重能力求创新：推进机械设计课堂改革探究

刘凌 姚梓萌 韦炜 吴神丽 梁小明 马琨

摘  要：机械设计课程是以新工科建设为背景，适应国家创新驱动发展，先指出课程存在内容传统、课堂讲授为主和实践教学相对单一等不足，通过设定课程目标，根据目标对课程内容进行重构，课堂教学改革以及教学评价改革等贯穿机械专业人才培养全过程，实现多课程综合应用，融合信息技术与产业技术，重组内容、搭建新的实践平台，重构评分标准，融合第二课堂，贯彻学院“七个一”工程，可操作性强，形成对同类高校具有示范引领作用的新模式，对提升机械专业一流创新人才的培养质量具有重要的参考价值。

关键词：新工科；创新课堂；课堂改革；创新型人才培养；机械专业

中图分类号：G640         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）02-0057-05

Abstract： The course "Mechanical Design" is based on the construction of new engineering and adapts to the country's innovation-driven development. First， the paper points out the problems of the course-outdated content， mainly classroom teaching and relatively simple practical teaching. According to the goal， the course content is reconstructed， and the reform of classroom teaching and teaching evaluation， etc. runs through the whole process of mechanical professional personnel training， realizes the comprehensive application of multi-course， integrates information technology and industrial technology， reorganizes the content， builds a new practice platform， focuses on Constructing scoring standards， integrating the second classroom， implementing the college's "Seven Ones" project， having strong operability， forming a new model with a demonstration and leading role for similar colleges and universities， and providing an important reference value for improving the training quality of first-class innovative talents in mechanical majors.

Keywords： new engineering; innovative classroom; classroom reform; innovative talent training; mechanical specialty

机械设计课程（以下简称“本课程”）已开设很多年，由于是我国基础教育中很重要的内容，因此经典设计理念和设计思路很多年行业专家也不敢做大的调整与改革，即使本文提到的改革，也只是在教学方法、教学场景等方面开展，内容仍然是在“继承的基础上创新”。邓文娟等[1]以优化教学内容，丰富教学案例，探索任务角色式驱动教学方式以及加强实践教学等方式对该课程进行了改革。刘凌[2]通过实验室现场教学手段提高学生学习兴趣。杜海彬等[3]针对学生对机械设计课程提不起兴趣甚至采用“逃避”方式的问题，为切实提高学生技能，将知识应用到企业中去，对课程内容进行了重组，利用Excel开发出大量设计计算技术文件，以“轴类零件及连接件的设计计算”详述了开发过程，这既提高了设计计算效率，也提高了计算可靠性。苏思超等[4]因为新冠病毒感染疫情转为的线上线下混合式教学，发觉学生学习自主性不强，大部分学生没有较强的自我约束能力，于是要求学生开展课前预习，课后复习及练习，同时不断丰富、完善线上教学资源库。孙美娜等[5]将启发式教学法引入课堂，设置成果评价机制和完善考核方式，实现以成果为导向的教学目标，将知识课堂向能力课堂转变，培养学生的自主创新学习能力和实际动手能力。梁健[6]把创新创业教育与专业课程融合，以培养满足社会发展需要的卓越人才。李轩[7]以学生为中心，采用分组学习，团队设计方法，展开机械设计课程设计工作。黄霞等[8]融机械设计课程设计于理论教学过程，使设计实践与理论教学同步，多渠道、多角度更新课程设计题目，注重题目的先进性和创新性。冯伟东等[9]通過应用型本科院校机械专业模块化实践教学体系的探索，给我们提供了实践教学模块化的理念。孙建芳[10]和严培培[11]分别通过机械设计课程与制图测绘课程对机械设计实践教学进行了改革。刘凌等[12-13]主要在新工科背景下加强实践教学，设置综合能力训练环节等提出了机械设计课程实践教学改革的思路。董应超等[14]结合该课程的知识结构，探索创新课程思政的实施路径。多元混合式教学模式，借助画龙点睛，隐形渗透，任务驱动，案例、专题嵌入五种手段，将思政元素融入教学全过程。马雪亭等[15]和刘平平等[16]分别从融入大赛和项目式教学对机械设计课程进行了创新。

以上的研究，分别在OBE理念、线上线下混合式教学、项目融入课堂教学、大赛融合课堂教学上，从教学手段、教学方法、教学环节、教学内容和考查手段等多方面对机械设计课程改革进行了论述，但是没有看到从新工科发展出发，结合工业现场情景式的教学，因此本文从现场教学入手，融入项目设计、现场搭建实物模型等角度对本课程改革进行论述，培养出来的应用型本科学生既要适应社会对复合型人才的需求，同时也让培养的学生能力与企业零接轨。

一  课程背景

随着国家创新驱动发展等战略的提出，我国机械行业及人才需求正逐步走向智能化。随着秦创原平台建设步伐的加快，成果导向的实施，传统的培养模式已经不适应企业对创新型人才的需求，传统的讲授式课堂急需改革。机械设计课程是机械设计制造及其自动化专业的一门关键核心课程，课本内容还是传统《机械零件》内容，经过第10版改版，更新了国家标准外，增加了VR教学内容。本课程起于1980年，开课初期由于实践环境差，全部采用传统的课堂授课；随着创新驱动的提出，改为以课堂讲授为主，实验教学为辅；随着转型发展的提出，改为以情景式讲授为主，实验教学为辅；随着《中国制造2025》的提出，除了情景式讲授，增加了学习通线上辅导、线上平时考试、VR教学，辅以实验教学；新工科提出后，OBE认证要求也越来越严格，社会对复合型应用人才的需求也越来越大，亟需改革。

二  机械设计课程存在的问题

（一）  课本教学内容不能满足创新型人才知识体系的培养需求

机械设计课程已经开设40余年，教学内容受到传统学科框架体系的思想束缚，在具体教学实施过程中，如何适应新工科发展需求，以成果导向“需求”作为培养目标，需要重构课程内容，适应市场需求的人才培养理念。

（二）  传统教学方法不能满足行业发展对创新型人才的培养需求

传统的教学方法过于注重理论知识的传授，课堂讲授多，实践环节少；提供结论多，探究问题少；没有形成学生为主的教育理念，使得学生难以掌握具体的应用能力，丧失了创新能力，导致培养出的专业人才难以适应社会需求，这也是我国机械设计制造技术落后于西方国家的重要原因之一。

（三）  传统的实验课程不能适应新工科对创新型人才的需求

传统的实验教学内容要求能力单一，验证实验多，综合实验少；单一分析多，综合运用少。不能满足新工科对学生创新能力的要求，很多实验课程都是以某一节课学完后设置一个实验，主要由一两章的理论内容为导引来完成，就新工科人才培养而言，很难形成以解决复杂工程问题的能力，很难实现企业“好用人才”的人才培养目标。

三  课程的主要目标

通过该项目的开展，达到以下目标。

（一）  多个视角来不断优化和提升教学质量

提升学生的参与度是课堂教学的主要目标，参与了课堂，学生才有自己的思考能力，才可保证课堂的有效性，一是促进学生独立思考；二是调动全员参与。

（二）  创设学习情境培养学生解决复杂问题能力

坚持理论与实践相结合、工作与学习相结合，打破以课本内容设置课程教学内容的思维定式，按能力培养要求设置课程内容，确保教学的针对性和有效性，让学生能熟悉国家标准，产品表达方式，注重创新精神、创新意识和创新创业能力的培养，具有解决较为复杂工程问题的能力。

（三）  激活并保持学生的学习动机

积极引导和支持学生课外科技创新活动，通过图纸工程化和说明书的撰写训练学生表达能力，将新技术和行业标准贯穿课程内容，加强学生创新创业能力和职业能力的培养。

（四）  贯彻学院学生素质培养“七个一”工程

使学生在四年每人至少申报或参与申报一项专利或发表一篇科技论文、参与一项省级大赛、申报或参与一项大创项目。

（五）  课程思政贯穿于整个教学环节

通过大国重器视频宣传片，让学生了解到齿轮加工机床、高铁轴承、机器人减速器等装备关键零部件大部分还在依靠进口的局面，培养学生爱国情怀、科学精神等。

四  课程内容的重构

本课程贯彻新工科建设行动路线：“问技术发展改内容，更新工程人才知识体系”“问学生志趣变方法，创新工程教育方式與手段”的创新型人才培养的教学内容重构，发展创新工程教育方式。

（一）  问学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段

提出了“一主体+二核心+三能力”的课堂教学模式。以学生为主体，以锻炼学生学科交叉应用能力、激发思维能力为核心，以创新能力、自主能力、团队协作能力为监测点的培养模式。例如轴的结构设计这节课，讲授完理论部分，让学生搭建一级齿轮减速器，主要锻炼轴上零件的轴向和周向定位，课堂大部分时间留给学生，让他们自己思考，斜齿轮传动和直齿轮在轴上的安装定位，选用轴承要注意的问题等。

（二）  问技术发展改内容，更新工程人才知识体系

本课程打通第一和第二课堂，通过各种大赛使用的新技术，交叉融合技术，培养学生创新能力知识体系，形成行之有效的“金字塔”模式创新能力培养。通过教学组织形式提高学生的学习兴趣；通过研究性学习、专题研讨式、小组合作学习和挑战性学习等方式提高学生学习的参与度。通过机创和工程训练大赛设置机械原理及设计课程设计项目内容，设计的图纸用于制造技术与数控加工，验证设计的正确性，最后通过基于项目的技能拓展制作、安装和调试，优化设计的结构，形成全员参与、全过程参与的知识体系。如图1—图3所示。

（三）  问交叉知识应用，建综合实践课程课程群

机械设计是械专业的核心课程，上下衔接课程，通过本课程学习，后续设置机械原理及设计课程设计、制造技术与数控加工、基于项目的技能拓展、毕业设计等课实践课程的课程群，促进学生解决复杂工程问题的能力，创新性思维能力。如图4所示。

图1  打通第一课堂与第二课堂

五  教学评价的改革

加大对学生线上学习和小组合作的过程性考核。

（一）  发挥学生主动性的课堂

对小组合作过程性考核进行了改革。课堂教学过程中，让学生分组搭建一个简单装置，考查学生选择零部件能力、零件的定位能力。给定一个外力，让装备运动起来，听其传动分贝值来给定成绩，判断其定位是否准确；通过检测零部件之间公差与配合，判断选择零部件是否合理等。

（二）  以学生为主的课堂

一般老师讲授20分钟，学生自己操作，操作完毕选出1～2组思路清晰的同学，在课堂讲授自己的思路和制作过程，发挥了学生的主观能动性。

（三）  让学生参与评价的课堂

学生分组搭建一个简单装置，组与组之间相互评价，学生的自我监控和反思能力得到培养，也学会了批评与自我批评，发现别人的优点与长处。

六  课程特色与创新点

（一）  课程特色

1）适应新工科发展需求，践行创新型育人理念。课程采用“学做一体、情景式”教学方法，通过工业现场与课本理论知识相结合，问理论求实践，问知识求应用，帮助学生理解工程抽象问题，师生交流探讨教学方式。

2）适应“智能制造”技术需求，培养学生创新知识体系。打通了第一课堂与第二课堂，以学促赛，以赛促教、赛教结合，在锻炼学生综合实践应用能力的基础上，产生了很多成果，适应了时代发展潮流。

3）践行“三全育人”理念，与时俱进地改革教学内容。实时渗透课程思政内容，团队不断升级和更新教学内容，将智能制造、VR教学、学习通线上资源及中国大学MOOC作为教学手段，分层次、分阶段引入教学过程中，使学生开阔眼界、拓展思维。

（二）  教学改革创新点

1）突出情景式教学模式。充分利用机械设计实物装置与生产一线资源相结合，使学生更好地理解课本抽象的概念和公式。

2）学科竞赛融入教学内容。通过学科竞赛的设计与研制，做中学，学中做，边做边学，边学边做，突出课程的前沿性，增强学生学习兴趣，激发学生的创新思维。

3）结合机械工程领域核心技术短板，融入课程思政元素。通过国内智能装备核心技术短板，如高铁轴承、齿轮加工机床等案例，培养学生爱国情怀、科学精神等，旨在培养学生实事求是、積极探索的治学态度，客观辩证的思维方式。

七  结束语

1）通过综合实训课程设置，促进了教师和学生的科研创新能力，强化了理论联系实际的能力，近几年学生的毕业设计和各种大赛获奖质量逐年攀升，学生参与老师的科研项目逐年增加，教师解决企业现场实际问题的能力大大增强。

2）通过科研创新能力，学生综合实训能力大幅提升，也践行了以科研促教学的方针，落实了新工科对复合型人才的需求。

3）从这几年老师的教学能力和科研能力提升看，学生培养质量大幅提升，就业率也大大提升，从2016年的一次就业率75%提升到2020年的94.5%；学生服务社会的能力也大大增强，每年毕业生进入过硬大中型企业人数大大增加。

4）从近几年输入给各高校的硕士生质量来看，受到各招生单位的一致好评，一进高校，立刻可以进入导师科研项目的研究工作。