基于大工程觀的機械設計教學探索

劉文光 賀紅林

摘要：開展大工程視野下的機械設計貫通式教學是提高機械專業學生創新創業能力的重要方法之一。首先，從機械設計課程的特點出發，提出了建立理論教學、實驗教學和實踐訓練三位一體的課程教學內容體系，以實現機械專業各課程的縱向貫通和課程自身教學環節的橫向貫通；然后，論述了大工程視野機械設計課程教學改革思想，提出了貫通式教學方法；最后，探討了貫通式機械設計教學目標、內容、教學方法和教學手段。結果表明，基于大工程思想的機械設計教學，不僅能實現培養方案各課程的縱向貫通，而且實現了本課程各教學環節的橫向貫通，對提高學生的創新創業能力大有裨益。

關鍵詞：大工程；貫通式；機械設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）16-0187-03

隨著現代科學技術的飛速發展，社會對機械專業人才提出了更高的要求。作為機械專業人才，他們不僅應具有扎實的專業知識，而且應具備良好的科學文化素養以及較強的創新創業精神。然而，從我們國內的現實情況來看，現狀總是事與愿違。大多數機械專業學生畢業后很難迅速進入專業技術狀態，不知道用何種方式去解決面臨的工程實際問題，無法從實踐出發去思考，更難全面多角度地進行分析。究其原因可能是：我國在校絕大多數大學生只是認真學習學校所傳授的理論知識，而對技術革新、創新創業等能力重視不夠，使得自己缺乏足夠的應變力來接受未知事物的挑戰，即創新創業能力不強。因此，為迎合社會對機械專業人才的要求，我們應該在課程教學中盡早地把大學生的創新智慧挖掘出來。

面對國內機械專業人才培養所遇到的問題，學者們對機械學科比較發達國家的機械專業人才培養方案進行了調查研究，結果發現她們的培養方案都有一個共同點：重視實踐、拓寬基礎、強調人文[1，2]。比如德國和俄羅斯高等工程教育在課程體系上實施理論和實訓并重，大學生在校階段就能完成工程技術訓練，而且課程體系中文理工滲透趨勢非常明顯，此外美國、德國和日本的機械專業面很寬，差不多覆蓋我國5、6個機械類專業。美國伍斯特理工學院的機械專業教育非常有特色，他們強調工程基礎教育，采取獨立學習以及基于項目團隊等教學方式，在實踐中培養學生的創新創業能力。這種設置的目的在于營造一個有利于培養創新創業能力的大工程教育環境。多年來，我國學者對大工程觀的內涵以及大工程觀教育理念下的工程教育課程體系、教學方法也進行了大量的研究[3-6]。盡管如此，我國學者在大工程觀教育方面的研究多數屬于宏觀層面，對于微觀層面的大工程教育研究缺乏必要的實踐。面對社會對創新創業人才的需求，基于大工程視野，如何進行培養方案改革，尤其是如何完成課程建設成為亟待解決的關鍵問題。

本文從大工程視野的教學思想出發，針對我校機械設計課程教學體系，提出一種切實可行且便于實施的貫通式機械設計課程教學方法，致力于培養學生創新能力，同時為其他課程的教學改革提供新思路。

一、機械設計教學體系

因為機械是機器和機構的統稱，所以機械設計所考慮的對象可能是飛行器、車輛和武器裝備，也可能是連桿機構、齒輪機構和軸系結構等。然而，不管設計任何一種機械，期間可能會涉及力學、材料學、摩擦學、機械制造技術、機械原理、互換性與技術測量等諸多理論。而且，隨著交叉學科的飛速發展，各種信息機械、醫療機械和生物機械等層出不窮，學科之間的界限逐漸模糊。因此，現代機械設計的突出特點是：要求多、公式多、門類多、圖表多，光靠學好課程本身特有的知識，很難在工程實踐中做出完美的設計。基于此，我們應從突出重點、關鍵點與注重實際出發，著重培養研究問題的思路和方法，即培養學生的大工程思想。

機械設計課程的特點之一是課程知識量大、涉及面廣，而且所連接的各課程自成體系，課程間缺乏交集。所以在機械設計教學中，授課教師要處理好該課程與其先修課程、后繼課程的關系。然而，傳統教學的現狀是，大多數的授課教師在教學內容處理與取舍方面多從本學科角度出發考慮，很少從學科交叉和工程實際應用的需求來考慮。為改變這一現狀，授課教師應科學確定機械設計授課內容與教學目標，并在教學過程中增加系統與設計方法學這類綜合性的“務虛”內容。因為良好的課程模塊可以彌補各學科之間內在聯系的不足，使各學科知識在這類系統性、綜合性課程的整合下形成一個有機的整體。

機械設計的另一顯著特征是實踐性強。傳統的機械設計課程教學包括理論教學、課程實驗和課程設計三大模塊。近年來，隨著現代設計技術的發展，三維設計技術推陳出新，使得機械設計的教學體系也應有所改革。為了訓練學生的創新設計能力，并遵循課程內容科學性、先進性的原則，我們建立了圖1所示的機械設計三位一體教學體系。

因為創新性思維培養可為學生從事機械設計提供一個可借助的基本步驟與方法論的指導，而通過創造性基本原理、創造性思維方法、創造性技法的學習和創造性活動的積極參與，可以培養其創新能力，所以改革后的機械設計教學體系特色在于突出了創新設計訓練和三維設計實踐，橫向貫通了課程的各個教學環節。我們還在機械設計的理論模塊、實踐模塊中通過項目驅動形式，將力學、工程材料與熱處理、機械原理、公差與互換性技術、機械制造工藝與夾具等與機械設計相聯系的課程縱向貫通起來，建立了培養機械專業學生的創新思維能力的大工程環境，進一步促進教學工作和提高教學質量。

二、大工程視野教學思想

隨著現代科學技術的發展，工程系統的復雜性不斷增強，工程學科間的界線逐漸模糊。因此，在高等工程教育界逐步形成了大工程觀。所謂大工程觀就是把大型復雜的工程系統中存在的傳統與非傳統屬性上升為學術研究領域。為了適應社會進步的需要，在高等工程教育體系中，開設基于大工程觀的教學方法改革勢在必行。所謂的大工程視野教學思想則是以大工程理念為基礎的教育體系，它不僅是傳授知識的靜態過程，更是全面綜合的系統性工程。

為了在機械專業人才培養中深入貫徹基于大工程觀的教育教學思想，我們需要在專業培養方案中選擇一兩門合適的課程作為載體，在微觀層面，通過教學過程培養學生的大工程觀。考慮到機械設計是機械專業的核心課程，其顯著特點是涉及面廣，而且具有很強的實踐特質。因此，以機械設計課程為載體，開展面向大工程視野的教學研究對于培養學生創新創業能力具有重要意義。然而，要實現真正的大工程視野下的機械設計課程教學，我們需要徹底改變課程割裂的教學模式。原因在于：大工程視野教學思想不是簡單地把各種課程都集中到一門課程來講，而是要橫向與縱向貫穿各門課程的知識點，打破工程學科之間的知識壁壘。換而言之，大工程視野教學不能只針對機械設計這一門課程，而是要面向培養方案所涉及的所有課程。而要做到這一點，最為關鍵的問題是要破除廣泛開展大工程視野教學的觀念性障礙，對于只貫通專業課程等狹義的大工程視野內涵，嚴重滯后于工程教育觀發展現狀的教學目標進行觀念澄清。

如何實施大工程視野教學方法改革，即如何通過機械設計這門課程來培養學生的大工程觀，我們還需要探索貫通式課程教學方法。所以，探索構建與大工程視野教學思想相匹配的貫通式教學模式，是大工程視野教學成敗的關鍵所在。因為機械設計是一門學科基礎課，它是聯系基礎課與專業課的橋梁，課程教學內容所涉及的知識面十分廣泛。因此，如何選擇合適的路徑，克服貫通式教學中的知識障礙則又成為一個新的難題。為了破解這一困局，我們必須從機械設計課程的體系建設與教學方法改革進行推進，以厘清機械設計教學目標和培養定位為著力點，挖掘貫通式教學資源，在教學中滲透大工程理念和內容，在傳授知識過程中加強貫通式教學。

研究發現，微觀層面的大工程視野教學思想要獲得深層次的發展，必須走出宏觀層面大工程視野教學思想的禁錮，需要借助貫通式教學模式改革全面推進大工程視野教學思想改革。基于大工程觀的機械設計教學改革，不僅要在縱向上貫穿學生的學習過程，而且要在橫向上打通課程的教學環節，不僅能立足于課程自身建設，而且能立足于培養學生的大工程觀，實現基礎課、專業基礎課以及專業課程的無縫對接。在此過程中，探索建立課程的協同機制，建立健全貫通式教學模式。

三、貫通式教學模式

為建立良好的貫通式教學模式，機械設計的教學目標、教學內容、教學手段及方法應與基礎課、各先修課、后繼專業課建立密切的聯系。基于大工程觀的教學目標，不僅要求學生學習基礎理論，還需要創新科技知識。

面對教學改革目標，我們在理論教學上，充分調動各種形象化教學資源，講授設計方法和原理；注重將機械學科領域的最新科研成果、知識和設計技術融入課堂內容，引領學生進行深度思考，啟迪學生的創新創業心智。同時，我們著力將傳統的以傳授知識為目的“知會型”教學轉變到以培養創新能力和素質為核心的“引導式”教學上。

因為機械設計涉及的知識點特別多，而且很多知識難以把握，特別在基礎理論與設計方法的銜接處存在的難點更多。圍繞課程的重點、難點問題，教學中我們采用了以下對策：首先，在講授機械零件結構等內容時，采用物理模型展示、多媒體3D演示，盡量使學生對學習對象有直觀認識，通過圖片、錄像以及程序進行直觀的教學，拓展學生的知識面；然后，通過理論課堂講授與課程實驗驗證，進一步鞏固所學的重點和難點；再者，充分利用信息技術的優勢，實現網絡學習輔導，將機械設計相關的教學資料如教案、課件、輔助教材、習題及解答、歷年試卷及解答等上傳到課程網站供學生學習之用；最后，針對學生作業中反映較為集中的問題進行講解和點評；加強對學生進行課內外輔導和答疑。

因為機械設計的實踐性特質，我們精心規劃實驗內容，通過設置多樣、多層次、多形式實驗項目，如必做、選做、開放性、演示型、驗證性、設計型、創新型，培養和提升學生創新思維和技能。另外，通過教學實驗、課程設計、科研創新訓練、畢業設計、三小制作及創新設計等盡可能為學生提供實踐鍛煉的機會，實現機械設計實踐的一體化，重點培養學生的大工程觀，加快創新思維的形成。創新思維能使學生將所學理論知識和實踐緊密結合，在實踐中發現問題和解決問題；通過創新實踐，學生對機械發展歷史、基礎理論會有清晰的認識，主動參與創新活動。我們開展的常見的創新實踐包括：機械原理和機械設計課程設計、科研創新訓練、南昌航空大學科技制作、機械設計三維設計實驗、機械創新三維設計大賽、機械創新設計大賽以及畢業設計等。

因此，貫通式教學模式是以多媒體教學為主要教學手段，通過生動的課堂講授、細致的實驗浸潤、學生自主的訓練以及豐富的第二課堂等多種途徑，循序漸進地引導學生分析和思考問題；教學中需要通過講授、實驗、課程設計、創新訓練等多環節有機結合與相互印證。只有教學手段與方法得當，貫通式教學模式才能充分啟迪學生的創新創業心智，最大程度地開闊學生的創新創業視野。

四、結語

1.大工程視野下的機械設計教學，不僅貫通了學科基礎課、技術基礎課以及專業課，而且加強了課程各環節之間的內在聯系，使之形成一個知識的有機整體和合理的知識體系。2.基于大工程觀的教學理念、教學內容和教學方法，有助于提高機械專業人才創新素質，牢固確立創新能力在人才培養的中心地位。3.通過大工程教學思想為基礎的機械專業創新人才培養思路，可以提出加強高校工程機械類專業創新人才的培養對策。

參考文獻：

[1]趙婷婷，買楠楠.基于大工程觀的美國高等工程教育課程設置特點分析[J].高等教育研究，2004，25（6）：94-101.

[2]王雪峰，曹榮.大工程觀與高等工程教育改革[J].高等工程教育研究，2006，（4）：19-23.

[3]謝笑珍.“大工程觀”的涵義、本質特征探析[J].高等工程教育研究，2008，（3）：35-38.

[4]李培根.工程教育需要大工程觀[J].高等工程教育研究，2011，（3）：1-3.

[5]張來斌.大工程觀視野下高等工程教育改革的探索與思考[J].中國高教研究，2009，（8）：8-10.

[6]王淑芳，金涌.大工程觀教育理念下工程教育課程體系與教學改革[J].化工高等教育，2011，（1）：13-19.