三位一體培養模式在“機械設計”課程教學中的探索實踐*

王智森 ，肖 揚

（景德鎮學院機械電子工程學院，江西 景德鎮 333400）

0 引言

在“工業4.0”“中國制造2025”的時代背景下，應用型本科院校承擔為地方經濟培養工程技術人才的使命。“機械設計”課程作為工程領域一門專業核心課，內容涵蓋常用機械零部件的結構原理、失效形式及設計準則等知識點，在機械設計制造及其自動化專業學生的專業課程體系中起著承上啟下的作用[1]。針對本課程的學習，學生首先需要打好“機械制圖”“機械原理”“理論力學”及“材料力學”等先修專業課程的基礎，然后結合課程教學中機械零件強度、連接設計、傳動設計及軸系零部件設計等各個模塊的內容鍛煉創新思維，并順利完成后續“機械制造技術基礎”“數控技術”及“機械制造工藝學”等專業課程的學習并完成本專業的畢業設計。因此，本課程的教學質量對畢業生能否快速進入工程師角色至關重要。目前，國內外高校已經將大學生工程實踐能力鍛煉融入“機械設計”課程，探索以項目教學、學科競賽相結合的形式來培養學生[2]。

近年來涌現的新工科、新興產業及新型經濟等熱點領域，對機械設計制造及其自動化等工科專業畢業生的工程實踐能力和創新思維均提出了更高的要求。國外高校如美國的加州理工學院針對“機械設計”開設實驗創新課并提出項目模塊化教學理念及方法，包括結構設計與虛擬仿真加工等，組織本科學生針對性地開展科研訓練，同時每年舉辦機器人競賽，達到以賽促學的目的[3]。國內許多高校如清華大學、北京交通大學等積極探索讓學生參與各類科技競賽，如全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生機器人大賽、大學生“挑戰杯”等，激活了實踐教學環節。其中，北京交通大學機械工程及自動化專業采用教師帶領本科生參與科研項目，提供場地與經費組建車隊參加本田Honda 中國節能競技大賽等模式，提高學生的學習興趣、動手實踐和創新能力，取得了顯著效果，為地方性應用型本科院校提供了參考。

從當前“機械設計”課程教學實踐來看，仍然以教師講授為中心，不可避免地將學生的“學”與“用”兩個重要的學習階段人為分離，造成對理論知識的實踐鞏固產生滯后效應，學生學習效果大打折扣。基于前期實踐積累成果，提出將“本科生開展科研訓練+項目驅動+競賽促學”三位一體培養模式融入“機械設計”課程教學中，貫穿全項目、全時域、全過程，挖掘學生創造潛能，培養學生解決實際工程問題的能力。

1 優化教學內容

1.1 研究制訂課程理實融合教學大綱

景德鎮學院機械電子工程學院機械設計制造及其自動化專業“機械設計”課程的探索實踐以《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》及《景德鎮學院“十四五”發展規劃綱要（修訂稿）》等文件精神為指導，基于構建“本科生開展科研訓練+項目驅動+競賽促學”三位一體培養模式，按照“卓越工程師教育培養計劃”的改革目標，服務于地方經濟發展，培養出具有創新能力的工程實踐人才。根據機械電子工程學院機械設計制造及其自動化專業的特點，參考本學院與景德鎮北汽昌河汽車股份有限公司共建的“北汽昌河汽車學院”以及與北京通航江西直升機有限公司共建的“北京通航江西直升機學院”，不斷加強校企合作、產教融合、協同育人，實現更高水平的理論教學與工程實踐融合培養。“機械設計”課程的精髓在于過程與應用，結合地方性應用型本科院校辦學特色，制訂本課程理實融合教學大綱尤為重要。

基于本校的實際發展階段，對課程教學內容進行全面探索設計，制訂課程教學大綱，促進學生在理論知識、創新思維、工匠精神等維度的融合學習[4]。如圖1 所示，“機械設計”課程探索實踐過程主要分為教學內容、教學方式、實踐體系及評價體系等方面。具體實施為打破傳統章節式教學思路，實施項目模塊化教學，優化教學內容，在本課程內容設計教學環節，將各章節內容與順序重新科學整合成4 個模塊化項目，量化學生在聯接件設計、傳動裝置設計、軸系零部件設計、箱體類零部件設計4 個模塊化項目學習過程中應完成的設計任務，清晰各個設計階段設計要點[5]。結合最新技術與工程案，例如近年來工程機械行業的迅猛發展，引入多元化教學手段，如分享觀看《大國工匠》《動力澎湃》及《大國重器》等節目的感受，以學生為主體分組實施，引導學生主動思考，切實提高課堂教學效果。組織學生自主參加全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽等，引導學生主動進行相關資料的收集與設計工作，培養鍛煉學生學術檢索的能力，對未自選題目的學生，由教師提供本專業相關課題，將科研與教學結合，用科研的氛圍激發學生的學習興趣。

圖1 “機械設計”課程探索實踐思路

1.2 激活課程實踐教學項目

對現有文獻資料進行消化、吸收和再創新，以景德鎮學院機械電子工程學院機械設計制造及其自動化專業大二、大三學生為研究對象，采用問卷調查、訪談及騰訊會議等形式調研學生的學習特征，開展學生學習特征科學分析，了解學生學習的狀態，構建學生學習的數據庫，完善學生學習的需求。本學院本專業現有的硬件設施有機械設計綜合創新實驗室1 間，包括16 臺機構創意組合設備、8 套機械傳動效率組合實驗臺；減速拆裝實驗室1 間，包括4 類減速箱縮比實驗模型；大學生機械創新設計大賽工作室1 間；3D打印室1 間，包括8 臺智能型3D 打印機，這些硬件設施為激活本課程的實踐教學項目提供了良好的科研場所及實踐裝備。

在“機械設計”課程教學中，基于理實融合教學大綱，通過激活實踐教學項目，充分調動學生的主觀能動性，促進學生在學習中實踐、在實踐中學習[6]。由于本課程總學時為64學時，其中理論部分48 學時，實驗實踐部分16 學時，傳統章節式教學內容繁雜且知識點分散，導致課程理論講授時間非常有限，容易出現教師追趕教學進度造成學生學習效果大打折扣的情況。實驗實踐部分內容是“機械設計”課程教學必不可少的一個環節，傳統的實驗教學由于實驗設備等條件的制約，實驗項目過時老舊、內容單一，主要偏向認知驗證性，綜合創新性欠缺，難免出現學生在實驗實踐課程中后期思維固化的現象，只是為了完成學分而學習，這樣就很難激活學生的動手操作熱情及實踐創新思維[7]。根據現有的實驗裝備，借助機械設計綜合創新實驗室、大學生機械創新設計大賽工作室及3D 打印室，依托MSMEXJ-1 型機械系統創意組合實驗臺、MSMECX-1 型平面機構運動組合拼接實驗臺以及1902001S 型減速箱拆裝實驗臺等平臺在經典實驗項目基礎上深度開發，融入模塊化項目、科研訓練項目及競賽項目。基于這些平臺，學生可以將自己的可行性設計想法實現為實物模型，培養學生學習興趣，提高學生將所學知識應用于工程實踐的能力，逐步探索實踐并完善課程教學大綱，提高課程實驗實踐學時比重。

2 改革教學方法

2.1 實施“本科生開展科研訓練+項目驅動+競賽促學”三位一體培養模式

采取分組合作學習模式，學生相互交流探究討論。強化“機械設計”課程管理與質量監控運行機制，學生逆向提問，碰撞思想火花。組織本科生開展科研訓練，參與教師科研課題，通過動手操作實踐，擴充新視野，鍛煉新思維，為學生提供一個考研升學的科研實踐平臺。鼓勵學生將課程理論知識學以致用，融會貫通，讓學生真真切切感受到學習的快樂，實現從被動學習到主動鉆研的精神面貌轉變，特別是對于大三準備考研的學生來說，提前進入科研訓練，形成一個過渡期，有利于學生的后續可持續發展[8-10]。成立機械創新設計興趣小組，以全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽為載體，對學生競賽全過程進行理實融合教學研究。

將“本科生開展科研訓練+項目驅動+競賽促學”三位一體培養模式與“機械設計”課程教學的特點真正結合起來，即將課程內容設計成聯接件設計、傳動裝置設計、軸系零部件設計、箱體類零部件設計4 個模塊化項目，形成工程設計理念主線分段實施。根據機械設計制造及其自動化專業班級學生人數情況，按照1 組4～6 人合理組織學生成立項目學習團隊，根據4 個模塊化項目整合課程知識點內容，分類消化各個項目重難點，通過實驗實踐部分來鞏固、訓練及融會貫通所學理論知識，為小學期“機械設計”課程設計及后續的畢業設計項目打下堅實的基礎。機械組合傳動效率測量創意實驗如圖2所示。

圖2 機械組合傳動效率測量創意實驗

2.2 建設“雙師雙能型”青年教師隊伍

為了推動景德鎮學院機械電子工程學院機械設計制造及其自動化專業課程探索實踐，加強“雙師雙能型”青年教師隊伍建設，需要培養既有較高理論教學水平又有熟練操作技能的“雙師雙能型”青年教師，更好地實現應用型人才培養目標。組織青年教師進入校企合作單位鍛煉提高實操水平，同時根據每個小學期實踐課程情況定期邀請高級工程師等技術人員作為技術指導，全面提升青年教師的實踐教學能力。景德鎮學院對專業課程教學改革建設非常重視，通過制定一系列有關規章文件和獎勵措施包括《景德鎮學院教師教學工作量計算及獎勵辦法（修訂稿）》及《景德鎮學院科研工作量計算辦法（試行）》等，為培養“雙師雙能型”青年教師做好硬件支撐。

在地方性應用型本科院校的轉型過程中，教師是學生的引路人，課程任課教師的轉型顯得尤為重要，急需大力培養更多的“雙師雙能型”青年教師。“機械設計”課程的教學對“雙師雙能型”教師的要求更高，在各個模塊化項目的實施環節必須具備扎實的理論知識及實踐經驗，通過采取“本科生開展科研訓練+項目驅動+競賽促學”三位一體培養模式，切實提高課程教學效果。培養“雙師雙能型”青年教師的途徑多種多樣，例如，組織青年教師參加教學技能基本功比賽，在比賽中打磨，在比賽中成長，在比賽中突破；積極鼓勵青年教師帶領學生參加全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽等專業競賽，激發青年教師的工作熱情與昂揚斗志，培養學生的創新思維與工程實踐能力。經過幾年的探索實踐積累成果，景德鎮學院機械電子工程學院近年來通過考核認定的“雙師雙能型”青年教師數量逐年攀升，形成了你追我趕、爭當先進的良好氛圍。

3 結語

為了適應地方性應用型本科院校畢業生人才培養，面向“機械設計”課程教學實際，深入剖析探索實踐過程中的痛點，融合理實教學特征，提出“本科生開展科研訓練+項目驅動+競賽促學”三位一體培養模式。基于該培養模式的實施、應用及推廣，經過近幾年“機械設計”課程教學摸索，學生本課程的學期綜合平均成績、學生考研升學率、學科專業競賽獲獎數每屆均逐步提升，其中，以2022 年江西省大學生機械創新設計大賽獲獎數目為例，取得二等獎1 項、三等獎3 項的佳績，實現本校該項競賽的歷史突破。未來本課程探索實踐過程中，教學團隊將繼續立足前期積累，不斷擴充課程資源庫，做優理論教學，做精實驗實踐，為培養學生的工程實踐能力貢獻智慧。