新工科背景下機械設計課程設計教學改革探討

黃志剛

（華東交通大學 機電與車輛工程學院，江西 南昌）

新工科建設更加強調對學生工程實踐能力和創新能力的培養。機械設計課程設計旨在對機械類或近機類專業學生前面兩年所學的諸多理論課程進行一次綜合的、全面的工程實踐訓練。為學生今后從事技術工作和解決工程實際問題打下一定的基礎、積累一定的經驗，具有非常重要的教學和實踐意義。如何響應產業轉型升級的要求，探索機械設計課程設計的教學改革途徑，強化學生的工程實踐能力培養，是所有高校都要面臨的一個重要課題。

一 教學中存在的問題

由于每次課程設計基本都安排在臨近學期結束，學生往往會有多門考試課程要進行復習。出于考試的壓力，相當一部分學生會產生“只要能完成任務就好”的心態，不會全身心地投入課設，自然會影響課程設計的質量和訓練效果。由于與企業交流有限，新的課程設計題目比較少，相當一部分高校仍然要求學生完成一般傳動用途的減速器設計。這種課程設計題目比較傳統、固定，并且已經使用了較長時間，相關的參考資料非常多。這些因素將導致不少學生在完成課程設計時會產生依賴或者懶惰心理，不會主動深入思考課程設計內容，課程設計的鍛煉價值大打折扣。結合作者多年的教學實踐，目前在課程設計中存在以下問題：（1）學生通過網絡下載或者購買成套的課程設計資料，采用更換部分數據或者原封不動照搬的方式對待課程設計任務，無論內容的對錯；（2）復制同學的計算過程，把自己的數據替換進去，充當錄入員的角色，完全喪失主觀能動性；（3）直接把同學的課程設計成果作為自己的東西，完全不考慮原始參數的差異性，想不勞而獲、蒙混過關；（4）由于制圖識圖能力弱，部分同學圖紙上三個視圖之間的對應關系存在問題；（5）標準意識淡薄，標題欄、明細表不規范，不嚴格按比例繪圖，相當一部分圖紙標注混亂；（6）極少數同學的圖紙是在打印圖紙的基礎上通過鉛筆覆蓋而得到的；（7）設計計算說明書格式不規范，字跡潦草，涂改較多；（8）指導教師在課程設計的成績評定過程中，往往只注重結果，缺乏具體過程的管理和監督，使得成績的合理性和有效性值得商榷。這些問題的出現，有的來源于學生知識水平不夠，有的來源于學生能力不夠，還有的來源于學校和教師對學生的思想道德及職業素養教育重視不夠。如果這些問題得不到有效解決，而是繼續任其循環發展下去，課程設計質量只會逐年下降，最后將導致此教學實踐環節失去其應有的作用。

在新工科背景下，新產業、新技術和新經濟要求高校能夠為社會提供高素質、復合型工程人才。普通地方工科院校在堅持自身辦學指導思想的同時，如何在學校期間通過課程設計教學改革提升學生的職業素養和工程能力，縮小學校人才培養目標與用人單位需求之間的差距，是高等工程教育急需解決的現實問題。

二 課程設計改革措施

（一） 拓展課程設計的選題范圍

課程設計題目的難易程度，一方面會影響學生工程能力培養目標的實現，另一方面還受學生現階段知識結構水平及教學時間的限制。課程設計應該以能力培養為中心，以激發興趣為導向，突出專業特色。地方高校可以進一步加強與本地相關企業的合作交流，指導教師結合工程實際提煉出一些可操作性的課程設計題目，將課程設計題目從一般用途的減速器擴展到新能源汽車、風力發電系統、先進軌道交通裝備、機器人等高新技術產品中的減速器或者增速器。通過這種方式使得課程設計的題目更加科學、豐富、靈活，在根本上能夠克服設計題目單一、老化等問題，防止設計思路、方法千篇一律，可以滿足不同層次學生在課程設計過程中各方面能力鍛煉的要求，在潛能挖掘、思維發散過程中進行創新性設計，最大化提高工程實踐的訓練效果[1]。歷年機械創新設計大賽的優秀作品也可以納入課程設計中，以激發學生的設計興趣和創新能力。指導教師要有意識地引入不同工程背景的課程設計題目，使得課程設計題目多樣化，既可以有效減少抄襲現象的發生，又可以培養學生理論聯系實際的工程思維和工程意識，提高學生的整體工程素養。新穎的設計題目也不能過多地引入課程設計中，涉及的新技術有可能超越了大部分學生現有的知識水平，勢必會讓學生用去太多的時間查閱資料，造成大部分學生無法按時完成課設，那就失去課程設計對人才能力培養的意義。

（二） 課程設計組織方式的改革

按照慣例，機械設計課程設計實行一人一題，每人具有一套不同的設計參數。接到課程設計任務后，學生都是各自單獨去完成的。由于在課程設計過程中缺乏有效的溝通和交流，這種單打獨斗的方式經常會導致課程設計成績普遍偏低的情況。為了改變這個狀況，嘗試組建四人左右的課程設計學習小組，選出一位學習成績好、責任心強和溝通協調能力強的同學作為組長，組長監督組員的課程設計工作。在課程設計過程中，組員之間可以進行充分交流、資源共享、互相幫助、提升認知，培養團隊協作能力。

為了加強教師對課程設計的指導，讓學生少走彎路、少犯錯誤，提高課程設計的質量和效率，課程組可以針對性地開展課程設計網絡資源建設。可以圍繞主要零部件設計、三維繪圖、工程圖標注等錄制小視頻，引導學生鞏固先修知識，提高學生的自學能力[2]，有利于學生高效完成課程設計。

我們在課程設計教學中發現，由于學生工程基礎薄弱，且課程設計時間短、任務重，成績中等偏上的學生要做到按期完成傳統選題內容，都需要通過加班熬夜才能實現。為了減輕學生課程設計的壓力，我們可以在機械設計課程教學伊始提前布置課程設計任務，將課程設計任務進行分解，將傳動件的設計計算部分貫穿到平常的教學當中，例如帶傳動、齒輪傳動、軸和軸承等內容。學生帶著任務去學習，可以激發學習的積極性和主動性，提高學習效果[3]。真正的課程設計階段啟動后，學生可以花比較少的時間完成箱體設計和少量的校核工作。這樣一來，學生就可以比較從容地進行繪圖和產品制造、優化等方面的拓展性工作，能夠有效地提高學生的結構設計意識和動手能力，還可以進一步提高學生的學術水平和課程設計質量。

（三） 加強設計過程的考核

近年來隨著學生人數的增加，學校不再對課程設計教學分配專用的繪圖教室。導致指導教師很難對學生的課程設計過程進行全程的指導和監督。為了彌補過程考核的缺失，指導教師在布置課程設計任務時，提前給定課程設計的預期進度安排，要求組長在設計節點檢查組員任務的完成情況并進行打分，監督組員嚴格執行進度要求。在課程設計第一周的星期四或星期五，指導教師要求每位學生匯報自己前期完成的工作，重點講述設計過程中遇到的難點和解決方法。教師可以采用現場提問的方式來考核學生的知識掌握情況，以及對課程設計的熟悉程度，防止學生囫圇吞棗地復制、照搬、照抄等現象。通過檢查每位學生的主要零部件的設計計算結果，確保學生的課程設計不會出現重大錯誤，提高設計計算的質量。通過匯報情況和問答問題，既提升了學生分析解決問題的能力、組織溝通能力和表達能力，又能夠準確把握學生的團隊協作交流情況。在課程設計平時成績評定環節，即表1中的工作量及進度部分，采取教師評價、學生自評和學生互評相結合的綜合性考評方式，保證此項成績的合理、全面和公正。整個課程設計成績及各個目標達成度情況由表1的數據進行加權計算，這些數據是工程教育專業認證所要求的，可以為后續機械設計課程設計教學的持續改進提供依據和參考。

表1 課程目標達成度評價依據

（四） 課程設計內容、方法和手段的改革

目前我校機械設計課程設計的任務是在兩周內完成單級齒輪減速器的設計。設計內容包括電機選擇、傳動比分配，傳動零件設計、軸設計、箱體設計、軸承的選擇、聯軸器的選擇、連接件的選擇、潤滑密封，繪制一張裝配圖和兩張零件圖，完成一份規范詳細的設計計算說明書等。常規的課程設計方法與手段不外乎如下情形，不同專業的學生在教師指導下手工計算、手工繪圖。這種方式導致課程設計進度慢、準確率低、修改繁瑣，嚴重影響機械設計的效率、質量等，很難滿足新工科背景下我國產業轉型升級、科技更新發展對人才的要求。另外，由于受到知識水平、資源和資金等主客觀條件的限制，我校的機械設計課程設計教學還停留在理論設計階段，并未形成真實的產品，學生不能體驗到整個機械設計的全過程。由于學生缺乏對制造和結構方面的認識，造成課程設計不能充分滿足新工科對學生工程能力和創新能力培養的需求，課程設計必須要做出改變。如何在現有課程設計內容基礎上提升學生工程實踐能力的培養效果，是目前教學改革面臨的一個重要任務。

為了加強學生工程思維和工程能力的訓練，可以在課程設計環節有選擇性地引入若干種現代企業青睞的機械類工程軟件，例如Pro/E、ANSYS、ABAQUS等。通過構建減速器各個零部件的三維幾何模型并進行裝配，可以有效彌補二維 CAD 軟件呈現出來的缺陷，使得繪圖更加直觀、便捷，能夠自動生成、修改各類圖紙。還可以利用有限元軟件對關鍵零部件進行有限元仿真分析，通過與理論計算結果進行合理化對比檢驗，深化對機械零部件結構設計的認識，積累相關設計經驗。這樣不僅可以豐富課程設計的內容、提高課程設計的質量和效果，還可以鍛煉學生的工程軟件應用能力，培養學生現代設計、生產、制造技術的基本功[4-5]，為學生將來快速適應工作崗位打下堅實的基礎。

由于課程設計學時有限，大部分學生要在兩個星期內完成常規設計內容都有相當的難度。為了讓大部分學生都能在規定的時間完成課程設計并得到應有的鍛煉，上述拓展的設計內容不是強制性的，不需要每位同學必須完成，而是可以作為選做內容和加分項，讓學有余力或者感興趣的同學來完成，體現因材施教和滿足學生的個性化發展需求。

（五） 強化理論教學與課程設計的銜接

由于課程設計的核心內容是帶傳動、齒輪傳動和軸等核心零件的設計。教師在講述這些內容時，既要講述設計原理和方法，也要強調工程背景和工作條件對參數選擇的影響，出現強度不足的問題應該怎么進行調整。這些內容最能考驗工程技術人員的素質和能力，也是學生最頭疼和不好掌握的。這些重點章節的例題與課程設計直接相關，教師要強調學生對例題的每一個步驟都非常清楚。受限于教材的篇幅，例題中的結構設計部分往往都被省略掉。而這些知識正好是學生比較陌生和欠缺的。任課教師在講授這些重點章節的例題時，可以采用討論課的形式授課，通過設問來突出結構設計的內容，結合零件圖中涉及的經驗公式、尺寸標注、形位公差標注、技術要求等內容展開課堂大討論。授課教師要鼓勵大家積極發言，不要害怕錯誤，通過此環節，一方面可以深化、鞏固學生的先修課程知識，另一方面可以強化學生的標準意識和結構意識，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，進而提升學生的工程實踐能力。

（六） 加強課程設計的思政育人效果

作為現代復合型、高素質的技術人才，首先要具備扎實的理論學識和豐富的工程實踐技能，其次要具有強烈的家國情懷、民族責任感和擔當意識，同時應該具備嚴謹細致、精益求精的工匠精神和吃苦耐勞的職業素養，最后還要具備標準意識、法治意識和誠實守信的工程倫理道德。這些優秀的品格要靠各門課程的教育與訓練才能培養。課程設計時間緊任務重，再加上課程過程中老師講解的環節比較少，整個過程只注重學生專業能力的培養，很容易忽略課程思政的育人作用。作為高校教師，特別是作為教學實踐的指導老師，首先應該具備豐富的實踐經驗，要樹立正確的課程思政理念，并有意識地加強自身的課程思政教學能力，真正做到立德樹人。教師在課程設計教學過程中，應該巧妙地將思政元素融入相關知識點和教學環節，因勢利導，在傳道授業解惑的同時達到潤物無聲的育人效果。這樣就可以有效解決課程設計過程中出現的若干問題。

三 結語

教學改革是新工科教育深化發展的必然趨勢，也是高效培養學生各方面能力的關鍵環節。在制造業信息化時代背景下，高等工科院校要引入先進的設計方法到課程設計教學體系中，充分調動學生的積極性，激發學生對課程設計的興趣，培養學生的工程創新能力和工程實踐能力，提高職業素養，使其在未來職場上具有更強的競爭力。