新工科背景下機(jī)械類課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)“四能力”培養(yǎng)模式構(gòu)建

李 貴，王興東，鄒光明，劉懷廣

（武漢科技大學(xué)a.機(jī)械國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；b.機(jī)械自動化學(xué)院，武漢 430081）

0 引言

機(jī)械類專業(yè)的實(shí)踐課程設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)和專業(yè)課程設(shè)計(jì)等，使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)針對復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的機(jī)械系統(tǒng)，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮多種非技術(shù)因素，為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力形成有效支撐。通過課程設(shè)計(jì)，可使學(xué)生較全面地應(yīng)用工程知識解決復(fù)雜工程問題，獨(dú)立完成一項(xiàng)機(jī)械傳動裝置或設(shè)備的設(shè)計(jì)任務(wù)。如機(jī)械原理課程的“飛剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)”、機(jī)械設(shè)計(jì)課程的“傳動裝置齒輪減速器設(shè)計(jì)”、專業(yè)課程的“起重機(jī)設(shè)計(jì)”等均是復(fù)雜的工程系統(tǒng)。

隨著“中國制造2025”“人工智能2.0”“一帶一路戰(zhàn)略”以及“互聯(lián)網(wǎng)+”與傳統(tǒng)制造業(yè)全面融合，需要更多和更新型工科制造人才的支撐，迫切需要創(chuàng)新工程教育理念，發(fā)展新工科教育［1］。通過工程教育專業(yè)認(rèn)證，改革工程專業(yè)教育的人才培養(yǎng)模式，對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，實(shí)施個性化一專多能復(fù)合型人才的培養(yǎng)，這些都離不開新工科的機(jī)械類［2］。而課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革是機(jī)械類專業(yè)新工科建設(shè)的一個重要突破口，可以成為新工科建設(shè)試驗(yàn)田，通過傳統(tǒng)制造業(yè)和現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)跨界融合式發(fā)展，實(shí)質(zhì)性推進(jìn)知識與能力并重的一專多能的復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)進(jìn)程。

那么，在實(shí)施課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)的新工科建設(shè)過程中，通過課堂教學(xué)、現(xiàn)場指導(dǎo)與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，除了進(jìn)一步鞏固和強(qiáng)化課程設(shè)計(jì)的工程知識、設(shè)計(jì)計(jì)算，同時還融合數(shù)字化、可視化和智能化設(shè)計(jì)技術(shù)，使學(xué)生能夠?qū)?fù)雜工程設(shè)計(jì)全周期、全流程的基本方法和步驟了解并逐漸掌握，了解影響設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的各種實(shí)踐因素，并運(yùn)用現(xiàn)代工具和科學(xué)方法對多種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和綜合。通過實(shí)施課程設(shè)計(jì)的新工科建設(shè)，在解決課程設(shè)計(jì)復(fù)雜工程問題的全流程中培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力，為學(xué)生進(jìn)入工程實(shí)踐工作夯實(shí)基礎(chǔ)。

1 課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

機(jī)械類專業(yè)的課程設(shè)計(jì)包括基于理論課程的課程設(shè)計(jì)和基于專業(yè)培養(yǎng)方向的課程設(shè)計(jì)，基本分布在大三至大四學(xué)年的各個學(xué)期，并與最后的畢業(yè)設(shè)計(jì)相銜接，是實(shí)踐教學(xué)體系的重要組成部分。當(dāng)前的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀歸納起來主要有以下幾方面：

（1）機(jī)械類課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)普遍都只注重對于理論課程知識的學(xué)習(xí)，對于實(shí)際機(jī)械裝備或機(jī)器的結(jié)構(gòu)、尺寸和裝配工藝認(rèn)識不深入，缺乏與工程知識的結(jié)合和對復(fù)雜工程設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使得工程能力得不到提高。

（2）課程設(shè)計(jì)題目及任務(wù)單一，設(shè)計(jì)過程完全規(guī)范化甚至模板化，導(dǎo)致課程設(shè)計(jì)的結(jié)果千篇一律，雖然可以培養(yǎng)學(xué)生課程設(shè)計(jì)的理論計(jì)算能力。但解決復(fù)雜工程問題的實(shí)踐能力得不到提高，難以體現(xiàn)學(xué)生的個性化和差異化的設(shè)計(jì)理念。

（3）課程設(shè)計(jì)學(xué)時分布不合理，設(shè)計(jì)學(xué)時緊張，一般設(shè)計(jì)周期都是固定的2～3 周時間，每個學(xué)生獨(dú)立完成設(shè)計(jì)計(jì)算，尺筆繪圖和撰寫設(shè)計(jì)說明書。只能是按流程完成上述內(nèi)容，沒有多余的時間留給學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，自主探索并進(jìn)行方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維發(fā)揮，抑制了自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（4）課程設(shè)計(jì)依舊突出傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的手工計(jì)算、尺筆繪圖等，并沒有強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代工具解決復(fù)雜工程問題的能力，難以滿足數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)時代機(jī)械制造企業(yè)對復(fù)合型創(chuàng)新人才的需求。

（5）在課程設(shè)計(jì)過程中，方案設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的非技術(shù)因素考慮的極少，包括社會、健康、安全、法律文化、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及項(xiàng)目管理等方面的制約因素。缺乏能夠根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)分析工程問題的實(shí)施背景，不能針對性應(yīng)用相關(guān)知識評價(jià)這些因素對設(shè)計(jì)方案的影響。

針對上述問題，早期研究主要集中在實(shí)踐課程教學(xué)體系的建設(shè)、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及其教學(xué)方法等［3-8］。而過渡到根據(jù)新工科建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證要求對機(jī)械類專業(yè)的課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了相對比較全面的改革探索，提出了很多具有普適性的方案。主要是將先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)和工具引入課程設(shè)計(jì)中［9-13］。還有一些學(xué)者，將課程設(shè)計(jì)與工程項(xiàng)目、學(xué)科競賽等結(jié)合來改變傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)單一的問題［14-16］。更重要的是希望通過課程設(shè)計(jì)能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新理念、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力以及能夠綜合運(yùn)用工程知識解決復(fù)雜工程問題的能力［17-21］。

因此，課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力具有重要作用。機(jī)械類專業(yè)的教育教學(xué)改革必須與制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級深度融合，遵循新工科的發(fā)展方向和需求，以市場和企業(yè)需求為導(dǎo)向，推進(jìn)產(chǎn)教融合，突出專業(yè)特色，培養(yǎng)更多的工程實(shí)踐能力強(qiáng)的個性化創(chuàng)新型人才。

2 課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)四能力培養(yǎng)模式構(gòu)建

機(jī)械類課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)工程能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力（簡稱四能力）培養(yǎng)模式如圖1所示。主要從機(jī)械類課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)踐教學(xué)方法等方面進(jìn)行綜合改革，提出通過解決課程設(shè)計(jì)的復(fù)雜工程問題，面向以個性化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力的實(shí)踐教學(xué)方法。

圖1 課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)四能力培養(yǎng)模式

（1）對機(jī)械類課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行豐富和優(yōu)化，首先從工程專業(yè)教育認(rèn)證要求對課程設(shè)計(jì)任務(wù)中的復(fù)雜工程問題內(nèi)容進(jìn)行具體化設(shè)計(jì)，豐富選題范圍、突出專業(yè)冶金特色，并結(jié)合專業(yè)特色與個人興趣擴(kuò)展至自主選題。改革課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，以面向工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)全周期、全流程設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案為核心，在實(shí)踐過程中以培養(yǎng)工程能力，實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為導(dǎo)向，突出方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）對機(jī)械類課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方法進(jìn)行改革，著重探索提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)途徑和方法。改變傳統(tǒng)的多人同一設(shè)計(jì)任務(wù)的單獨(dú)設(shè)計(jì)的教學(xué)方法，實(shí)施多人組團(tuán)，一團(tuán)一題多方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的教學(xué)方法。首先通過團(tuán)隊(duì)成員的自主大膽創(chuàng)新設(shè)計(jì)得到多種設(shè)計(jì)方案，團(tuán)隊(duì)協(xié)作對多方案進(jìn)行研討、論證、比較與綜合后確定最佳設(shè)計(jì)方案，團(tuán)隊(duì)成員合力完成最佳方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以提高課程設(shè)計(jì)廣度和深度，促進(jìn)學(xué)生個性化人才培養(yǎng)及解決復(fù)雜工程問題能力和創(chuàng)新能力的達(dá)成。

3 突出四能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)

合理地選擇課程設(shè)計(jì)任務(wù)十分重要，以機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)為例說明豐富選題和突出創(chuàng)新性的實(shí)踐舉措。機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)一直以傳統(tǒng)的適用于冶金礦山機(jī)械的普通減速器作為設(shè)計(jì)題目，雖然是適用于冶金礦山傳輸設(shè)備，但是與普通的減速器設(shè)計(jì)并沒有較大區(qū)別，無法體現(xiàn)專業(yè)冶金特色。設(shè)計(jì)題目和任務(wù)單一，理論和實(shí)際聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和思維得不到有效的發(fā)揮。而且與減速器設(shè)計(jì)相關(guān)的參考資料非常豐富，在圖書館、網(wǎng)絡(luò)上可以找到許多相關(guān)資料，只要按照資料上的步驟按部就班地做，就能順利完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，其計(jì)算內(nèi)容也大多完全一致，而且所繪制的方案圖紙也完全參考設(shè)計(jì)教材，基本上無創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。這種傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算能力和尺筆繪圖能力，并沒有涉及解決復(fù)雜的工程問題，這不能滿足當(dāng)前工程教育認(rèn)證和新工科建設(shè)的要求。相應(yīng)地在解決復(fù)雜工程問題所需要的工程能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力得不到提高。

通過豐富機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)選題及任務(wù)（見圖2），突出專業(yè)的冶金特色，緊密聯(lián)系冶金裝備的工程實(shí)際，即冶金行業(yè)的高溫、高速、重載的工作環(huán)境。由此，在傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)的基礎(chǔ)上，引入機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域的傳動裝置設(shè)計(jì)任務(wù)，如冶金設(shè)備中的轉(zhuǎn)爐傾動機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置、燒結(jié)機(jī)驅(qū)動裝置等冶金工程裝備的復(fù)雜工程設(shè)計(jì)問題。同時，與機(jī)械類學(xué)科競賽實(shí)現(xiàn)無縫對接，將歷年的各類機(jī)械學(xué)科競賽選題也納入課程設(shè)計(jì)中。此外，還可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新選題，進(jìn)一步豐富選題類型及設(shè)計(jì)任務(wù)。如此，學(xué)生可以在多任務(wù)之間根據(jù)個人的興趣進(jìn)行差異化選題，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)個性化設(shè)計(jì)，而且不提供參考模板，完全由學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)。因此，通過豐富課程設(shè)計(jì)選題范圍，優(yōu)化課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，將課程設(shè)計(jì)與專業(yè)冶金特色和工程實(shí)際相結(jié)合，突出方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高學(xué)習(xí)興趣和效果，促進(jìn)學(xué)生四能力培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

圖2 豐富機(jī)械類課程設(shè)計(jì)選題及任務(wù)

4 多成員團(tuán)隊(duì)協(xié)同自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法

在基于多任務(wù)選題的前提下，突出學(xué)生解決復(fù)雜冶金裝備設(shè)計(jì)任務(wù)相關(guān)問題能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，提出一種基于團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的“分享式”實(shí)踐教學(xué)方法，如圖3 所示。該教學(xué)方法充分利用學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)能力，分組開展課程設(shè)計(jì)，小組成員自主確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。基于設(shè)計(jì)性能、創(chuàng)新性、經(jīng)濟(jì)等方面確定各自的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在此目標(biāo)的基礎(chǔ)上，各團(tuán)隊(duì)成員自主通過資料檢索查閱，企業(yè)調(diào)研等方法確定各自的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，并對比和分析所設(shè)計(jì)方案對環(huán)境、社會、法律等方面的影響，形成方案設(shè)計(jì)可行性分析及設(shè)計(jì)報(bào)告。針對團(tuán)隊(duì)成員提出的多種設(shè)計(jì)方案，基于確定的設(shè)計(jì)目標(biāo)來比較綜合各設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并綜合各方面的因素，共同確定最終的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。團(tuán)隊(duì)成員間再次協(xié)作，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)方案計(jì)算、分析、圖紙繪制及撰寫說明書等。所完成的成果也不局限于說明書和圖紙，可以多樣化。另外，課程設(shè)計(jì)還可將機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽納入課程設(shè)計(jì)任務(wù)中同步實(shí)施。

圖3 多成員團(tuán)隊(duì)協(xié)同自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法

該教學(xué)方法同時還改革教學(xué)過程，將課程設(shè)計(jì)任務(wù)與所對應(yīng)的理論課同步實(shí)施，如機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)在機(jī)械設(shè)計(jì)理論課開課前布置到位，明確課程設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)要求和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。使學(xué)生帶著設(shè)計(jì)任務(wù)學(xué)習(xí)，與理論課學(xué)習(xí)保持同步，加大課程設(shè)計(jì)的周期，使學(xué)生有足夠多的時間進(jìn)行調(diào)研、查閱文獻(xiàn)來支撐方案的自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)。并在正常教學(xué)規(guī)定的集中時間、固定地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)成果的展示與匯報(bào)。一方面可以激勵其他學(xué)生上進(jìn)，激勵被展示學(xué)生再接再厲；另一方面，可以起啟發(fā)作用，為其他學(xué)生提供創(chuàng)新思路，是一種全員參與的“分享式”課程設(shè)計(jì)過程。

5 結(jié)語

以解決課程設(shè)計(jì)的復(fù)雜工程實(shí)踐問題為切入點(diǎn)，結(jié)合冶金機(jī)械裝備的核心前沿技術(shù)，將課程設(shè)計(jì)與專業(yè)特色及學(xué)科競賽等相結(jié)合，豐富了課程設(shè)計(jì)選題及教學(xué)內(nèi)容，允許學(xué)生自主選題，突出了個性化人才的培養(yǎng)，提高了學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新設(shè)計(jì)效果。提出了多成員團(tuán)隊(duì)協(xié)同自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法，由團(tuán)隊(duì)自主確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行多方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并將課程設(shè)計(jì)與理論課程同步實(shí)施，加大課程設(shè)計(jì)的調(diào)研、查閱文獻(xiàn)等周期。因此，可以探索通過優(yōu)化和豐富課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，改革課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法等來實(shí)現(xiàn)在新時代、新工科和工程教育認(rèn)證背景下個性化培養(yǎng)學(xué)生四能力的新途徑。