教學模式的機械設計課程群的建設與改革

教學模式的機械設計課程群的建設與改革

　　教學模式的機械設計課程群的建設與改革

　　田君，鐘守炎，孫振忠

　　（東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞523808）

　　摘要：本文基于機械設計制造及自動化專業“卓越工程師教育培養計劃”的培養標準，采用基于產出教育模式，打破機械設計課程群中各課程內容的歸屬性，弱化各課程個性概念；強化課程內容之間的融合、交叉和關聯；從提高學生創新能力和解決實際工程問題能力的培養目標層次把握課程內容的分配與實施，刪除、調整課程群中內容重疊部分、理論性較強部分和不適應當代新技術等部分，有效降低課程群的總教學課時，加強實踐教學課時。通過機械設計課程群的建設和改革，增進學生在設計中的創新意識和競爭意識，培養并提高學生的創新能力和解決工程問題的能力，真正實現卓越工程師的培養目標。

　　關鍵詞：機械設計制造及其自動化專業；機械設計課程群；卓越工程師；教學改革；基于產出教育

　　基金項目：東莞理工學院教改革項目：基于卓越工程師培養目標下機械設計課程群的建設與改革，莞工教[2014]1號。2015年廣東省精品資源共享課：機械設計基礎

　　作者簡介：田君（1968-），男，副教授，博士，副院長，研究方向：教學管理工作，機械設計。

　　在傳統的機械類專業課程設置中，主干課程一般分為技術基礎課程和專業方向課程。技術基礎課程如工程力學、機械制圖、公差與配合、機械工程材料、機械原理、機械設計、機械CAD等，這些課程組成為以機械設計課程為中心的機械類專業技術基礎課程群，簡稱機械設計課程群[1]。傳統的機械設計課程群的內容追求的是學科體系的完整性、學科間相對的獨立性，結果出現了內容交叉及知識點銜接不緊密問題。對于課程的知識的要求，老師在對落后知識點的處理上，大多數只是蜻蜓點水般簡單介紹，致使學生覺得內容繁雜及思路不清、理解不透徹，學習的效果差。在本專業課程教學的過程當中，仍存在著“重局部、輕綜合，重理論、輕實踐”的種種現象。機械設計課程是一門機械零構件設計、強度和剛度設計的綜合性學科，和機械制圖以及公差與配合等的課程聯系非常緊密。受傳統課程框架的制約以及授課學時的限制，課程改革只能是局部的，常常造成機械設計的實訓環節內容單一，涉及的交叉課程綜合運用問題也暴露無遺，尤其是在與精度設計內容相關的知識運用等方面，學生總是一味地照搬照抄，缺乏的是獨立思考及解決問題的能力，在機械設計過程中，幾乎看不到機器協調性很高的精度設計思想及工程設計中的創新，同時也達不到預定設計的要求，也說不上利用計算機軟硬件提高設計效率。有些教材甚至還存在以下問題：某些技術概念陳舊，使用的教學實例已不符合現在技術要求，技術標準不是國家最新標準，煩瑣的理論公式推導占用較大篇幅，課程設計部分選題脫離實際，等等。

　　以上問題已嚴重影響教學質量，致使學生缺乏創新能力和解決實際工程問題的能力，這與卓越工程師的培養目標根本不適應。東莞理工學院機械設計制造及其自動化專業，是國家教育部批準的高校“卓越計劃”第一批試點專業之一。近年來，在機械設計專業“3+1”人才培養模式中，通過與企業的研討溝通，不斷完善人才培養方案，迫切需要以工程應用能力為主線的課程整合、教學課程體系的重構[4]。卓越工程師的培養目標下的新型機械設計課程群的建設與改革將勢在必行！許多應用型工科院校課程群的建設仍處在初始階段，課程群建設的概念和內容以及方法及體系的構建沒有統一標準，在一定的程度上影響課程群的建設質量。因而對于課程群的建設與改革將是長期而復雜的過程，需要我們不斷地努力探索與奮斗！

　　一、機械設計課程群的建設與改革指導思想

　　在“重基礎、寬口徑、強實踐、擅應用”的指導方針下，基于卓越工程師的培養目標，圍繞著“一個中心、三個基本能力”進行機械設計的課程群建設和改革。在編寫課程群網絡課程時，打破課程內容的歸屬性，弱化了課程個性的概念，強化發課程內容間的融合、交叉和關聯，樹立了大課程的觀念，從能力培養的目標層次上來掌握課程內容的分配與實施，進一步地優化專業結構和布局，對專業的建設進行科學與準確的定位。

　　在編寫課程群網絡課程時，還應當采用基于學習產出的教育模式（Outcomes-Based Education，縮寫為OBE）進行課程體系設計。圍著機械設計專業預期“學習產出”，反向設計各門課程，確定各門課程對于實現預期“學習產出”的貢獻和程度，突出實現卓越工程師的能力培養。

　　二、機設課程群的建設內容

　　（一）修訂培養計劃和教學大綱，完善機械設計課程群體系

　　2013年，機械設計課程群的主要教師通過與數十家東莞大中型制造企業共同溝通研討，對機械設計及其自動化專業的培養計劃和教學大綱進行全面修訂，新的培養計劃和教學大綱是面向工業界，培養素質、知識、能力協調發展，基礎扎實、知識面寬、工程意識和工程實踐能力強，具有創新精神、較強的自主學習能力、優秀的職業道德，系統地掌握機械設計、制造、自動化的基本知識、基礎理論和基本技能，具備從事機電產品和設備的研究設計、加工制造、技術管理、應用與開發、運行維護、經營銷售等方面的工作能力和素質，得到機械工程師、制造工藝師和產品服務工程師等基本訓練，適應珠三角地區特別是東莞市的制造業產業升級需要，具備國際化視野和現代工程師素質的應用型高級專門人才。根據新的培養計劃和教學大綱，構建以工程應用為主線的，以傳統機械設計理論與方法為基礎的，著重提高學生工程素質及綜合應用與創新設計能力培養的機械設計課程體系。

　　（二）基于OBE教育模式進行機械設計課程群體系設計

　　采用基于OBE教育模式進行課程群體系設計，其本質就是課程計劃的“反向設計”，明確各門課程、每節課對于實現預期“學習產出”的貢獻及程度。

　　根據新的培養計劃和教學大綱，我校機械設計專業畢業生應是適應珠三角地區特別是東莞市的制造業產業升級需要的、具備國際化視野和現代工程師素質的應用型高級專門人才，即卓越機械工程師。教師要根據“學習產出”類型，使用多樣化的教學方法。老師可以把自己與名人的工作實踐經驗和創新的經歷，細致地介紹給自己的學生，激發學生的創新意識和學習熱情。激勵學生們自由選題，開展各種小發明的制作，以及軟件開發與教學論文撰寫等多種多樣的創新活動。在課堂教學中還要多鼓勵學生積極思考，敢于提出問題、回答問題，使學生養成積極主動思維的習慣。

　　在理論教學方面，要多結合實際工作中的工程對象，實行理論分析計算與工程實際相結合的模式，將先進現代教學的工具及傳統教學的方法有機地結合起來，摸索出一種手段先進的、生動活潑的、內容豐富的教學新模式。

　　任課教師應盡可能地創設豐富的教育環境，調動學生積極地參與到整個教學過程。在課程的教學上，教師也可以采取測驗、問卷及項目等多種多樣化的評價方法，對自己學生實際“學習產出”進行評估，根據評估結果及時調整該課程教學內容和改進教學方法。

　　（三）樹立大課程觀念，優化各課程內容，突出以機械設計課程為中心和工程應用能力的培養

　　1.打破各課程內容的歸屬性，弱化各課程個性概念，強化計算機技術在機械設計過程中的應用。機械設計課程群的目的是為機械產品設計服務，經過課程群的學習，幫學生培養基本機械設計的能力，也是機械設計制造及其自動化本科專業的培養目標。在課程群各門課程教學與改革中，要以機械設計為中心點，根據具體設計的程序，將零部件制造與設計進行完美的組合，同時，要充分考慮機電產品的具體設計要求，對于課程群的內容進行規劃和整合。著重課程群的整體性建設，增強不同課程間的互補與整合，促使教學內容的有機結合，避免了缺失與重復，形成了完善及合理的課程群體系。

　　例如在編寫《機械設計》及《公差與配合》的網絡課程時，要突破課程內容界限，重新精簡課程群組交叉的內容，運用“綱要信號網絡法”，將典型零部件的運動設計及結構設計作為提綱，以具體設計方法為信息，把《機械設計》課程圖表及公式和《公差與配合》的幾何量公差及檢測內容，納入機械設計的信息圖庫，同時，充分發揮多媒體教學聲像并茂的優勢，充分與學生進行信息交流，加強了教學重點，彰顯了機械設計知識的綜合性與整體性。

　　計算機設計能力的提高，將有助于創新能力與解決實際工程能力的大幅提高。CAD/CAE技術的進一步發展引起了機械設計領域的大改革，機電產品的設計理論、方法和手段等，都發生了巨大的變化。機械設計的過程，從構思分析研究，以及加工工藝的制定和產品仿真的評價，均是運用計算機模擬出的三維空間完成的，它的設計分析過程，也十分符合產品的運行規律。因此，應將培養學生使用計算機設計的能力作為主要培養目標，將計算機設計的技術和各門傳統的課程相連接，建立課程群體系，激發學生們在機械方面創新設計的潛力。課程群中計算機繪圖、CAD等課程的設立，對于學生計算機設計能力的培養，打下了很扎實的基礎；也在其他各課程教學的過程中，比如機械原理課程，運用計算機編程進行參數化設計，又增強了計算機的學習及應用。通過引進計算機輔助設計和分析，使計算機教育在整個大學階段持續并逐步強化，從而使學生的計算機設計能力得到極大提高，達到提高學生創新能力與解決實際工程能力的目的。

　　2.整合精簡課程重復內容，增加新技術、新概念、新的工程應用實例以提高學生的工程應用能力。對某些課程有重復內容的部分進行整合與刪除。例如，《機械制圖》與《公差與配合》課程中皆有極限、配合、形位公差等知識內容，可考慮將《機械制圖》中相關知識點刪除，同時在課時安排上進行一定調整。這樣既避免了教師在教零件圖與裝配圖知識時要花較多時間與精力去闡明極限、配合、形位公差等知識，又節約了教學課時，從整體上提高了教學效率。《工程力學》、《機械原理》、《機械設計》中也有一些知識點重復，如應力、應變等知識，可以進行合理整合與刪除。

　　刪除《機械原理》、《機械設計》等課程中比較復雜的理論公式的推導過程，只保留公式具體應用的說明。如《機械設計》課程中帶傳動中受力分析、有效拉力公式的推導過程；齒輪的接觸應力強度和彎曲疲勞強度公式的推導過程等。

　　目前我校機械學院使用的部分教材中存在一些不符合時代特征的技術和工程應用實例，如滾動軸承標準等可能不是國家最新技術標準。利用學校圖書館的文獻數據庫查閱最新的相關知識，結合課程群教師的科研項目和東莞企業的先進技術，更新舊知識與技術標準，增加新技術、新概念、新的工程應用實例。在“機械設計課程群”的系列課程教學中，課程群教師應盡量以實際工程應用作為教學實例，通過課程群教師長期理論聯系實際的教學，以達到培養及提高學生解決實際問題的能力。（四）把提高學生創新能力和解決實際工程問題能力進行課程設計教學內容及實驗教學內容改革在所有課程設計的過程中，突出了課程設計的內容，貫穿了更加系統的觀點，從全部方案設計及具體結構的設計，摸索出了一套系統的方法，來提高學生的綜合設計能力及創新實戰能力；充分利用現有實驗、儀器設備，開展了創新設計的活動；利用現代的設計實驗室設備、功能較強的設計平臺以及面向工程實踐的軟件等，給自己的學生提供了把全新的現代設計方法運用于設計過程的良好平臺。

　　鼓勵自己的學生直接參加老師的科研課題，同時，作為本課程設計的題目及畢業設計的題目，把學生所學基本知識直接應用于工程實踐。

　　保存培養學生基本技能的驗證性實驗，增強了學生綜合性和設計性的實驗項目。以現代的工程教育實踐的觀念作為指導，并且自主設計實驗系統，設立具有工程特征的真實與虛擬的、綜合設計的實驗。學生實驗的項目具備教學實驗和工程實踐背景相結合，培養工程實踐的創新意識，訓練工程實踐的能力，來實現工程教育回歸工程實踐的教學目標。

　　建立多種多樣的學生機械創新實踐活動的平臺，可以說是深化改革機械設計課程群實踐的教學內容。研究與創新實踐設計訓練的平臺，是學生們完成創新實驗項目、制作設計產品的基地，如我校機械學院的機械創新團隊，學生們都可以在老師們親自指導下，完成“微型太陽能汽車”的設計與制造、裝配和整機的測試，機器人創新團隊近年來在各種國家機器人比賽中取得了優良的成績；3D打印創新團隊也在全國機械創新比賽和大學生挑戰杯比賽中取得了優良的成績。這些機械創新實踐活動平臺極大地提高了學生的工程實踐能力和創新能力。

　　（五）強化機設課程群教學團隊建設，促進教學團隊持續性發展

　　教學團隊的建設是課程群建設的關鍵所在，應該充分優化教學隊伍的結構；充分發揮主動性和積極性，吸引國內外人才充實到教學的隊伍中；激勵中青年教師積極進取，獲得博士學位；堅持將人才培養質量的提高作為團隊工作的第一要務。通過教學研究、科學研究和國際交流提升教學隊伍整體水平。目前我校機械工程學院已形成一支知識結構和年齡結構合理，責任感強、團結協作精神好，整體教學能力強，教學經驗豐富，教學特色鮮明，教學效果好的機械設計課程群教學團隊。本課程群的教學團隊的特點是著重“理論教學、實驗教學及工程應用教學”三元結合和相互促進，將機械基礎理論、機械設計新技術和工程應用知識的傳授放在首要地位，為學生工程應用能力和終身學習能力的形成打下扎實基礎。

　　三、結語

　　本文基于卓越工程師的培養目標和OBE教育模式，圍繞“一個中心、三個基本能力”對機械設計課程群建設與改革進行論述，從機械設計專業預期的“學習產出”，確定課程層面的“學習產出”，逆向設計各門課程，明確各課程對于實現預期“學習產出”的貢獻和程度，突出以工程應用能力為主線進行課程整合和教學課程體系重構。目前，我們機械制圖與機械設計基礎課程已獲得廣東省精品課程項目支持；出版了機械設計、機械原理、機械設計基礎等一系列教材并入選了國家“十二五”規劃；2014年團隊成員有1人獲得廣東省教學名師稱號；多人獲得國家和省級教學改革項目支持；多人在國內各級相關學會、行業協會擔任重要職務。學生在全國機器人比賽和機械創新比賽中取得了一二等獎多名的好成績；學生3D打印創新團隊自主設計與制造了多臺3D打印機并已成功實現了網絡銷售。通過調查，企業普遍認為我校機械專業學生的機械創新能力與工程應用能力較高，2014年機械設計專業畢業生就業率達到了99%以上。這些成果說明了我們教學改革的成功。

　　參考文獻：

　　[1]陳波，張建中。基于CDIO的“機械設計課程群”教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2012，（31）：181-182.

　　[2]張鳳梅，張向紅，韓忠義，蒙麗。機械類（對口）專業機械設計課程群組優化的改革與實踐[J].職業教育研究，2007，（3 ）：159-160.

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