新工科背景下機械設計基礎課程設計教學改革思考與探討

　　摘 要 培養學生適應產業轉型升級需求的關鍵能力，是我國新工科建設對人才培養提出的新要求，也是當今工程教育面臨的主要問題。由于機械設計基礎課程設計對工科學生綜合能力培養影響較大，研究現有教學過程對學生關鍵能力培養的不足，并從教學理念、教學方法、評價體制等三個方面，探討教學過程中值得改進的方向。

　　關鍵詞 新工科;機械設計基礎;課程設計;教學改革;虛擬仿真實驗室

　　《中國機電工業》(月刊)創刊于1988年，由中國機械工業聯合會主辦。是中國機械工業聯合會會刊。辦刊理念：專業的眼光洞察行業風云.

　　1 引言

　　制造業為我國的經濟主體，針對我國制造業大而不強及世界新一輪的產業變革，國務院提出“中國制造2025”重大戰略[1]，將高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、先進軌道交通裝備等列為十大重點發展領域。隨著該戰略的實施，全國向新技術、新產業、新業態、新模式經濟形態轉型過程中，迫切需要大量具有工程實踐能力、創新能力及國際競爭力的高素質工程技術人才。為了滿足該新型工程技術人才的需求，教育部于2017年提出開展新工科建設[2]，以新產業轉型為背景，探索“新理念、新結構、新模式、新質量、新分類”的新型工程教育改革。該支撐國家新形勢下產業升級的工程教育改革，對工程技術人才培養過程中的培養理念、培養模式及質量標準等都提出更高的要求。與此同時，中共中央辦公廳、國務院辦公廳發布的《關于深化教育體制機制改革的意見》中，將培養支撐終身發展、適應時代需求的關鍵能力作為人才培養重點[3]。故關鍵能力的培養已成為新工科建設下高素質工程技術人才教育的新方向。這種工程人才的關鍵能力，體現在職業道德、工程思維能力、工程實踐能力、創新創業能力、終身學習能力、領導能力等方面[4]。因此，新工科建設下，工程教育及課程教學的改革應該注重學生上述關鍵能力的培養。

　　機械設計基礎是一門圍繞常用機構的工作特性、設計方法，及通用零部件的工作原理、選型及設計計算的設計類課程，是從工程制圖、理論力學、材料力學等理論基礎課向工程機械等實踐性很強的專業課程過渡的專業基礎課[5]。由于其對培養學生掌握工程設計基本技能上具有重要意義，現已成為國內高校諸多工科專業開設的技術基礎課程。就中國礦業大學情況來說，該課程面向采礦工程、安全工程、工業設計等非機類專業，以及材料科學與工程、熱能與動力工程等近機類專業;每學年授課班級數高達30多個，學生1200多人次，直接影響學校近五分之一的學生。

　　機械設計基礎課程設計是該門課程配套的一項重要的教學實踐環節，要求學生能夠根據實際生產需要，給出綜合考慮機械功能、性能、結構、材料、工藝等多方面因素的設計方案，是學生首次接受的全面工程設計訓練。該訓練要求學生能夠綜合運用所學理論課程解決實際工程問題，對學生樹立正確的設計思想、掌握基本設計理論和方法、查閱及運用設計資料、培養良好的工程素質具有關鍵的先導性作用。作為工科優勢高校，如何響應國家新工科建設號召，探索機械設計基礎課程設計這門對工科院校影響廣泛的課程的教學改革，強化學生的關鍵能力培養，是面臨的一個重要問題。本文針對該課程當前的教學情況，結合新工科建設對高素質工程人才的關鍵能力需求，就該課程能力培養過程中存在的不足及有待改進的內容進行探討。

　　2 當前教學存在的主要問題思考

　　機械設計基礎課程設計是諸多工科學生首次接觸的工程訓練課程，對學生解決實際工程問題能力及工程素養的培養具有較大影響。新形勢下，應該結合新工科關于人才關鍵能力培養的需要，對課程教學方法的進一步改進進行研究。下面從現有設計內容、教學過程、繪圖能力等方面進行分析，闡述課程教學存在的主要不足。

　　從設計內容來看 課程設計的題目，一方面影響學生工程能力培養目標的實現，另一方面受學生所處階段的知識水平及教學時間限制。現今國內大部分高校的課程設計選題仍沿用20世紀30年代蘇聯列寧格勒加里寧工學院的方法，即以齒輪減速器設計為核心。學生根據課程設計指導資料中的方法，確定傳動方案、參數計算及結構設計，并繪制相應的裝配圖、零件圖，撰寫設計說明書。設計對象包含了機械設計基礎中的核心內容，有助于加強學生對課程知識的掌握。但題目陳舊，學生缺乏新鮮感，簡單抄襲往年材料的情況嚴重。以至于近年來，很多學者認為該選題內容過于固化，不利于學生創新能力的培養;并建議通過結合創新設計大賽、科研項目等進行選題，對課程設計內容進行拓展。但該門課程是學生第一次接觸的工程實踐，學生工程基礎薄弱，且課程設計時間短。教學過程中發現，成績中等偏上的學生完成傳統選題內容，都需要通過加班來實現。因此，引入較新的設計題目，超越了大部分學生現有的知識水平，且會讓學生用去太多的時間查閱資料，造成大部分學生無法完成，失去課程設計人才培養的整體意義。如何在現有設計內容基礎上提升學生關鍵能力的培養，使學生適應時代發展的需求，是目前面臨的一個主要問題。

　　從教學過程來看 機械設計基礎課程設計的完成時間通常在1～2周，隨著專業的不同而改變。其教學主要由設計前指導和設計過程中輔導這兩部分組成。其中，設計前指導主要是任課教師在學生選題時對課程設計的主要過程進行2～4課時的介紹。采用以課堂講授為中心的講授模式，教學手段主要依靠講授PPT電子講稿。因學生缺乏工程經驗，該指導過程中，學生難以理解所述機械結構的實際意義。講解重點在于機械系統零件設計及箱體結構設計，而對方案設計及制造工藝介紹較少，學生缺乏對產品設計全流程的準確認識及構思訓練。而設計過程中的輔導主要是在課程設計開展期間，任課教師每天去設計教室現場對學生存在的問題進行答疑，通常每天2～3小時。該指導過程中，由于課程設計時間較短，涉及的知識面卻較廣，部分學生無法在短期內真正掌握設計過程，不敢咨詢任課教師，只能簡單地照抄設計指導書中的資料，沒有實現工程實踐能力的培養目標。與此同時，教師對學生最終成績評價相對單一，主要依靠學生最終的答辯成績及圖紙和說明書質量，對中間完成過程的評估較少。這種以個人為單位的評價，造成學生只注重自己工作的完成情況，不能有效培養學生的團隊協作能力及領導能力。

　　從工程繪圖能力訓練來看 針對學生在開該門課程時工程制圖基礎薄弱，國內院校主要要求學生繪制二維工程圖紙來完成課程設計。但從完成情況來看，學生CAD圖紙出現抄襲現象，部分圖紙是基于一個電子模板完成，失去了課程設計的培養意義。針對該問題，很多教師要求學生手工繪制圖紙。這種手工繪圖雖然避免了抄襲現象，加強學生二維工程圖紙的繪圖能力，但也帶來一些問題：一方面，手工繪圖占用時間較多，且沒有培養學生的計算機繪圖能力;另一方面，由于現有企業工程圖紙繪制主要采用CATIA、UG、Pro/E等工業三維設計軟件完成，這種傳統的二維繪圖方法已脫離企業對現代產品設計的技術需求。

　　針對該問題，很多學者提出采用三維設計軟件來完成課程設計，但開課時真正掌握三維設計軟件的學生較少，而課程設計課時有限，教師無法額外指導學生學習該類軟件，使得三維繪圖在該課程上的實際推廣存在較大困難。此外，從工程圖紙完成質量來看，部分學生還不能準確應用機械制圖的前期知識，零件圖中零件形狀的繪制和公差標注、裝配圖中配合尺寸的標注等都存在較多問題。

　　3 課程設計教學方法和教學手段改革探討

　　改變教學理念，增加工程實踐 現有課程設計教學主要側重于知識傳授，而新工科建設要求高校能夠為社會提供高素質復合型工程人才，故教學過程中還需注重學生綜合能力、素養等的培養。其中，知識傳授方面，在讓學生夯實教材中的主要設計理論的基礎上，需注重培養學生具有綜合應用所學理論知識，分析和解決實際工程問題的能力;培養學生查閱最新文獻資料，緊跟學科前沿的能力。在綜合能力培養方面，要在課程設計中注重學生實踐動手能力、創新能力及自主學習能力的培養。而素養方面，既要注重學生做人、做事基本素質的培養，還要注重學生做學問的工程素質培養。除了教學理念改變，還需進一步加強工程實踐環節，提升學生實踐動手能力。現有課程設計教學還停留在理論設計上，沒有加工樣機;學生完成的主要是理論上的復習，對產品的加工、制造缺乏認識，造成該實踐訓練不能滿足時代對工科學生實踐動手能力的需求。考慮到采用傳統機械加工技術成本較高，而3D打印該成本相對較低的新興技術已被廣泛應用于工業設計[6]，可將3D打印技術引入課程設計，讓學生參與加工過程，提升其動手能力，且便于教師評價課程設計完成質量。

　　改革教學方法，增加教學資源 課程設計存在的很多問題，主要受課時限制，使得傳統教學方法無法解決。通過很多學者建議的課程設計融入課堂的方法，提前給學生布置課程設計題目，可以拓展學生的設計時間。但一部分學生自學能力及自我約束能力不強，僅提前布置任務，并不能讓他們真正提前開展設計工作，而機械設計基礎課堂中又不能拿出較多時間指導課程設計。為此，需要探索利用學生的課外時間來指導學生。

　　現如今已進入教育信息化時代，隨著國家精品在線開放課程建設的推進，很多課程已經通過慕課等在線課程來拓展學生學習時間，提高學生自學能力，但針對機械設計基礎課程設計的慕課至今還未見報道。因此，可以圍繞傳動方案設計、零部件設計、三維繪圖、工程圖標注等錄制視頻在線課程，引導學生開展課程設計。