工程教育的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程探析
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摘要：在浙江海洋大學(xué)輪機工程專業(yè)工程評估背景下，對《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程的教學(xué)現(xiàn)狀進行分析，并在此基礎(chǔ)上進行了教學(xué)改革探索。在工程教育認證基本理念的指引下，結(jié)合浙江海洋大學(xué)港航與交通運輸工程學(xué)院輪機工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標和本科畢業(yè)要求，修訂了原本的教學(xué)大綱，設(shè)置了明確的課程目標，在教學(xué)實施過程中，完善規(guī)范的教學(xué)內(nèi)容、注重靈活的理論與實踐教學(xué)方法和教學(xué)手段、建立豐富的教學(xué)資源，保證了課程目標的達成，建立了“評價—反饋—改進”的有效閉環(huán)，形成了《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程的持續(xù)改進機制。
關(guān)鍵詞：工程教育認證；機械設(shè)計基礎(chǔ)；輪機工程；工程案例；項目化教學(xué)
0前言
《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程是我國高等院校機械類和近機械類工科專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)必修課程之一，也是浙江海洋大學(xué)輪機工程專業(yè)開設(shè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，本課程注重多學(xué)科基礎(chǔ)理論和實踐知識的綜合運用[1][2]。近年來，國家對輪機工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求[3]。而傳統(tǒng)的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的教學(xué)方式存在機械式灌輸，課堂氣氛沉悶，學(xué)生活躍性低，教學(xué)效果差等問題[4]。導(dǎo)致原有的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在國家和社會對輪機工程畢業(yè)生的需求。為了適應(yīng)全球化的時代需要，培養(yǎng)工程技術(shù)人才的高等工程教育的學(xué)制與質(zhì)量必須進行多方互認，即開展工程教育認證[5]。工程教育認證作為國際上公認的工程教育質(zhì)量保證制度，是實現(xiàn)我國高等工程教育和工程師資格與國際互認的關(guān)鍵基礎(chǔ)[6]。本文則基于工程教育認證的基本理念，通過修訂教學(xué)大綱，增配教學(xué)資源，改進理論與實踐教學(xué)方法，完善考核方式，建立閉環(huán)教學(xué)反饋系統(tǒng)等措施，完成了對《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革探索?？蔀橄嘟墓こ填悓I(yè)工程教育認證提供一定的經(jīng)驗，促進我國高級應(yīng)用型工程人才的培養(yǎng)。
1工程教育認證背景下《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程教學(xué)要求和目標
《機械設(shè)計基礎(chǔ)課程》是連接輪機工程基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁，涵蓋多學(xué)科理論、知識點散而雜、理論性強，要求理論與實踐的綜合運用。工程教育認證對本課程的理論和實驗教學(xué)都提出了新的更高的要求[7]。理論教學(xué)應(yīng)一改傳統(tǒng)的滿堂灌、機械式教學(xué)，運用靈活、新穎的方式，理論教學(xué)的內(nèi)容包括：一是“機構(gòu)的組成和機械設(shè)計概論”等機構(gòu)和機械設(shè)計的共性基礎(chǔ)知識；二是連桿、凸輪、輪系等“常用機構(gòu)”的工作原理、應(yīng)用和運動設(shè)計方法；三是帶傳動、鏈傳動、齒輪和蝸桿傳動等“機械傳動”的工作原理、標準規(guī)范和設(shè)計計算方法；四是軸承、軸、聯(lián)軸器、離合器和制動器等“軸系零部件”的工作原理、組合設(shè)計和選用計算方法；五是常用機械靜聯(lián)接和彈性聯(lián)接的工作原理、標準規(guī)范和計算方法[8]。實驗教學(xué)應(yīng)改變以往單一性驗證實驗的機械套路，在實驗的安排上，將原本的單一知識點驗證性實驗改為三級階梯式實驗教學(xué)。分別為要求學(xué)生掌握實驗基本方法的第一級基礎(chǔ)實驗；強化學(xué)生動手操作能力和解決工程實際問題，融入項目化教學(xué)并要求理論與實踐結(jié)合的第二級核心實驗；要求學(xué)生獨立設(shè)計并完成的第三級突破創(chuàng)新型實驗，通過三級實驗教學(xué)的遞進式培養(yǎng)，逐步實現(xiàn)機械設(shè)計基礎(chǔ)實驗由理論知識點到工程運用實踐的過渡[9]。該課程的教學(xué)目標是讓學(xué)生掌握對機械結(jié)構(gòu)原理的認知，培養(yǎng)學(xué)生良好的操作動手能力、靈活的創(chuàng)新思維以及分析、解決實際工程問題的能力。為培養(yǎng)出能夠從事輪機系統(tǒng)的設(shè)計、制造、監(jiān)修與監(jiān)造、設(shè)備維護和管理等工作的綜合性應(yīng)用型工程技術(shù)人才打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)[10]。
2《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程存在的問題
2.1大綱制定不合理
原本的教學(xué)大綱對課堂理論教學(xué)和實驗、實踐教學(xué)的課程量規(guī)劃不合理。理論教學(xué)時長占比過大，達到了90%，導(dǎo)致實驗和實踐教學(xué)的學(xué)時被大量擠壓。《機械設(shè)計基礎(chǔ)》這門課程的目標是讓學(xué)生在熟練地掌握常用機構(gòu)和零件知識的同時，具備良好的實踐操作能力和解決實際工程問題的能力。實驗和實踐環(huán)節(jié)的課時過少，直接導(dǎo)致無法有效的鍛煉學(xué)生的實踐操作能力。原有的考核方式為學(xué)期末筆試占總成績的60%，平時分占總成績的40%（20%的課堂出勤、20%的實驗報告組成），存在無法準確評價學(xué)生的實際成績，不能通過考核反向刺激學(xué)生主動學(xué)習(xí)以達到教學(xué)目標等問題[11]。多數(shù)學(xué)生通過期末短時間的突擊便可以達到較高的最終考試成績，成績的水分過高，不能準確地對學(xué)生的實際成績進行評價。而課堂教學(xué)的平時成績僅將課堂出勤率作為評定標準，無法驅(qū)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)，實驗成績占比過少，則無法改善學(xué)生對實驗課的輕視現(xiàn)狀。
2.2理論教學(xué)枯燥無味
目前教室理論知識教學(xué)仍然采用黑板板書加多媒體課件的教學(xué)方式[12]。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式，有其優(yōu)點，但缺點更甚。首先，這種教學(xué)方式對老師的教學(xué)水平要求極高，大多數(shù)老師都無法將課堂氣氛調(diào)動起來，只是按部就班地機械式灌輸，導(dǎo)致學(xué)生大都提不起學(xué)習(xí)興趣。其次，多媒體課件內(nèi)容沒有及時更新，且重要的機構(gòu)和零件的內(nèi)容沒有做到圖文并茂，通俗易懂。
2.3實驗教學(xué)與理論知識脫節(jié)
實驗教學(xué)一向都是教學(xué)效果較不理想的環(huán)節(jié)。一方面，通常實驗教學(xué)和課堂教學(xué)分別是由兩個老師負責，實驗課老師往往應(yīng)付了事，對學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)效果要求不高，且二者之間沒有做到無縫對接。另一方面，實驗教學(xué)依舊采用傳統(tǒng)的單一性驗證實驗，還未形成系統(tǒng)規(guī)范的實驗教學(xué)體系，實驗對學(xué)生能力的鍛煉與實際工程需求不符[13]。這就導(dǎo)致實驗環(huán)節(jié)和理論教學(xué)脫節(jié)，無法有效訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力，學(xué)生不能在實踐中主動學(xué)習(xí)理論，做到理論和實踐相結(jié)合。大多數(shù)學(xué)生隨大流做完實驗，卻并不知道做的實驗是在證明什么或有什么實質(zhì)性意義。
2.4教學(xué)資源匱乏
教學(xué)資源緊缺不光是浙江海洋大學(xué)面臨的問題，也是眾多高校面臨的共同窘境?！稒C械設(shè)計基礎(chǔ)》教材章節(jié)中，包含眾多的典型機構(gòu)和重要零件。這需要學(xué)生有較強的立體空間思維能力和想象力，而能夠輕松理解這些機構(gòu)和零件的立體形狀和運動狀態(tài)的學(xué)生少之又少。課堂教學(xué)缺少可用的立體教學(xué)素材，比如典型的機構(gòu)和零件三維模型。學(xué)生無法形成一個直觀的感受，理解不了書本的內(nèi)容，也自然喪失了學(xué)習(xí)興趣。實驗教學(xué)中儀器設(shè)備資源的短缺問題更加明顯。實驗儀器和設(shè)備一方面數(shù)量嚴重不足，另一方面儀器和設(shè)備老舊，部分零件丟失。導(dǎo)致實驗課時，一部分學(xué)生在做，一部分學(xué)生在旁邊看，另一部分學(xué)生則完全脫離了實驗課堂。
2.5師資力量不足
學(xué)校缺少可以同時擔任理論和實踐教學(xué)的雙向老師，理論課老師缺乏實踐經(jīng)驗，而實驗課老師理論知識又儲備不足。導(dǎo)致理論教學(xué)與實踐教學(xué)之間沒有相互銜接、相互促進，理論無法指導(dǎo)實踐，實踐也不能反作用于理論。
3《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程教改探索
3.1教學(xué)大綱的修訂
第一，針對學(xué)時占比不合理的問題，對大綱中的課堂理論教學(xué)時長和實驗教學(xué)時長進行了調(diào)整。實驗教學(xué)學(xué)時由原來的10%增加到25%，其中包括5%的校外企業(yè)參觀實踐時長。第二，根據(jù)輪機工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標和行業(yè)要求，對《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程的五大部分內(nèi)容以及各章節(jié)的教學(xué)時長進行適當?shù)脑黾雍蛣h減。突出課程的重點內(nèi)容，讓學(xué)生掌握得更牢靠，縮減不必要的課程內(nèi)容，以減小學(xué)生不必要的學(xué)習(xí)壓力，提高整體的學(xué)習(xí)效率。最后，考慮到原有的考核方式無法準確地體現(xiàn)學(xué)生的實際成績，對考核方式進行了修改和完善。其中，期末閉卷筆試占40%，課堂成績（課堂出勤與問答情況15%，工程案例報告15%）占30%，實驗、實踐成績（實驗成績占25%，校外參觀實踐占5%）占30%。
3.2理論與實踐教學(xué)方式改革
針對課本和多媒體課件內(nèi)容陳舊，與當今實際工程問題和科技前沿相距較遠的問題。在課堂教學(xué)中引入當前行業(yè)相關(guān)的前沿科技成果，以多媒體課件展現(xiàn)給學(xué)生，拓展學(xué)生的專業(yè)視野，將課本知識與前沿科技接軌。同時及時更新多媒體課件，在重要的機構(gòu)和零件的章節(jié)，加入直觀的實物、動畫視頻和三維模型，幫助學(xué)生理解機構(gòu)的工作原理和運動狀態(tài)。《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程知識點具有范圍廣、數(shù)量多、內(nèi)容雜、原理難的特點，相鄰章節(jié)的內(nèi)容相差很大，學(xué)生很難將前后章節(jié)的知識點聯(lián)系到一起。而在課堂理論教學(xué)中融入工程案例，則可以較為有效改善這個問題[14]。例如汽車的自動變速箱，由行星齒輪機構(gòu)、軸系等組成[15]。它將齒輪、軸系的傳動、摩擦與潤滑等知識點綜合于一體，學(xué)生在學(xué)習(xí)案例的過程中，自然將各部分的知識點融合到一起，以變速箱為載體加強對知識點的理解。對每一個工程案例都設(shè)置相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，并要求學(xué)生撰寫案例報告。融入工程案例既可以讓學(xué)生見識到實際工程中基礎(chǔ)零部件的應(yīng)用，又能拓寬學(xué)生視野，提高學(xué)生的實際應(yīng)用與工程創(chuàng)新能力。建立三級階梯式實驗教學(xué)。第一級是基礎(chǔ)，鍛煉學(xué)生基本的實驗操作，要求學(xué)生掌握實驗原理一般性方法。第二級是核心，要求學(xué)生能拓展書本的理論，獨立完成實驗操作，鍛煉學(xué)生的實踐操作能力，做到實踐與理論結(jié)合，理論指導(dǎo)實踐，在實踐中學(xué)習(xí)理論。為了達到第二級的教學(xué)目的，在這一級中融入項目化教學(xué)，以學(xué)生為主體，從計劃、實施到總結(jié)都由學(xué)生獨立完成，老師作為項目的引導(dǎo)者和指導(dǎo)者[16]。例如：設(shè)立內(nèi)燃機的拆裝和性能分析項目，將項目分為齒輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)三個部分，并在每個部分設(shè)置幾點相應(yīng)的工作學(xué)習(xí)任務(wù)。因為一個項目涵蓋的課程內(nèi)容不夠全面，可在全班設(shè)立不同的項目，將學(xué)生分組完成不同的項目，最后在課堂上一起交流匯報。第三級是突破，要求同學(xué)能夠自己獨立地設(shè)計并完成實驗，強化學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。三級階梯式實驗教學(xué)從基礎(chǔ)到核心到突破，層層遞進，以達到鍛煉學(xué)生實踐動手和解決實際工程問題的能力。
3.3資源配置
提高理論課老師課堂教學(xué)水平的同時，開展理論課老師實踐培訓(xùn)，打造理論與實踐全能的“雙向”教師，保證理論教學(xué)和實驗教學(xué)的無縫銜接，避免出現(xiàn)理論與實踐脫節(jié)的情況[17]。加強校企合作，建立企業(yè)實踐平臺，聘請企業(yè)實踐教學(xué)老師，為學(xué)生提供走近行業(yè)生產(chǎn)一線參觀和實踐的機會。申請資金購置新的課堂立體化教學(xué)素材，以及實驗教學(xué)所需的儀器設(shè)備和耗材，為課堂教學(xué)和實驗教學(xué)提供硬件支持。
作者：鄧佳佳 胡友武 盧金樹 單位：浙江海洋大學(xué)港航與交通運輸工程學(xué)院
