机械设计教学方法分析

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【内容摘要】随着第四次工业革命的到来，以科学、技术、工程相融合为特点的“新工科”蓬勃发展，这对工程专业人才提出更高的要求，也对高等工程教育模式提出了严峻的挑战。为应对这个挑战，本文将以过程装备与控制专业的核心课程之一的《机械设计》为教学平台，开展基于“互联网+”的混合式教学模式的方法研究。通过设立“新工科”背景下的课程教学目标，提出在课堂上主要以PPT+黑板板书为主的授课方式，同时用课件动画、MOOC等辅助方式，在融合众多交叉学科的条件下，培养学生掌握机械设计基本设计理论和初步解决工程问题的能力。利用课下的雨课堂、图书馆资料查找、图片和视频展示的授课方式，强化对机构、机器等结构、性能及安装、检测等方面理论基础的掌握;加深在大型化、低能耗、高效率、高可靠性和长寿命周期条件下的工程设计方法的理解;通过基于“互联网+”的《机械设计》课程教学方法的应用，培养学生研究问题、解决问题、团队沟通和终身学习的能力，以满足“新工科”背景下的工程人才要求。

【关键词】机械设计;新工科;互联网+;混合式;教学方法

《机械设计》是研究机构及机械传动系统工作原理、性能特点、设计方法等方面的机械类理论课程，是一门涉及“理论力学”、“材料力学”、“工程材料”、“机械制造”等学科的综合性课程，是“中国制造2025”、工业4.0必不可少的专业知识之一。目前，以科学、技术、工程为融合的新业态、新产业、新行业为特点的“新工科”蓬勃发展，以“互联网+”、“中国制造2025”等国家战略的正式实施，使得《机械设计》的高等教育迎来了难得的发展时机且也面临着各种挑战［1］。主要表现在:一是传统的《机械设计》采用的是以教师授课为主的教育模式，分章节讲述各种常用传动机构的工作原理，性能参数及结构等，留给学生的是传动机构的“碎片”式记忆，不能形成满足工程应用需要的整体传动装置设计的要求。因此，难以满足新业态、新产业、新行业为特点的“新工科”下的工程意识的要求。二是传统的“机械设计”授课方式大都采用PPT+黑板板书的授课方式，在当今知识大爆炸和“新工科”对工程专业人才综合素质要求更高的背景下，更加凸显出课程内容多而教学学时少的特点。为此，开展基于“互联网+”的《机械设计》教学方法的探索，通过课上、课下互联网技术的应用，对学生进行头脑知识风暴的灌输和传授，以期培养出适应“新工科”发展的新一代机械工业专业人才具有重要的意义。

一、融合多学科知识，确定“新工科”背景下课程教学目标

《机械设计》中的设计理论除应用于以传统的机械制造行业外，还可以应用于以“人工智能”、“机器人”为代表的新型工业当中。但是，针对新工业、新行业的应用，机械设计必须朝着大型化、低能耗、高效率、高可靠性和长寿命周期方向发展。这就要求《机械设计》课程教学必须融入先进机械设计理论、先进机械制造、先进检测技术和可靠性设计理论;必须在《机械设计》课程理论学习中，加入自动控制、“互联网+”等多学科的知识。面对如此众多的交叉和融合的学科知识，需要在有限的授课学时中，培养满足“新工科”要求的工程人才，这对《机械设计》的教学方法提出了严峻的挑战。为此，必须确定“新工科”背景下课程教学目标。第一，必须引导学生科学地理解和掌握机械设计的工作原理和基本设计理论，培养学生在应用机械设计基本理论和设计选型中，融合多学科知识，初步建立工程思维和工程意识。第二，必须要求学生掌握常用传动机构的性能特点、主要零部件的结构、工作原理和作用，能够依据相关机械设计标准、工程应用需求进行分析和设计计算，以培养学生具有针对不同的工业应用要求完成专业设计的能力。第三，必须要求在专业理论学习时，充分考虑经济、安全、环境、法律等方面的要求，培养新时代、新工科下的综合性专业人才。课程目标的制定，确定了教师的授课内容、课程重点以及工程案例的选用方向;并为教师的教研活动主题、课程教学内容的修订等指明了方向。这对培养新产业、新形势下的技术人才具有很好的指导意义。

二、基于“互联网+”确定《机械设计》课程混合式教学模式

随着第四次工业革命的到来，人工智能、大数据、云计算、互联网等新科技改变和颠覆了传统的产业。然而，长期以来的高等教育都是沿用以教师为中心，学生被动听课为主的教学模式，这在过去的人才培养中，确实取得了很好的效果。但是，面对当今以科学、技术、工程为融合的新技术和新科技的发展，开展以“成果为导向”，强调以“学生为中心的教学模式，将是“新工科”条件下的工程教育的必然模式［2］。为此，《机械设计》教学采用基于“互联网+”的混合式教学模式是目前最好的选择之一。《机械设计》课程混合式教学模式主要包括课上教学、课下学生自学和师生互动两部分。1．课上教学。课上教学主要以PPT+黑板板书为主的授课方式，同时采用课件动画、MOOC等为辅助，以期在有限的教学学时里完成以下教学重点:一是运用数学、自然科学和工程科学的思维掌握机械零件的设计原理、设计方法和机械传动机构设计的一般规律;培养综合应用机械零件和机械机构的设计准则，进行机械传动装置和通用机械零部件的设计能力。二是培养正确查阅机械设计标准、规范、设计手册和设计图册的能力;掌握应用相关设计规律和技术措施，初步建立机器、过程设备、流体机械中的机械传动系统等领域复杂工程问题的设计能力。课上教学重点的顺利实施，基本完成了课程的教学目标，但还需通过课下学习的补充，使学生获取对新型工业当中机械传动系统更高要求下的综合设计能力。2．课下学习。课下学习主要采用雨课堂、图书馆资料查找、图片和视频展示的方式，以机械传动系统成功和失败的案例，重点培养学生科学认识机械设计的基本原则和设计程序，了解影响设计目标和技术方案的影响因素;理解工程中机械设计的严谨性、复杂性。另外，通过雨课堂可以及时跟踪学生学习的进度，在线解答学生学习过程中的疑惑或难点。同时，也方便师生就实际的工程案例和工程设计开展线上互动讨论，并在这种讨论互动中，引导学生了解并掌握国家当前有关的技术经济政策，使学生在机械传动系统的工程设计中充分考虑经济、安全、环境、法律等方面的要求，实现“新工科”要求的工程教育和新技术发展衔接的教学重点和课程教学目标［3］。另外，通过布置图书馆查找资料，查看视频和图片，督促和推动学生自觉地追踪国内外机械设计最新发展趋势，培养能够胜任“中国制造2025”等新业态、新形势下的工程人才。此外，采用基于“互联网+”的《机械设计》课程混合式教学模式，还可以培养学生查找中外文献资料的能力，在不断学习和强化专业外语的条件下，充分利用计算机辅助技术和“互联网+”，获得能够终身学习的能力，满足工程专业认证要求，以适应新技术迅猛发展的形势，成为国际需要的高级专业人才。

三、以“导向教育”为目标，改变课程考核与学生能力评价方式

基于“互联网+”的《机械设计》混合式教学模式，一方面要求教师必须充分了解和懂得机械设计的最新技术、最新发展等，另一方面也将促使授课教师必须同步学习和认真准备相关课程内容。但是，现代教学理论认为:教学过程既是学生在教师指导下的认知过程，又是学生能力的发展过程，学习更是一个学生必须主动参与的过程［4］。因此，要取得好的教学效果，必须激发学生主动学习的热情。所以，设计积极、有效的激励方式，促使学生主动积极参与教学的各个过程，是基于“互联网+”的《机械设计》混合式教学模式的重要内容之一。为此，《机械设计》课程分为课上考试和课下学生能力评价两种形式的结合考核方式。课上考试主要以闭卷的笔试试卷考试为主，依据课程教学目标，考察学生掌握机械设计基本设计理论和初步应用这些理论解决工程实际问题的能力。试卷可以采用选择题，简答题，计算题和工程应用题的形式。课下考核主要以评价学生再学习能力为主，考核学生追踪诸如控制技术、智能制造等新技术、新发展趋势，并用以融合众多学科进行初步机械设计计算的能力。这部分评价可以通过文献综述、研究报告和由多人组成的小组完成的机械传动机构工程化设计计算为评价依据。当然，课下的评价是根据课上课程进展，及时布置任务，并给学生一定时间在课下完成的。这些课下任务，可以通过图书馆、学生讨论、师生互动等等各种形式完成。教师只要设定合理的课上和课下考核分数占比，就能够促进学生自觉完成相关任务，达到“机械设计”混合式教学模式下设定的课程目标，实现以“导向教育”为目标，以工程专业认证为标准，培养出具备解决问题能力、研究问题能力、团队沟通能力和终身学习能力的“新工科”背景下的工程人才。

四、结语

科技的发展，离不开专业的人才，专业的人才，离不开高等教育的培养。在教育部“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”等一系列促进“新工科”计划实施的政策指引下，以工程专业认证为标准，探索和研究新形势、新业态和新技术环境下的《机械设计》课程教学方法，对迎接即将到来的第四次工业革命，培养胜任“新工科”要求的专业技术人才具有重要的意义。开展基于“互联网+”的《机械设计》课程教学模式，是以“导向教育”为目标，利用计算机及互联网技术，采用课上授课、课下学生自学和师生互动的教学模式，培养学生建立融合众多交叉学科条件下的工程意识和工程思维，培养学生在解决工程问题时，具有充分考虑经济、安全、环境、法律等方面的要求的能力。同时，通过改变课程考核与学生能力评价方式，激励学生自觉成为《机械设计》课程教学的主动参与者和践行者。

【参考文献】

［1］吴爱华等．加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济［J］．高等工程教育研究，2017，1:1～9

［2］姜晓坤，朱泓，李志义．新工科人才培养新模式［J］．高等教育与评估，2018，34(2):17～24

［3］陈建义．基于“新工科”的“过程流体机械”教学方法研究［J］．教育教学论坛，2017，48:154～156

［4］王升．主体参与型教学探索［M］．北京:教育科学出版社，2003

［5］教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知(教高司函［2017］6号)［Z］．

作者：罗晓兰 王文明