基于OBE的“机械设计”课程教学方法研究

    罗晓兰 陈建义 张仕民

    【摘要】OBE是一种导向教育或需求教育的教育理念，它对指导目前的“新工科”教育具有深远的指导意义。以工科院校必修的“机械设计”课程为平台，通过融合工程设计所涉及的各门学科的相关知识，以工程项目或真实科研项目为驱动，拓宽学生工程设计所必需的的知识面;以建立工程设计模型为主线，推出工程设计一般思路和方法，并利用多媒体等多种手段，通过简单设计外推至复杂工程问题和设计类比法等措施，培养学生未来工作所需的工程设计思路和工程设计思维，以满足新形势下的机械设计人才培养要求。

    【关键词】OBE?机械设计课程?专业认证?教学方法

    OBE（Outcome based education）是由Spady等在1981年提出的一种导向教育或需求教育的教育理念。这种教育理念很好地与《华盛顿协议》中“工程教育认证”标准相契合，因此，OBE教育理念对工程教育具有纲领性的指导意义。

    当前，以新技术、新产业为特点的新经济蓬勃发展，以“互联网+”“中国制造2025”等国家战略的正式实施，使得我国高等工程教育迎来了难得的发展时机且也面临着各种挑战。“机械设计”课程是培养机械工程类专业学生通用机械设计能力的主干技术基础课，是学习专业课程和从事机械产品设计的必备基础，是与工程设计、机械制造和机械自动化等多门学科关联的综合性课程。但是，目前的“机械设计”课程教学中还存在很多问题，特别是在蓬勃发展的新技术到来之时，需要学习的新知识、新科目繁多，造成“机械设计”课程教学学时减少;而且学生在接触“机械设计”课程之前，对“机械”“机构”“传动”等概念非常陌生，使得学生对“机械”或“机构”的运动分析难以理解;同时，欠缺的工程意识和工程思维，使得第一次接触繁杂的设计公式和众多的设计图表感到束手无策，等等。这些问题都为“机械设计”课程的教学质量带来了挑战。为此，开展基于OBE的以工作需求为导向的“机械设计”课程教学方法研究，达到满足“工程教育认证”标准的人才培养要求具有深刻的现实意义。

    一、打破学科界限，融合工程设计基础知识

    “机械设计”肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。深海水下石油开采所用的水下生产系统设计、新材料新装备的高端制造机床的设计制造等高科技产品，无一能离开机械设计。由此可见，在新形势、新工科培养中，“机械设计”课程仍然具有非常重要的地位。然而，“机械设计”又不是一门独立的课程，它与“理论力学”“材料力学”“机械制造”“公差配合”“工程材料”等諸学科有着密切的联系。因此，要培养学生的机械设计能力，首先培养学生工程思维和工程意识，建立能够通过设计规范、设计标准、设计图表完成满足传动机构设计要求的工程设计能力。为此，必须在“机械设计”课程教学中，打破学科界限，一方面，补充工程材料相关知识，特别是新标准下工程材料知识;另一方面，将机构设计与“材料力学”“公差配合”等知识紧密融合，并强调工程制造在机械结构设计中的重要性，突出设计无止境，设计无标准答案的工程思维。

    由此，“机械设计”课程教学可以通过工程案例或真实的科研项目为驱动，通过学生小组讨论、老师指导形成设计图纸或设计报告;或老师重点、难点讲解，利用举一反三的方式，培养学生通过设计条件进行工程设计的能力。比如，在讲解齿轮设计时，引入科研项目“水下连接器”中的二次锁紧螺栓的拧紧问题为驱动，引导学生学习“锥齿轮”工程应用和工程设计方法。这种教学方式，一方面，将课本知识与科研项目紧密结合，使学生有目的的学习课程知识，从而激发学生学习的热情;另一方面，可以拓宽学生的视野，形成创新的思维，并在“锥齿轮”的设计中，完成根据设计条件，正确选择材料、热处理方式的训练，培养合理应用设计规范，设计标准、设计图表的能力，为实现OBE倡导的以工作需求为导向的工程设计能力的培养打下基础。

    二、构建设计模型，培养通用工程设计的设计思路

    课程教学的终极目标就是授人以鱼不如授人以渔。面对具体的设计条件，众多的设计公式和繁杂的设计图表，应该如何进行分析设计，如何应用相关的设计规范、设计公式，选取合适且合理的设计参数和图表，是培养学生具备相关工程设计能力的关键，也是于OBE倡导的教育理念。因此，在“机械设计”课程这个教学平台上，在每一机构或零部件设计理论学习过程中，采用从机构或零部件的失效个性分析中教会学生提炼其失效的共性问题，从而对应找到合理的设计规范的教学方法，为学生提供工程设计的通用思路和解决问题的方法。比如，在理解“强度和刚度”的基本概念的前提下，通过罗列齿轮传动过程中可能出现的主要失效形式，以及失效形式与工作条件之间的关系。分析、总结出齿轮传动发生的各种失效形式本质上就是“材料力学”中的“强度破坏”形式，由此推出齿轮传动的设计准则应该是“强度设计”准则。并在齿轮传动是发生“强度破坏”这个原则下，讲解常用齿轮传动设计应该采用的材料及热处理方法，最后再结合齿轮传动的受力分析，得到齿轮设计的设计公式，明确设计公式中参数的合理选取方法。这是一种以工程设计模型为主线，推出工程设计一般思路和方法的教学方法。这种教学理念，不仅让学生学会了具体机构或部件的设计方法，而且让学生知道了为什么采用这种设计方法的原因，以及如何正确合理选择材料、设计参数的方法。并通过课程教学中的“举一反三”的强化训练，真正学会工程设计中分析问题的方法，切实掌握通过机构或零部件工作条件获取设计规范、设计公式的工程设计思路，为工作后面临的各类工程设计问题提供解决问题的思路和方法。

    三、突出工程意识，培养工程设计思维

    工程技术问题是综合的、复杂的，往往涉及多领域、多学科，同时还要考虑诸如经济的，管理的，法律法规等非技术方面的因素。现代工程的这些特点，使得工程教育必须着力加强对学生工程意识、工程思维能力的培养以及工程实践环节的训练。“机械设计”课程这个教学平台就能够很好的展示培养工程设计思维的功能。

    首先，在机构设计中，常采用由简单的机构设计方法向复杂的相似的机构设计方法推广的设计思路。比如，由直齿圆柱齿轮的设计方法，推广应用于解决斜齿轮，锥齿轮和蜗杆蜗轮的设计。当然，这种推广不是简单的应用，而是建立当量的直齿圆柱齿轮模型，进行有条件的转化。将复杂的设计计算转化为简单的设计计算，化繁为简。一方面，解决难以完成的设计计算;另一方面，提高设计效率，同时还能满足工程实践的要求。这种设计思路的讲解，激发学生的学习热情，也迫使学生开动脑筋，在融合相关学科知识的前提下，获得解决问题的快感。

    其次，可以通过讲解类比的设计方法，培养学生的工程设计思维。比如，螺栓组设计时，通过单个螺栓联接时的受力分析和强度设计方法，通过进行条件假设，进而类比获得螺栓组的设计方法。并通过分析这些假设条件，得出为满足假设条件，工程安装等要求的螺栓组联接正确结构、正确的安装及操作步骤，等等。这种类比的工程设计思路，为学生在今后的工作和科研中解决复杂工程问题，提供了一种新的思路。

    最后，在“机械设计”课程学习中，应始终强调工程设计必须与制造、安装、维护紧密结合，必须考虑经济的、管理的、法律法规等非技术方面因素的工程设计思维。应始终强调工程设计必须细心、不畏繁琐和重复，且牢记设计无小事，设计结果无标准答案的工程设计理念，为“新工科”下人才的培养打下基础。

    四、应用多媒体等教学手段，强化解决复杂工程问题的能力

    “机械设计”课程内容中包含大量的设计公式、众多的设计图表，以及具有设计的机械或机构具有各种运动轨迹和运动方向的特点。这些问题如果仅是通过教师的语言描述和板书的讲解，则难以表达准确并使学生听懂。为此，将“机械设计”课程重点内容与快速发展的计算机和网络等多媒体技术结合，形成具有补充作用的多媒体教学方式。

    第一，可以通过多媒体动画，演示复杂机械和机构的運动型式，清晰、直观地展示出机械或机构的各种运动轨迹和运动方向的特点。比如，用多媒体动画展示“凸轮机构的运动”和“齿轮传动的运动”，使两种机构的运动轨迹及运动方向一目了然。并在此基础上，说明两种机构的不同运动特点，使学生直观地理解两种机构的用途及各自的优缺点，并以动画的直观性让知识点在学生头脑中形成影像，也强化了对知识点的理解和记忆，同时加强了课程教学的趣味性。

    第二，可以利用多媒体准确地展示大量的设计公式和众多的设计图表。一方面，节约板书或绘制重要设计公式及图表的时间;另一方面，可以通过多媒体制作，教会学生查找相关图表的方法，使学生准确理解公式或图表中各参数的物理意义，并掌握繁杂的设计公式和设计图表使用方法。

    最后，可以利用多媒体软件建立良好的网络教学辅助平台，将完整的课程教学基本要求、授课教案、习题集、试题集等基本信息公布在网上，使学生明确教学目的和学习要求。同时，通过网上答疑、网上讨论等师生互动，节约课堂教学时间，将“教与学”同步进行，极大地体现出以学生为主的教学理念。加强师生和同学之间的沟通，使“机械设计”教学取得更为理想的教学效果，为培养学生获得解决复杂工程问题的能力提供有效地帮助。

    五、结束语

    “机械设计”是高等工科院校中的一门重要的专业基础课，而现有的课程教学方式和教学理念已经不足以满足快速发展的工业发展要求。为培养“中国制造2025”和“一带一路”新形势下的机械设计技术人才，迎接已经到来的第四次工业革命，必须开展“机械设计”课程教学方法的研究。为此，以OBE为教学模式，以突出培养工程意识，形成工程设计思维，获得解决复杂工程问题能力为目的的教学方法及教学实践具有重要的现实意义。

    参考文献：

    [1]SpadyWG.Outcome-based education：critical issus and answers [M].Arlington：American Association of School Administrators，1994.

    [2]吴爱华.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，（01）：1.

    [3]袁慧，于兆勤，秦哲.新形势下培养提高工科学生工程实践能力的认识与实践[J].高教探索，2007，（2） ：61.

    [4]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.