段，学生进行资料调研，提出初始设计方案，项目组研讨、论证、分析、优化，确定最终实施方案，完成项目成员任务分配，教师辅助指导方案论证思维、方法与技巧；③实施阶段，学生利用专业知识与相关设计分析软件，形成模型、图纸、报告等成果形式，互动交流修订设计内容，期间教师定期解答学生设计过程中的问题，对个别困难学生进行重点指导；④验收阶段，项目组代表通过答辩展示设计成果，汇报成员工作，交流经验体会，教师点评项目情况，讲授经验教训，完成学生考核评定。

例如，4～5名同学组成课设小组，推选出组长，认真解读任务书，确定课设题目为“抽油机空心抽油杆的生产工艺设计”；首先，组会剖析课题，明确设计内容，组长进行任务分解并分配，分头调研资料，累积抽油机空心抽油杆服役工况、失效形式等相关知识；其次，定期开展组内碰头会，实现资源共享，确定下一步工作重点——确定抽油机空心抽油杆正常工作时应满足的性能要求，并选择不少于三种符合要求的材料；再者，结合工艺性和经济性对所选材料进行综合分析，小组讨论选定最佳材料，并确定抽油机空心抽油杆的热处理工艺、加工尺寸、技术要求以及检验项目和检验方法；然后，应用SolidWorks软件绘制工程图纸，制定和规划抽油机空心抽油杆的整体工艺流程、检验、热处理等工艺卡片。最后，撰写项目结题报告，制作汇报ppt展示设计成果，教师评价与学生互评确定考核成绩。

（三）团队协作组织形式

团队协作意识是现代工程师应具备的基本素养，是解决复杂工程问题所需的重要能力，也是实践教学课程设计训练的关键任务。其实施途径一是构建团结互助项目组，以成绩为区分度，按成员合作意向，自由搭配形成项目团队，保证成员能力均布，协作氛围融洽。二是采用组长负责制运行课题，成员竞争聘任项目组长，负责课题协调管理，包括成员任务分配与沟通交流，制定项目执行计划等。三是项目任务分配模块化，依据项目内容、成员兴趣与能力专长将任务分解为多个模块，做到成员任务分配合理、责任清晰，确保项目执行进度。四是建立监督促进机制，项目总体成绩与个人成绩挂钩，项目组成员进行动态淘汰，培养成员团队与责任担当意识。

例如，为构建4～5人的项目团队，以成绩绩点为依据将学生知识水平分为4个层级，不同层级学生按照能力互补自由组合原则形成团队，避免部分小组成绩优异学生集中，成员合作不和谐等问题。不局限于学生成绩，通过自荐或推选方式，确定管理协调能力强、知识水平高、有责任担当的学生作为项目组长，负责项目组织实施。按任务要求将项目分解为零件服役工况分析、失效形式分析、选材及优化、确定零件尺寸、制定生产加工工艺流程、成品检验涂装、评估全寿命使用成本以及撰写设计报告和汇报材料等任务模块，成员各司其职分担项目任务，组长协调任务执行情况。以项目总体成绩作为成员个人成绩均值，建立成员团队责任意识，针对个别消极怠工成员，组长与成员可申请其退出项目团队，取消课程成绩，激发成员完成任务主动性。

（四）学科竞赛引导机制

学科竞赛是提升学生创新意识、实践能力和团队合作精神，培养学生专业能力素质和综合能力素质的重要途径，与课程设计教学目标具有异曲同工之处，开展二者过程、内容与组织形式的深度融合有助于共同促进目标达成。竞赛导向可增强课程设计高阶性，以参与竞赛为目标设置部分课程设计题目、要求与成果形式，难度上明显高于传统课程设计，可促使学生掌握高阶知识，形成高阶思维和能力以解决复杂工程问题；竞赛导向提升课程设计创新性，学科竞赛聚焦于以发明创新填补工程技术与产品空白，以课程设计培育竞赛项目有助于提升学生创新意识；竞赛激励提升课程设计挑战度，在传统课程设计中，学生趋向容易完成挑战性低的题目，而在学科竞赛激励制度下，依托课程设计参与学科竞赛，显著增强学生挑战复杂性设计题目的意愿。

例如，教师依托课程设计指导学生团队，完成先前已立项的创新创业训练项目，预研培育“互联网+”创新创业大赛等新项目，辅助教师执行相关科研课题，开展下一学期毕业设计题目前期铺垫。学科竞赛与课程设计促进融合，教师学生教学相长，近些年专业学生课程设计主动性显著增强，成果形式更加丰富，质量有效提升，学科竞赛学生参与率、获奖率明显升高。

（五）形成性评价考核方式

形成性评价是一种在教学过程中对学生学习过程进行评价的方式，着重关注学生的学习效果、过程、参与程度和学习态度等。金属材料工程课程设计依据执行过程、组织形式、成果要求制定了形成性评价方式，考核成绩主要包括组内评分、组间评分、指导教师评分（设计过程）、课程设计论文打分（指导教师和答辩小组平均分）、课程设计答辩，具体评分细则见表1。

五教学理念改革实施成效

（一）课程目标达成度显著提升

我校材料专业2018年开展工程教育认证改革工作以来，基于“一核心四协同”教学理念持续改进金属材料工程课程设计教学工作，教学成效日渐显著。课程目标达成度是反映教学效果的直观指標，2015级传统教学模式与2017级新型教学模式下，学生课程的目标达成度如图1所示。由图1可知，5项课程目标均不同程度有所提高，尤其是目标2非技术因素、目标4团队合作和目标5项目管理有显著提升，这正与“一核心四协同”理念强调的解决复杂工程问题为核心、团队协作协同、CDIO项目驱动协同宗旨具有良好的匹配性，形成性评价协同又进一步促进了上述宗旨的落实。

（二）学科竞赛参与获奖率明显增高

学科竞赛与课程设计互助协同，为课程设计建立了成果导向，为学科竞赛提供了实践平台。专业师生依托金属材料工程课程设计开展学科竞赛培育，近三年（2020—2022年）获批了大学生创新创业训练计划项目国家级2项，省级40余项，获得“互联网+”大学生创新创业大赛省级以上奖励30余项，获得全国大学生金相技能大赛、中国大学生材料热处理创新创业大赛、中国大学生工程实践与创新能力大赛、“挑战杯”黑龙江省大学生创业计划竞赛特等奖、金奖10余项。相比于前三年（2017—2019年）专业学生的学科竞赛参与率25.4%（95项/374人）与获奖率10.4%（39项/374人），近三年参与率提升至51.3%（249项/485人），获奖率达到35.1%（170项/485人），且显著高于学院平均水平，学科竞赛与课程设计形成了和谐共赢促进机制。

六结束语

课程设计作为培育学生工程能力的重要途径，如何在教学模式中有效融入工程教育核心理念是其教育教学改革的重点。本文以金属材料工程课程设计为对象，结合教学过程提出了目标与举措逐一匹配的“一核心四协同”综合课程设计教学理念，实践应用佐证了理念的成效性，其核心思想与实施举措为专业实践环节教学改革工作提供了良好借鉴与参考。

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