基于專創教科融合的機械設計教學研究

曹憲周 王明旭 晏麗

摘? 要：針對傳統機械設計教學方法和內容不適應高校“新工科”建設要求，通過學生專業學習與創新教育相融合、教師教學與科研相融合的教學實踐活動，達到了機械設計的分析、綜合和評價的高階教學目標。

關鍵詞：專創教科融合;機械設計;工程能力;創新能力;教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）07-0096-03

Abstract： The higher-level teaching objectives of analysis， synthesis and evaluation of mechanical design have been achieved，in view of the fact that the traditional teaching methods and contents of mechanical design do not meet the requirements of the construction of "new subjects" in colleges and universities， by the integration of students' professional learning and innovative education and the integration of teachers' teaching and scientific research.

Keywords： combination of professional education and innovative education， combination of teaching and scientific research; mechanical design; engineering capability; innovative ability; teaching reform

引言

《中國制造2025》中指出：新一輪的科技革命和產業變革使全球科技創新呈現出新的發展態勢和特征，是信息技術與制造業的深度融合。轉變發展方式、創新發展模式的國家戰略、“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針，不僅強調了人才的重要性，而且對人才培養也提出了明確要求。對糧食行業來說，（國家）“糧食物流業十三五發展規劃”和“互聯網+”智能制造，需要面向未來培養大量掌握糧食行業機械設計能力應用和現代信息管理技術、具有較寬的國際視野、具有較強的創新能力和競爭能力、能夠對多學科工程問題開展研究和生產、能夠適應時代發展的過程裝備與控制工程專業的技術人才。而目前全國大部分高校，普遍存在畢業生工程實踐能力不強、創新能力弱、理論和實踐脫節等問題，人才培養結構和質量難以適應經濟結構調整和產業升級的要求。尤其是學生在學習《機械設計》時，傳統教學模式下的課程存在著教學方法、內容不能完全適應素質教育的要求，再加上學生專業學習與創新教育、教師教學和科研相脫節，大部分學生的工程能力、創新能力并未得到有效的鍛煉，教學效果難以達到教學大綱的要求。因此必須打破傳統教學模式的束縛，使學生的專業學習、創新教育相融合，教師的教學內容和科研活動相融合，以學生為中心，圍繞學生工程能力、創新能力的培養，在《機械設計》課程教學的各個方面進行創新性研究和實踐，對培養高素質人才，具有十分重要的意義[1-3]。

一、傳統機械設計課程教學模式存在問題分析

《機械設計》是機械類專業重要的一門專業基礎課，該課程是繼工程圖學、機械原理、公差與配合、機械制造工程基礎等課程學習之后進行的一門實踐性課程，是學生在大學學習中綜合運用所學知識，對實際工程題目和創新題目進行全面分析與設計，理論與實踐結合的一次綜合訓練，對學生應用知識能力和創新能力的培養十分重要。然而，如前所述：由于現有教學方法、內容不能完全適應素質教育的要求，學生的工程能力、創新能力并未得到有效的鍛煉。在進行專業課程設計及專業畢業設計時，所出現的共性問題反映在：（工程）設備方案非技術（經濟、人文、法律、環保等）指標綜述性分析匱乏、設備技術特點及機構特點歸納描述不清晰、機械基本功不扎實（理論計算、圖形表達、零部件綜合設計）等問題比較突出。究其原因就在于現有的機械設計課程體系，各章節孤立地介紹各種機械零部件的結構和設計方法，缺乏工程應用實例和背景介紹，專業理論教學與創新實踐教學脫節，各章節理論課程間銜接性差，不利于學生知識體系的形成，并且由于教材內容在學術、技術上的滯后性，導致學生不知所學知識如何應用，對于經典理論知識應用比較好，而對于具體工程問題卻不知道用什么理論知識、從哪里入手、考慮哪些因素、用什么方法解決。對于工程中的問題，學生只能按照教師提供的計算公式，按約定俗成的計算步驟來完成，沒有足夠的熱情和動力進行問題的思考和分析，實質上在這種培養模式下，幾乎談不到創新能力的培養。

二、機械設計課程高階教學目標

美國著名心理學家、教育家布魯姆和其他研究者于20世紀50年代提出了著名的教育目標分類法，該分類法將教育目標分為三大領域：認知領域、情感領域和動作技能領域。其中認知領域的目標分為識記、理解、應用、分析、綜合和評價六個層次。前三個屬于低階層次的認知，后三個屬于高階層次的認知。傳統課堂教學強調知識的記憶和理解以及運用知識解決較為簡單的問題，注重發展低層次的認知。由于學生的高層次認知能力沒有得到發展，學生看不到所學的知識有什么價值或意義，通常為了應付考試，他們要學習、掌握、記憶更多內容，考完試后一段時間便忘得所剩無幾，所學的知識在他們身上得不到很好的保留。因此，教學活動的設計不能停留在低階的對知識的記憶、理解和簡單應用，而是應該將重點放在解決復雜問題或完成復雜任務。

因而，為順應機械類工程教育專業認證要求，在進行機械設計教學時，應依據布魯姆六層次認知目標分類體系及迪芬克教學目標定義分類法，設計機械設計課程的高階教學目標，即在知識掌握的基礎上，強調應用、綜合、情感和學習能力等高階目標的達成，突出能力培養為核心。其中基礎知識是學生需要認識的必備知識，是其他教學目標達成的基石，教學時要發展學生理解并記憶具體信息和觀點的能力，并建立起課程知識體系，綜合性的將不同事物、不同思想觀點或不同學科領域等之間建立聯系，并能夠理解其中的相互關系，并且在整個學習過程中，強調情感對自然客觀認識、與人溝通和交往、專業知識和學科知識積累的重要性。將專業知識學習和學生創新實踐相聯系，將教師科研活動和教學內容相融合，最終達到學生在應用基礎知識基礎上，使學生批判性、創造性地進行各種思維活動學習，進而具備解決復雜工程問題的實踐能力[4-5]。

三、專創教科融合機械設計教學實踐

機械產品設計，是通過分析、綜合與創新而開發出能滿足某些特定要求和功能的機械系統的過程。這個過程的難點在于教育目標的高層次體現。

（一）以工程設計為案例，實現教學高層次目標達成

《機械設計》課程教授的是機械通用零部件的設計、計算的具體知識及初步的設計過程，難點在于課程實踐性強、應用的知識點多，學生在有限的時間內難以做到全面的識記、理解、應用，更不要說高層次的分析、綜合和評價教學目標。因而，《機械設計》課程教學應以工程（產品）設計為案例，聚焦于工程（產品）設計的設計與制造，并以產品為載體，創設問題情境，從工程（產品）設計所用知識的縱向和橫向進行關聯歸納，按照工程（產品）設計制造的過程教授所要應用的學習內容，實現理論和實踐的有機融合，體現工程（產品）設計藝術創造過程，體現教學活動的過程思維性、邏輯性、藝術性，有步驟、有層次地推進教學，從而構建起此課程完整的教學體系及知識體系，使學生在理解及知道知識該如何應用的基礎上，能夠實現對工程（產品）設計進行分析、綜合和評價的高層次教學目標。

（二）以工程設計為案例，融合專業學習和創新實踐

現代機械設計具有很明顯的特點，即它的理論性、創造性、廣義性、優選性等。傳統的機械設計教學模式多教授學生常用仿照、類比的設計方法。其實，人類文明的源泉在于創造，而設計的本質就是創造性的思維與活動過程。教師應在專業教授過程中融合創新性教學方法來體現機械設計的真正本質。

圖1是糧食行業所用糧食比重去石機。它的作用是去除糧食中粒度和糧食相近的石頭（稱為并肩石），其工作原理是去石機去石篩面在往復運動狀態下，利用并肩石和糧食的比重不同而去除混雜在糧食中的石頭。

《機械設計》課程講授零件疲勞強度時，首先講述該專業設備工作原理，然后啟發學生利用系統搜尋法找出篩面實現物料運動狀態的各種可能性機構，很快便得知滿足這一設計要求的機構有曲柄機構、滑塊機構、導桿機構、正弦機構、正切機構、凸輪機構等，此時引導學生分析不同機構的各自運動規律，比較不同機構對所設計設備的物料運動影響狀況，從中確定最佳傳動機構，然后再利用課程中所講授的連接、軸系等基本知識確定整機組成，并結合課程中零部件的剛度、強度、可靠性等知識點，分析設備零件工作狀況，進行機構主要零部件的壽命變化規律分析計算。

在這個將專業與創新相融合的教學過程中，以專業工程裝備設計為案例，以掌握、應用通用零部件設計計算及培養學生創新能力為主線，從整體和系統的角度，將課程知識體系整合為機械設計總論、連接、機械傳動、軸系零部件四大模塊，體現學生設計和實踐能力培養的循序漸進性;并且，在這個具備過程思維性、邏輯性、藝術性的學習過程中，不僅使學生理解及知道知識該如何被應用，也使學生明白如何對裝備設計進行分析、綜合和評價。

（三）以工程設計為案例，融合教學過程和科研活動

圖2是本學科團隊用來進行糧食粉碎研究所用的稻谷脫殼壟谷機，它的作用是去除稻谷外殼，工作原理是利用圖3所示具有相向轉動、且有速度差橡膠輥的擠壓、搓撕作用而脫殼。

以此為例進行機械設計教學時，從圖3、圖4進行問題的創設，引導學生進行軸系零部件的零件結構、固定、裝拆、軸系支撐、軸系固定、密封、機架體的設計，并提出問題讓學生思考、討論如何設計才能使軸系零部件受力、結構、裝拆更合理;如何設計才能噪音更低、潤滑油不泄漏，不對環境造成污染，如何設計才能在經濟成本最低情況下達到設備工作要求;如何設計才能更人性化，便于設備的操作、維修。通過將教學過程與創新設計、科研活動的融合，極大增強了學生的學習興趣，紛紛表示更加明確了學習目標，達到了學習效果。

機械設計高層次教學目標是要讓學生能夠對工程裝備設計進行分析、綜合及評價。要達到這些目標，就要求學生在完全掌握相關課程基本知識點前提下，構成知識模塊，如：將產品設計表達等相關知識點，構成工程圖學知識模塊;將方案設計、設計計算、結構設計等知識點，構成機械設計知識模塊;將加工工藝、零件制造、產品裝配等知識點，構成機械制造知識模塊;將結構表達創新、方案創新、結構創新和制造創新等知識點，構成機械創新知識模塊[6]。如此一來，以工程裝備設計為主線，不僅使學生系統的歸納了所學知識在裝備設計中的應用，也可使學生構成完整的知識體系，從而使學生對產品設計進行分析、綜合和評價。

四、結束語

《機械設計》是機械類學生非常重要的一門專業基礎課，在整個人才培養體系中占有重要地位，傳統《機械設計》教學方法、內容不適合教育部關于高等學校“新工科”建設中要培養工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力人才的要求，尤其是目前許多高校正在進行的以OBE為理念的現代教學改革，更加突出學生工程實踐創新能力的培養成效。通過在我校過程裝備與控制工程專業進行“專業學習和創新實踐相融合、專業教育和科研活動相融合”的教學活動實踐，實現了《機械設計》的高階教學目標，不僅在全國大學生機械創新大賽、全國大學生過程裝備創新大賽等活動中多次獲獎，并且在2018年教育部組織的對我校過程裝備與控制工程專業專業認證進校考察過程中，獲得了進校專家的一致好評，并于2019年順利通過了專業認證。

參考文獻：

[1]張辛喜，李學平.“新工科”背景下過程裝備與控制工程專業人才培養方案探索與實踐[J].新西部，2019（11）：130-131.

[2]曹憲周，楊卓.基于創新理念的機械設計教學研究[J].河南工業大學學報（社會科學版），2011（1）：136-138.

[3]王銘，黃瑤，黃珊.新時代我國工程教育認證存在的問題與對策[J].教育理論與實踐，2019（15）：3-5.

[4]王瑞華.基于布魯姆教育目標分類法的多模態教學模式研究[J].太原城市職業技術學院學報，2017（6）：106-108.

[5]丘小紅.布盧姆教育目標分類法在問題設計上的應用[J].中學生物教學，2015（5）：17-19.

[6]劉峰，石永軍.OBE理念下機械創新設計實踐課程教學研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2018（10）：196-200.