基于工作室的機械設計系列課程創新教學模式探討

馬登秋,葉振環,熊飛嶠,吳有林,安 玉

（遵義師范學院工學院，貴州遵義563006）

制造業——立國之本、興國之器、強國之基，乃我國國民經濟的主體，提升我國制造業國際競爭力，有利于提升綜合國力、保障國家安全和建設社會主義強國[1]。為此，我國印發了實施制造強國戰略第一個十年行動綱領——《中國制造2025》[2]，以“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優先、人才為本”為指導方針，力爭通過努力奮斗，到建國一百年時，把我國建設成為引領世界制造業發展的制造強國，為實現中華民族偉大復興的中國夢打下堅實基礎。

“科技強國、人才興國”，人才是《中國制造2025》的基石，若沒有“充足科技人才”保證，制造業必定猶如“空中樓閣”，華而不實。為此，中華人民共和國教育部、人力資源和社會保障部、工業和信息化部聯合印發了《制造業人才發展規劃指南》，健全人才培養體系，創新人才發展體制機制，為實現制造強國的戰略目標提供人才保證[3]。

遵義師范學院“機械設計制造及其自動化”專業秉承“扎根西部，服務地方”的辦學理念，培養德、智、體、美等全面發展，掌握機械設計制造及其自動化專業的基本理論、基本知識、基本技能、方法及其相關知識，能夠從事機械產品設計、制造、科技開發、運行管理、經營銷售、生產管理等領域工作的“高素質、強能力、應用型”專門人才，為我國制造業人才隊伍添磚加瓦。該專業機械設計系列課程主要包括機械制圖、機械原理、機械原理課程設計、機械設計、機械設計課程設計及互換性與測試測量技術等課程，具有授課內容范圍廣、理論性和實踐性強等特點，不僅要求學生掌握機械基礎零件的基本知識、表達方式、理論和設計方法，更要具有動手實踐能力、創新能力、工程管理及團隊協作能力[4-7]。但是，隨著社會經濟的發展，“教師講授知識，學生被動接收知識與完成作業任務”的傳統教學模式存在諸多問題，已經無法適應地方經濟高速發展和培養新型多功能人才的需要。同時對我校的轉型發展及學生個性化的學習成長極為不利。為此，本文基于工作室學習模式，探討機械設計系列課程的創新教學模式，以滿足新環境、新常態、新工科的需求。

1 傳統的機械設計系列課程教學存在的不足

1.1 課程教學模式

目前，傳統的機械設計系列課程在課程教學模式上存在教學理念落后、教學內容不連貫等問題，無法滿足新形勢、新常態、新工科背景下學生個性化發展、學校應用型本科轉型、地方乃至國家經濟發展的需求，亟需解決相關問題。

1.1.1 教學理念落后。部分教師受傳統或師范類教學思維的影響，在教學中多采用“填鴨式”的教學方法，學生以教師為中心，以授課內容為主線，刻苦學習，力求能解決習題，考試獲得高分，學校猶如大批量生產通用規格的“產品”——學生的工廠，這嚴重限制了學生的思維，難以有效地提高大學生的創新能力，難以滿足學生個性化的發展，所培養的學生難以滿足新時代社會的需求。

1.1.2 課程教學不連貫。遵義師范學院“機械設計制造及其自動化”專業的學生，在一年級接受為期一年的機械制圖培訓，在二年級接受機械原理、機械設計和互換性與測試測量技術學習，其間雖然穿插了機械原理課程設計和機械設計課程設計實踐，但在機械原理、機械設計、機械原理課程設計、機械設計課程設計及互換性與測試測量技術等理論和實踐課程中，只注重本門課程內容的學習，課程教學內容單一，分散性強，不具有綜合性。例如：機械原理課程設計只注重傳動結構方案的設計，不重視甚至不涉及機械制圖零件幾何特征表達、尺寸標注等內容；機械設計課程設計重心基本放在機械結構強度設計，輕視制圖環節，通常只有系統裝配圖，無法實現機械設計與制圖的綜合訓練。

1.2 課程教學內容

在新形勢、新常態、新工科背景下，機械系統產品的設計和制造理念、過程及方法已逐漸改變，引入CAD、CAM、CAPP、CAE及創新設計方法等技術，對機械類的機械設計系列課程教學提出了更高要求，但是目前的課程教學內容卻滯后。譬如，機械制圖課程注重零件二維圖手繪教學，不重視二維圖計算機CAD制圖，三維建模教學，二維與三維相互轉換訓練不足，所培養的機械類畢業生無法滿足企業在計算機制圖、三維設計能力等方面的要求。機械設計課的教學內容多圍繞常規零件的功能分析、失效形式、設計準則、受力分析、性能指標計算及材料選擇等講解，缺乏新型零件設計的講解，如機器人關節中大規模使用的諧波齒輪減速、行星齒輪減速器等新型傳動技術。此外，機械設計講解的設計方法雖然經典，但也比較單一與滯后，缺少先進設計技術介紹，如創新設計方法、現代設計方法及CAE技術等。機械原理課程，內容多且雜，大量經驗公式、國家標準、國家及行業規范，教學基本為理論教學，抽象空洞，課程知識吸收率低。因此，亟需解決相關問題。

1.3 實驗實踐教學

遵義師范學院在機械設計系列課程中開設的實驗實踐教學課程，主要是機械設計課程設計和機械原理課程設計，目前也在積極探索以16+2（實踐周）“專業技能訓練”作為實驗實踐教學的補充。其中，機械設計課程設計和機械原理課程設計存在以下問題：

1.3.1 課程設計命題陳舊且單一，缺乏現代設計內容。機械設計課程設計，主要是根據機械設計所學內容對通用二級齒輪減速器進行設計，主要內容為方案設計、傳動系統設計、裝配繪制以及設計說明書編制，該命題相關設計技術指導書成熟，網絡資源豐富，學生完成相關任務時基本是依葫蘆畫瓢，查手冊、套公式、修改數據，整個過程就是仿制，且難免有部分學生存在抄襲、買賣現象，嚴重影響教學秩序和教學質量。同時，該課程設計制圖方面，只重視二維裝配圖，不涉及二維零件圖、爆炸圖和三維建模及裝配的訓練，不能滿足機械設計綜合訓練的要求。

1.3.2 課程設計設計方法和手段落后。如機械設計課程設計，因受制于設計命題的影響，該課程設計主要是針對減速器中帶傳動、齒輪傳動、軸系零件按照強度、壽命或者經驗等進行設計，然后手繪二維裝配圖，存在設計質量差、工作量大及實踐內容抽象等問題。

2 基于工作室的機械設計系列課程教學模式創新

2.1 基于工作室的教學模式創新

由于現行課程教學模式存在教學理念落后、教學內容不連貫等問題，無法滿足創新型人才培養的需求。因而，筆者提出基于工作室的創新教育教學模式，該模式由“常規課堂”+“工作室課堂”構成。其中，“常規課堂”基本以教師為中心，以授課為主，側重每門課程的基本知識普及教育，同時兼顧部分學生個性化教育。基于工作室的創新教育教學模式的核心在于“工作室課堂”，該課堂以具有創新能力和專業技能的教師組成指導團隊，指導團隊為“工作室課堂”教學活動的主要引導者和組織者。

在教學理念上，該課堂倡導“以學生為中心，以學為中心”，推行問題導向、啟發探討式、案例分析式、實踐參與式教學，激發學生對機械專業知識的渴求，提升學習動力，引導學生由重視學習結果（考試分數）轉變為重視學習過程。以遵義師范學院125機械仿真工作室為例，在教學活動中定期舉行指導教師專題報告、學生科技報告、科技問題分析、職業技能訓練、“頭腦風暴”、趣味科技活動以及學習經驗交流會等。通過觀察發現，工作室同學在思維能力、團隊意識、交流能力、職業技能、創新設計能力以及實踐能力等方面優于普通學生。此外，“工作室課堂”上推行“傳幫帶”學習模式，機械仿真工作室學生由大一至大四各年級學生構成，各個年級的同學在知識結構上必然存在差異，在平時學習活動中學生之間可以相互開展知識傳授、學習幫助、學習領路等活動，如2017級學生教授2018級學生三維建模技能、2016級學生教授2017級學生機械制造工藝知識、共同探討雙“8”字無碳小車結構設計等。“以學生為中心，以學為中心”的教學理念和“傳幫帶”的學習模式極大地滿足了學生個性化發展，切合學校應用型本科轉型、地方乃至國家經濟發展的需求。

在課程教學上，傳統教學方式只注重本門課程內容的學習，課程內容教學單一，分散性強，不具有綜合性。所以，“工作室課堂”主要解決的問題就是將各門課程串聯起來，形成一個課程體系。為此，工作室依托遵義師范學院工學院教學平臺，構建“三層次-三模塊-四結合”基于工作室的多課程交叉融合創新教學體系（圖1所示）。三模塊為機械制圖模塊、機械原理模塊和機械設計模塊；四結合為與科研結合、與學科競賽結合、虛實結合及理論結合；具體路徑為科研訓練、“頭腦風暴”、趣味科技、學科競賽、職業技能訓練以及企業課題進行串聯與訓練，如指導教師課程培訓、全國大學生創新訓練計劃項目、慧魚工程技術創新訓練、全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生工程技能綜合訓練大賽、指導教師科研項目子課題及工作室技術交流會等，以求將各門課程串聯起來，達到基礎訓練、綜合訓練以及創新訓練等三個層次。

圖1 基于工作室的多課程交叉融合創新教學體系

2.2 基于工作室的教學內容體系創新

如圖1所示，基于工作室多課程交叉融合創新教學體系，除將各門課程串聯起來形成一種課程體系、將碎片化知識形成系統性知識外，還為機械設計系列課程教學內容注入了新鮮血液，彌補了教學內容滯后的短板，滿足了機械產品因設計和制造理念、過程及方法改變而提出的新要求。在機械制圖方面將手繪機械制圖、AutoCAD、三維設計軟件UG或SolidWorks及尺寸和形位公差等有機結合起來，以培養學生閱讀和繪制機械零件圖、裝配圖、爆炸圖、三維制圖以及工程圖標注的能力為主線。在初級階段強調零件表達、手繪制圖及AutoCAD能力培養，中級階段強調三維模型設計、裝配圖和爆炸圖以及三維與二維之間雙向思維能力培養，高階階段在機械制圖中注入配合、尺寸公差形狀與位置公差，工作室通過大作業或者學科競賽實踐綜合訓練學生制圖能力。在機械設計方面引入創新和現代先進設計方法及新型傳動技術，例如介紹TRIZ創新設計思維、機構創新設計與三維造型設計等，為縮短產品開發周期引入CAD與CAE技術、運動學與動力學分析和3D打印技術，同時也以講座論壇方式介紹諧波齒輪減速、行星齒輪減速器、圓弧齒線圓柱齒輪及高速航空軸承等新型傳動技術；在機械原理方面克服抽象空洞，課程知識吸收率低等問題。引入機械工程教學課程演示設備，服務于本專業的認知教學與專業課的輔助教學，設備涵蓋了機械原理、機械設計、公差配合與技術測量、機械工程材料等相關認知內容，對機械專業低年級同學提供了極大幫助。

2.3 基于工作室的實驗實踐教學創新

實驗實踐教學歷來是本科工程類專業必不可少的環節，是人才培養的重要支撐，但目前我校16+2實踐周“專業技能訓練”、機械設計課程設計和機械原理課程設計等本科工程實驗實踐教育還存在不足之處，對于我校應用型本科轉型發展的推動作用不明顯。基于此，筆者提出機械設計制造及其自動化專業工程實驗實踐教學以科研項目與學科競賽為載體，以機械創新工作室為基地，通過“以教孵項，以教孵賽、以項促教，以賽促教、學與做交融”的方式，將課程學習、創新設計能力和工程試驗時間能力融合在學生綜合能力培養的整個過程中。

以教孵項，以教孵賽。主要體現在“項”和“賽”兩個字上。項，即國家級大學生創新創業訓練計劃項目與指導老師科研項目；賽，即國家和省部級學科競賽，例如全國大學生工程訓練綜合能力競賽、全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生機器人設計大賽以及貴州省“貴安杯”青少年3D打印創意設計大賽等。在“專業技能訓練和課程設計”教學中，以科研項目或各項賽事為主題（學生可以任選一項），取代傳統減速器課程設計等，通過“方案設計+技術設計+二維和三維圖紙設計+實物加工與制作+作品運行+發表論文/申報專利+全過程工作室教師指導”作品/產品設計制作的全過程教學主線，建立從理論學習、動手實踐到探究式學習，且兼顧學生個性化發展的教學鏈條，實現機械設計系列課程理論教學、創新設計與實驗實踐的有機融合。

以項促教，以賽促教。在“方案設計+技術設計+二維和三維圖紙設計+實物加工與制作+作品運行+發表論文/申報專利+全過程工作室教師指導”教學主線中，一方面，每一個具體環節都需要學生充分地調研，分門別類地學習相關知識，并與指導老師進行探討，這個過程中的任何一個活動其實都是通過實踐整合分散性知識，查漏補缺，自主獲取新知識；另一方面，階段性成果匯報及展示，工作室不同年級、不同項目同學相互交流，進行查找問題與知識普及。兩方面結合，教師及時調整教學內容與方法，學生及時補充知識，查漏補缺，真正做到以項促教，以賽促教。

學與做交融。以軸承為例，在機械設計課程教學過程中，軸承分類只涉及到滑動軸承、深溝球軸承、角接觸軸承、圓錐滾子軸承以及滾針軸承等滾動軸承的介紹，但工作室學生在第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽“S環形”和“雙8字”無碳小車結構設計中，為了解決兩個后輪差速問題提出使用“單向軸承”，為了減小轉向機構搖桿的摩擦，提出使用“直線軸承”，為了方便軸上零件軸向固定，提出使用“擋邊軸承”。此外，在本次全國大學生工程訓練綜合能力競賽中，工作室同學在老師指導下學會了數控車床、數控銑床、鋸床、線切割機床、3D打印機、絲錐和板牙等設備和工具的使用，學會了數控編程，對機械制圖、機械設計、機械加工工藝加深了理解。真正實現“學”中有“做”，“做”中有“學”，“學”與“做”相融合，增強學生的創新設計與工程實驗實踐能力。

在基于工作室的實驗實踐教學中，遵義師范學院機械仿真工作室自2017年6月成立以來，在第六屆全國大學生工程技能綜合訓練大賽中獲得國家二等獎2項、國家三等獎1項、貴州省一等獎2項、貴州省二等獎2項；在第八屆全國大學生機械創新設計大賽（慧魚組）中獲得國家三等獎1項；在第三屆貴州省“貴安杯”青少年3D打印創意設計大賽中獲得二等獎三項、三等獎一項；立項國家級大學生創新創業訓練計劃項目2項、省級大學生創新創業計劃訓練項目1項，其中省級項目“錢幣分離清點機設計”于2019年6月總評以“優”等次結題；發表省級以上科技學術論文3篇，申報專利1項。也因此基于工作室的創新教學模式獲得貴州省教學成果三等獎。目前工作室正在積極備戰貴州省第四屆“貴安杯”青少年3D打印創意設計大賽和第九屆全國大學生機械創新設計大賽，期望取得優異成績。

3 結語

“科技強國、人才興國”，人才是《中國制造2025》的基石，是實現制造強國戰略目標的保障。機械設計系列課程是培養學生綜合應用所學知識分析和解決工程實際問題的能力，培養學生機械創新設計能力、創造性思維和工程實驗實踐能力的重要課程。基于工作室模式的機械設計系列課程創新教學模式，在課程教學模式、課程教學內容和實驗實踐教學三方面進行改革，教學模式上提出“常規課堂+工作室課堂”；教學內容上提出“三層次—三模塊—四結合”基于工作室的多課程交叉融合創新教學體系，強調教學內容先進性、串聯性和綜合性；在實驗實踐教學上提出“以教孵項，以教孵賽、以項促教，以賽促教、學與做交融”，將課程學習、創新設計能力和工程試驗時間能力融合在學生綜合能力培養整個過程中。通過兩年的實踐檢驗表明，基于工作室模式的機械設計系列課程創新教學模式，有利于學生創新設計能力與工程實驗實踐能力的培養，有利于學校應用型技術本科轉型的發展，該創新教學模式獲得貴州省教學成果三等獎。