面向一流課程建設(shè)的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革

［摘 要］ 面向國(guó)家級(jí)一流本科課程建設(shè)要求，以“兩性一度”為建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，基于機(jī)械類本科生專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃，從課程內(nèi)容、教學(xué)方法及評(píng)價(jià)體系三方面開展“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革。首先，從學(xué)科前沿、課程項(xiàng)目、課程思政三方面重構(gòu)課程內(nèi)容；其次，基于自主構(gòu)建的線上課程資源，以線上線下混合、對(duì)分課堂等方式開展教學(xué)活動(dòng)；最后，兼顧過(guò)程性和總結(jié)性評(píng)價(jià)，提出課程多元化考核評(píng)價(jià)體系。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)施和持續(xù)改進(jìn)實(shí)踐，學(xué)生達(dá)成度逐漸提升，改革成效顯著。

［關(guān)鍵詞］ 一流課程；機(jī)械設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］ 2020年天津市高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計(jì)劃項(xiàng)目“基于工程認(rèn)證的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)國(guó)家級(jí)一流專業(yè)建設(shè)”（B201006605）

［作者簡(jiǎn)介］ 韓 林（1982—），男，山東棗莊人，工學(xué)博士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）14-0065-04 ［收稿日期］ 2023-02-20

引言

“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程是機(jī)械類專業(yè)的核心課程之一，是建設(shè)一流本科專業(yè)的重要支撐。2018年6月，教育部提出“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn)［1］。“兩性一度”即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度：高階性要求重視知識(shí)能力素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維；創(chuàng)新性要求課程內(nèi)容反映前沿性和時(shí)代性，教學(xué)形式呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化；挑戰(zhàn)度要求課程有一定難度，需要“跳一跳”才夠得著。

為此，眾多高校針對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程，開展了系列改革。如周征等［2］以O(shè)BE理念為引領(lǐng)，介紹了華北理工大學(xué)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程線上線下混合式金課建設(shè)情況，通過(guò)課程、項(xiàng)目、平臺(tái)的搭建和教學(xué)、科研、競(jìng)賽的融合，取得了顯著的教學(xué)成果。賀瑗等［3］基于OBE理念，從培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，重構(gòu)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程內(nèi)容，采取對(duì)分課堂與SPOC相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合能力。徐媛媛等［4］從教學(xué)設(shè)計(jì)、混合式教學(xué)改革實(shí)施、學(xué)習(xí)效果總結(jié)三方面介紹了基于“兩性一度”的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程改革情況。黃霞等［5］遵循工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，圍繞建設(shè)“金課”的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度內(nèi)涵要求，建設(shè)“機(jī)械設(shè)計(jì)”線上線下混合課程，取得了階段性成果。金鑫等［6］運(yùn)用BOPPPS教學(xué)模型改進(jìn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)，深度融合成果導(dǎo)向教育與對(duì)分課堂理念，對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程進(jìn)行了教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)改革，顯著提升了學(xué)生學(xué)習(xí)效率和效果。

總體而言，當(dāng)前課程改革趨勢(shì)主要表現(xiàn)為：課程內(nèi)容廣度和深度不斷增加、教學(xué)方式從純線下轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上線下混合方式、課程考核評(píng)價(jià)多元化。課程改革隨著時(shí)代的發(fā)展變化，只有進(jìn)行時(shí)、沒(méi)有完成時(shí)。

2020年天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱我校）機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)被認(rèn)定為國(guó)家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，面向一流本科專業(yè)建設(shè)需求，針對(duì)金課“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)械設(shè)計(jì)課程組不斷地嘗試課程改革，下文介紹本校在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程改革方面做的相關(guān)工作，整體思路如圖1所示。

一、課程目標(biāo)

緊扣高階性、創(chuàng)新性及挑戰(zhàn)度要求，根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)及畢業(yè)能力要求，制定本課程的課程目標(biāo)為：掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律和通用零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、失效形式等；能夠利用手冊(cè)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行零部件選型、基本參數(shù)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；能夠根據(jù)功能要求提出機(jī)械系統(tǒng)方案，具備一定的創(chuàng)新能力。同時(shí)，通過(guò)課程思政，培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷和工匠精神。圍繞上述目標(biāo)，下文從課程內(nèi)容、教學(xué)方法及考核評(píng)價(jià)三方面闡述改革措施。

二、課程教學(xué)改革措施

（一）課程內(nèi)容

1.結(jié)合學(xué)科前沿、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，注重教材內(nèi)容的更新。如在齒輪傳動(dòng)章節(jié)，當(dāng)前的教材主要介紹了常見的五種失效形式，并重點(diǎn)介紹了齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算、齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算等方面的內(nèi)容，為拓展知識(shí)體系，在介紹該部分內(nèi)容時(shí)，將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織中關(guān)于齒輪方面的ISO 6336標(biāo)準(zhǔn)體系引入課堂，給出各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部分的最新更新狀態(tài)，如表1所示（IS、TS、TR分別表示國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)條件、技術(shù)報(bào)告，篇幅所限，僅列出部分），同時(shí)給出我國(guó)所采用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)更新情況（篇幅所限，此處不再列出）。在此基礎(chǔ)上，布置課后任務(wù)，讓學(xué)生將教材中齒輪強(qiáng)度計(jì)算所采用的標(biāo)準(zhǔn)版本與ISO最新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，指出修訂之處，并提交算例，分析對(duì)齒輪基本參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。

2.引入課程項(xiàng)目。傳統(tǒng)課程內(nèi)容均為通用零件或減速器，主要進(jìn)行零件或部件的選型及強(qiáng)度、壽命校核計(jì)算方面的知識(shí)體系學(xué)習(xí)。為培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維，使其了解先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，可引入課程組教師團(tuán)隊(duì)的科研項(xiàng)目，根據(jù)課程目標(biāo)，將項(xiàng)目?jī)?nèi)容模塊化。要求學(xué)生通過(guò)調(diào)研、查閱資料、提出項(xiàng)目解決方案、標(biāo)準(zhǔn)件選型與校核、非標(biāo)零件優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成項(xiàng)目任務(wù)并在結(jié)課時(shí)進(jìn)行項(xiàng)目答辯，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。同時(shí)，考慮學(xué)生個(gè)體間知識(shí)積累和學(xué)習(xí)能力的差異，項(xiàng)目設(shè)置了不同的任務(wù)要求，如第一級(jí)最低要求為完成方案總體設(shè)計(jì)、涵蓋課程傳統(tǒng)內(nèi)容的通用零件選型和校核，提交報(bào)告；第二級(jí)要求學(xué)生利用CAD軟件完成關(guān)鍵部分的三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真；第三級(jí)要求在建模的基礎(chǔ)上，利用CAE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動(dòng)特性分析，并試著提出改進(jìn)或優(yōu)化方案。

3.加強(qiáng)課程思政。例如，在本課程緒論部分，以近幾年美國(guó)對(duì)我國(guó)高科技企業(yè)和高校的制裁為案例，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控的戰(zhàn)略意義，厚植學(xué)生愛(ài)國(guó)主義情懷；在螺紋連接部分，對(duì)比分析日本HARDLOCK防松螺母和國(guó)內(nèi)唐氏螺紋的防松原理，鼓勵(lì)學(xué)生樹立遇到難題堅(jiān)信有解思維、執(zhí)著的工匠精神；此外，在介紹齒輪、軸承等通用零部件時(shí)，將工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器、盾構(gòu)機(jī)主軸承等作為案例，介紹國(guó)內(nèi)企業(yè)在相關(guān)技術(shù)上的關(guān)鍵突破，堅(jiān)定創(chuàng)新自信。

（二）教學(xué)方法

1.線上線下混合式。根據(jù)授課內(nèi)容分別采用線上或線下的形式，針對(duì)螺栓、齒輪、軸承等課程涉及的通用零部件，要求學(xué)生在智能終端設(shè)備上，利用“知到”學(xué)生版App線上自主學(xué)習(xí)零部件的特點(diǎn)、分類、應(yīng)用等基本知識(shí)。圖2所示為課程組教師基于智慧樹平臺(tái)建立的“機(jī)械設(shè)計(jì)”線上課程資源；線下課程主要介紹通用零部件的受力情況、失效形式、強(qiáng)度計(jì)算等教材重難點(diǎn)內(nèi)容及課程思政。

2.對(duì)分課堂。對(duì)分課堂模式將學(xué)生從知識(shí)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)與能力的展示者，增強(qiáng)了學(xué)生自主知識(shí)構(gòu)建，同時(shí)也是課程過(guò)程性考核評(píng)價(jià)的重要舉措。遵循學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)的理念，將課堂講授和學(xué)生討論時(shí)間分開，根據(jù)課程項(xiàng)目總體進(jìn)度要求設(shè)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)開展一次項(xiàng)目討論課，包括項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)、通用零件選型與校核、結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、總結(jié)答辯等環(huán)節(jié)。圖3（a）所示為項(xiàng)目小組進(jìn)行研討，圖3（b）所示為結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)討論。教師在對(duì)分課堂中的作用主要體現(xiàn)為觀察小組成員表現(xiàn)和答疑點(diǎn)評(píng)。圖4為將企業(yè)項(xiàng)目引入課堂后，部分學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果分析，優(yōu)化前后，一階固有頻率從38Hz提升到了56Hz，可改善機(jī)床加工時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，該部分的訓(xùn)練具有一定挑戰(zhàn)性，在介紹企業(yè)所采用的主流設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，拓展了學(xué)生設(shè)計(jì)思維，不再局限于通用零部件基本尺寸設(shè)計(jì)。

（三）課程考核評(píng)價(jià)

教學(xué)評(píng)價(jià)堅(jiān)持過(guò)程與結(jié)果并重的思想，注重評(píng)價(jià)過(guò)程化和動(dòng)態(tài)化。教學(xué)評(píng)價(jià)采用多元評(píng)價(jià)體系，包括平時(shí)作業(yè)成績(jī)（5%）、線上學(xué)習(xí)成績(jī)（15%）、課程項(xiàng)目（20%）、課程實(shí)驗(yàn)（10%）和期末考核（50%），重點(diǎn)考核學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)業(yè)進(jìn)步、知識(shí)掌握和運(yùn)用知識(shí)解決工程問(wèn)題的實(shí)際操作能力。基于各考核環(huán)節(jié)對(duì)課程目標(biāo)的支撐貢獻(xiàn)度，分別設(shè)置權(quán)重，按照大綱規(guī)定的支撐關(guān)系，計(jì)算各課程目標(biāo)的目標(biāo)分值。

根據(jù)考核記錄表中學(xué)生在各考查點(diǎn)的得分情況，結(jié)合各環(huán)節(jié)的貢獻(xiàn)度權(quán)重，計(jì)算出每名學(xué)生對(duì)應(yīng)每個(gè)課程目標(biāo)的得分及達(dá)成度，根據(jù)各課程目標(biāo)的平均達(dá)成度，分析原因并提出持續(xù)改進(jìn)措施。近三年，機(jī)自專業(yè)1603、1701、1801三個(gè)班的課程平均達(dá)成度分別為0.70、0.75、0.83，平均分?jǐn)?shù)分別為66.8、70.9、74.9，達(dá)成度和平均分?jǐn)?shù)均有所提升。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)標(biāo)國(guó)家一流本科課程，在總結(jié)凝練“金課”標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，從課程內(nèi)容、教學(xué)方法及考核評(píng)價(jià)幾個(gè)方面提出“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革措施。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)幾輪改革及持續(xù)改進(jìn)，課程達(dá)成度逐年上升，改革成效顯著。所提措施可為不同院校的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程改革提供有益參考。

參考文獻(xiàn)

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［5］黃霞，路世青，丁軍.面向一流本科專業(yè)建設(shè)需求的課程建設(shè)與實(shí)踐：以重慶理工大學(xué)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程為例［J］.教育教學(xué)論壇，2022（26）：169-172.

［6］金鑫，李良軍，杜靜，等.基于BOPPPS模型的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)：以“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程為例［J］.高等工程教育研究，2022（6）：19-24.

Teaching Reform of Mechanical Design Oriented to High-class Courses

HAN Lin， LIU Ying， GUO Pei-pei

（School of Mechanical Engineering， Tianjin University of Technology and Education，

Tianjin 300222， China）

Abstract： Oriented to the requirement of national first-class course for undergraduates， taking the “high-order， innovative， challengeable” as standard， based on training plan for undergraduate students majoring in mechanical engineering， reform to course of mechanical design is executed with respect to course content， teaching method and evaluating standard. Firstly， the content of the course is re-arranged by introducing frontiers of discipline， course project and curriculum politics; secondly， teaching activity is practiced by means of PAD class， online self-learning and offline teaching， based on online resources provided by our course team; finally， pluralistic assessment method is presented， considering both process and summative performances of students. Putting Through practice and continuous improvement， the course target acquisition increases gradually， which means the reform is effective.

Key words： first-class course; Mechanical Design; teaching reform