新工科背景下近機(jī)械類專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)改革思考

敬俊　石昌帥　劉偉吉

【摘要】本文分析了石油院校近機(jī)械類專業(yè)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程現(xiàn)有教學(xué)模式和考核設(shè)置存在的問(wèn)題，提出基于專業(yè)特點(diǎn)設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，針對(duì)近機(jī)械專業(yè)學(xué)生機(jī)械工程思維意識(shí)弱的特點(diǎn)，提出對(duì)照課本知識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中找原型的直觀體驗(yàn)教學(xué)方法，并制定了階梯式考核方法，讓學(xué)生主動(dòng)向拓展性和創(chuàng)新性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。希望本課程教改探索，為近機(jī)械類專業(yè)其他課程的教學(xué)改革提供參考。

【關(guān)鍵詞】新工科? 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)? 教學(xué)手段? 階梯式考核模式

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）07-0177-02

1.引言

教育部在2017年下發(fā)了《教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》[1]，要求各高校推進(jìn)以“新工科”為標(biāo)準(zhǔn)的高水平、高質(zhì)量、高素質(zhì)的工程科技復(fù)合型人才培養(yǎng)。“新工科”主要內(nèi)涵是指“以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才”[2-3]。新工科的學(xué)生需要同時(shí)具備“專業(yè)硬實(shí)力”（專業(yè)技能與知識(shí)、知識(shí)運(yùn)用能力等）和“專業(yè)軟實(shí)力”（工科及跨專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系、工程思維模式、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及視野等），但軟實(shí)力的形成是以硬實(shí)力為基礎(chǔ)。因此，以課程學(xué)習(xí)為主體的硬實(shí)力培養(yǎng)是工科類學(xué)生教育的關(guān)鍵。

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》是大二年級(jí)開(kāi)設(shè)的一門必修課，對(duì)于機(jī)械類專業(yè)與近機(jī)械類專業(yè)，該門課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)要求上各有不同。該課程主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)械學(xué)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基本理論、基本知識(shí)、基本技能，初步具有確定簡(jiǎn)單機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案，分析和設(shè)計(jì)常用機(jī)構(gòu)的能力，掌握通用機(jī)械零件設(shè)計(jì)原理、方法和機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，具有一定的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和查閱技術(shù)資料的能力。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，近機(jī)械類的學(xué)生對(duì)于機(jī)械知識(shí)的認(rèn)知水平、興趣特點(diǎn)以及接受度較機(jī)械類專業(yè)學(xué)生存在一定差距，且學(xué)生個(gè)體之間也存在著明顯的差異，同一班級(jí)中會(huì)出現(xiàn)明顯的好學(xué)與厭學(xué)情況。因此，為提升近機(jī)械類專業(yè)該課程的教學(xué)水平，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生形成較為完善的知識(shí)體系，擁有專業(yè)的思維模式，文章對(duì)新工科要求下近機(jī)械類專業(yè)該門課程的教學(xué)思路改革進(jìn)行了探討。

2.傳動(dòng)教學(xué)模式中存在的問(wèn)題

2.1 教學(xué)內(nèi)容量大

近機(jī)械類專業(yè)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程共計(jì)48學(xué)時(shí)（其中實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)），課程教學(xué)理論性強(qiáng)度不大，但教學(xué)內(nèi)容量大、章節(jié)間容量差異大且關(guān)聯(lián)性較弱。“滿堂灌”的教學(xué)模式早已證明不適合現(xiàn)代課堂教學(xué)[4]，所以，在學(xué)時(shí)大大壓縮的情況下，課堂學(xué)習(xí)無(wú)法容納大量的教學(xué)內(nèi)容，只能挑選重點(diǎn)章節(jié)及其內(nèi)容進(jìn)行講解，學(xué)生需花費(fèi)大量課下精力建立知識(shí)框架并對(duì)具體內(nèi)容進(jìn)行豐富。以《凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)》中壓力角求解公式推導(dǎo)為例，壓力角公式如式1-1所示，分析模型如圖1所示：

凸輪機(jī)構(gòu)壓力角的數(shù)學(xué)表達(dá)是在△ABD中建立的，其關(guān)鍵尺寸BD的求解需利用運(yùn)用平面鉸鏈機(jī)構(gòu)章節(jié)中關(guān)于速度瞬心的相關(guān)知識(shí)，然而后者卻不在近機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的課程教學(xué)大綱的范圍內(nèi)。這便導(dǎo)致講解壓力角求解方法時(shí)學(xué)生聽(tīng)不懂，求解原理無(wú)法理解，只能死記公式本身。教學(xué)實(shí)踐表明，死記計(jì)算公式僅能幫助學(xué)生完成相關(guān)的測(cè)試，并不能幫助學(xué)生建立完善的知識(shí)體系且遺忘時(shí)間間隔短、遺忘概率極大。因此，不完整的課程內(nèi)容增大學(xué)生的聽(tīng)課難度，造成學(xué)生只知其一不知其二的問(wèn)題，無(wú)法形成完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生建立起片面的知識(shí)結(jié)構(gòu)，不利于學(xué)生基于自身建立的知識(shí)體系進(jìn)行拓展與創(chuàng)新，最終偏離課程教學(xué)的目的。

2.2 教學(xué)內(nèi)容的抽象化

近機(jī)械專業(yè)學(xué)生機(jī)械工程思維較弱，使其對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)特征較為陌生，對(duì)建立在其上的相關(guān)知識(shí)及理論，難以進(jìn)行建模和思考。例如齒輪齒條傳動(dòng)較少見(jiàn)，在以齒輪齒條傳動(dòng)為基礎(chǔ)講述漸開(kāi)線圓柱齒輪的根切現(xiàn)象、變?yōu)辇X輪及展成法加工漸開(kāi)線圓柱齒輪時(shí)（見(jiàn)圖2），學(xué)生存在一定的理解及認(rèn)知困難。教學(xué)內(nèi)容的抽象化使得學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的接受度欠佳，跟不上老師思路，課堂學(xué)習(xí)效率低下，缺乏復(fù)習(xí)及對(duì)后續(xù)知識(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)的動(dòng)力，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更無(wú)法展開(kāi)良好的課堂互動(dòng)，課外拓展也無(wú)法實(shí)施。

2.3 考核方式簡(jiǎn)單化

傳統(tǒng)考核模式下，該門課程的成績(jī)?yōu)槠綍r(shí)成績(jī)與閉卷考試成績(jī)的總和，前者由“課后作業(yè)、出勤率、實(shí)驗(yàn)成績(jī)”組成，占總成績(jī)的30%，后者占總成績(jī)的70%。閉卷考試成績(jī)占比很大，導(dǎo)致學(xué)生普遍出現(xiàn)了重卷面考試，輕過(guò)程學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，不利于學(xué)生課程知識(shí)體系的建立，更無(wú)法合理引導(dǎo)學(xué)生以課程學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，進(jìn)行知識(shí)的拓展學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練和學(xué)科競(jìng)賽等，不符合新工科提出的人才培養(yǎng)要求，因此，需要改革凸顯對(duì)學(xué)習(xí)層次與應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題能力的考核。

3.教學(xué)模式改革的思考

3.1 合理制定教學(xué)內(nèi)容

近機(jī)械類專業(yè)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的目的是使學(xué)生建立基礎(chǔ)的機(jī)械類知識(shí)，在以后的工作中“能辨識(shí)、能理解、能判斷、能設(shè)計(jì)與維護(hù)”，并為進(jìn)一步的學(xué)習(xí)建立專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)。因此，應(yīng)針對(duì)學(xué)生所屬專業(yè)特點(diǎn)，針對(duì)性設(shè)置教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)。例如海洋油氣井工程專業(yè)對(duì)于機(jī)械類相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)的目的在于輔助培養(yǎng)其輸運(yùn)管線設(shè)計(jì)與管理、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、管線安全與檢測(cè)等工程問(wèn)題的綜合處理能力。因此，教學(xué)內(nèi)容可取消離合器、制動(dòng)器和彈簧等相關(guān)內(nèi)容，減少滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)機(jī)械零件連接和零件疲勞及失效的相關(guān)內(nèi)容。

此外，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行層次設(shè)定。學(xué)生的個(gè)人基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力及其后續(xù)的發(fā)展規(guī)劃各有不同，應(yīng)該根據(jù)學(xué)生需求，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行層次化設(shè)定。對(duì)于基礎(chǔ)較為薄弱、機(jī)械意識(shí)薄弱的學(xué)生，根據(jù)培養(yǎng)方案要求，依照課程教學(xué)大綱開(kāi)展教學(xué)，強(qiáng)化基礎(chǔ)類知識(shí)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其具備一定的解決問(wèn)題的能力。對(duì)于學(xué)習(xí)意識(shí)較強(qiáng)，具有一定機(jī)械工程思維意識(shí)的學(xué)生，可通過(guò)學(xué)習(xí)通、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等線上學(xué)習(xí)方式[5-6]，進(jìn)行拓展性學(xué)習(xí)，例如自主開(kāi)展“速度瞬心”相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，使其建立更為全面的知識(shí)體系，同時(shí)鼓勵(lì)參加機(jī)械類相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽或參與相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，增強(qiáng)其應(yīng)用知識(shí)解決具體問(wèn)題的能力，讓學(xué)生在不斷取得的進(jìn)步中建立學(xué)習(xí)自信，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)和能動(dòng)性。更加完善的知識(shí)體系和知識(shí)積累，將有助于學(xué)生應(yīng)對(duì)考研及其開(kāi)展相關(guān)科學(xué)研究工作。

3.2 教學(xué)手段的多樣化

近機(jī)械類專業(yè)學(xué)生對(duì)機(jī)械知識(shí)及機(jī)械結(jié)構(gòu)的認(rèn)知水平不同，同時(shí)不能排除存在認(rèn)識(shí)盲區(qū)。因此，授課時(shí)應(yīng)避免直接選用二維原理圖例，應(yīng)采用“多媒體+實(shí)物照片及視頻+教具”的方式進(jìn)行講授。例如講授斜齒圓柱齒輪嚙合方式時(shí)，若直接采用圖3（a）所示的教材圖例進(jìn)行嚙合原理講解，學(xué)生因?qū)π饼X輪傳動(dòng)暫不具備直觀且準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致認(rèn)知和理解能力較差。若利用多媒體視頻[圖3（b）]引入斜齒輪嚙合的三維模型，并借助實(shí)物[圖3（c）]對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、嚙合方式、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用等知識(shí)進(jìn)行講解，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度將大大提升，在此基礎(chǔ)上，斜齒輪傳動(dòng)的重合度、輪齒作用力等知識(shí)點(diǎn)的講授將獲得更好的教學(xué)效果。此外，利用學(xué)校工程訓(xùn)練中心及實(shí)驗(yàn)中心，對(duì)照課本知識(shí)在實(shí)際機(jī)械設(shè)備中找應(yīng)用原型，讓學(xué)生獲得最為直觀的體驗(yàn)。運(yùn)用多樣化教學(xué)手段，使刻板、乏味的機(jī)械知識(shí)變得更加生動(dòng)形象，同時(shí)給學(xué)習(xí)過(guò)程帶來(lái)更加真實(shí)和快樂(lè)的體驗(yàn)。

3.3 階梯式考核模式

傳統(tǒng)考核模式偏重于對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，不適用于對(duì)學(xué)生能力的考核。卷面分?jǐn)?shù)高的學(xué)生并不一定是知識(shí)綜合運(yùn)用能力和問(wèn)題解決能力最強(qiáng)的人，但與成績(jī)直接相關(guān)的獎(jiǎng)學(xué)金評(píng)定、推優(yōu)保研等獎(jiǎng)勵(lì)，間接引導(dǎo)學(xué)生們只狹隘地注重卷面成績(jī)，忽視對(duì)自身專業(yè)能力的培養(yǎng)，這種模式也違背了新工科理念下人才培養(yǎng)的初衷。因此，提出階梯式考核方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行更加全面的考核。階梯式考核是將教學(xué)內(nèi)容掌握程度考核和應(yīng)用能力考核相結(jié)合的一種新模式。前者采用傳統(tǒng)的方式進(jìn)行考核，是所有學(xué)生獲得基礎(chǔ)考核分?jǐn)?shù)的必選途徑。而應(yīng)用能力考核可以采用小組模式或個(gè)人模式，以“專題問(wèn)題討論”“自選工程問(wèn)題解決”和“拓展知識(shí)學(xué)習(xí)及應(yīng)用”等方式進(jìn)行[7]，同時(shí)將自主線上學(xué)習(xí)納入其中。該種考核模式旨在改變學(xué)生中流行的“死學(xué)”模式，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)課本知識(shí)的同時(shí)，主動(dòng)進(jìn)行拓展性、跨學(xué)科和創(chuàng)新性方面的學(xué)習(xí)，從只會(huì)被動(dòng)應(yīng)對(duì)考試的學(xué)習(xí)機(jī)器，轉(zhuǎn)變成為能綜合運(yùn)用知識(shí)、解決問(wèn)題且可主動(dòng)進(jìn)行深入拓展學(xué)習(xí)的工科人才。

4.總結(jié)

本文結(jié)合新工科對(duì)人才培養(yǎng)的要求，針對(duì)近機(jī)械類專業(yè)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的不足進(jìn)行了分析，提出了結(jié)合近機(jī)械類專業(yè)特點(diǎn)制定合理教學(xué)內(nèi)容，以及側(cè)重學(xué)生獲得實(shí)物體驗(yàn)的多樣化教學(xué)手段，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的認(rèn)知感及接受度，結(jié)合階梯式考核模式，合理引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)課程知識(shí)的同時(shí)，加強(qiáng)自身專業(yè)能力培養(yǎng)。課程改革只是教學(xué)改革中的一小步，更是高校人才培養(yǎng)模式改革中的一小步，高校還需要結(jié)合自身的專業(yè)及學(xué)科特點(diǎn)，從基礎(chǔ)出發(fā)、從未來(lái)人才需求著手，推動(dòng)新工科發(fā)展要求下的人才培養(yǎng)方案改革，為國(guó)家發(fā)展輸送高質(zhì)量的工科人才。

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作者簡(jiǎn)介：

敬俊（1986年7月-），男，講師，博士研究生，博士后，主要從事鉆井提速及油氣井井完整性研究。