新工科背景下机械设计基础课程设计教学改革思考与探讨
刘后广 程志红 杨建华 刘送永 彭玉兴
摘 ?要 培养学生适应产业转型升级需求的关键能力，是我国新工科建设对人才培养提出的新要求，也是当今工程教育面临的主要问题。由于机械设计基础课程设计对工科学生综合能力培养影响较大，研究现有教学过程对学生关键能力培养的不足，并从教学理念、教学方法、评价体制等三个方面，探讨教学过程中值得改进的方向。
关键词 新工科;机械设计基础;课程设计;教学改革;虚拟仿真实验室
中图分类号：G642.0 ? ?文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）18-0081-03
Thinking and Discussion on Teaching Reform of Course Design
for Fundamentals of Mechanical Design in Emerging Enginee-ring//LIU Houguang， CHENG Zhihong， YANG Jianhua， LIU Song-yong， PENG Yuxing
Abstract Cultivating students key ability to adapt to the needs of industrial transformation and upgrading is a new requirement for the cultivation of talents in the construction of emerging engineering in
our country， and it is the main problem facing engineering education today. Because the Course Design for the Fundamentals of Mecha-nical Design has a great influence on the comprehensive ability trai-
ning of engineering students， this paper studied the shortage of the
key ability training in the current teaching process. Besides， the direc-
tion that is worth improving in the teaching process was discussed from three aspects： teaching concept， teaching method and evalua-tion system.
Key words emerging engineering; fundamentals of mechanical de-sign; course design; teaching reform; virtual simulation laboratory
1 引言
制造業为我国的经济主体，针对我国制造业大而不强及世界新一轮的产业变革，国务院提出“中国制造2025”重大战略[1]，将高档数控机床和机器人、航空航天装备、先进轨道交通装备等列为十大重点发展领域。随着该战略的实施，全国向新技术、新产业、新业态、新模式经济形态转型过程中，迫切需要大量具有工程实践能力、创新能力及国际竞争力的高素质工程技术人才。为了满足该新型工程技术人才的需求，教育部于2017年提出开展新工科建设[2]，以新产业转型为背景，探索“新理念、新结构、新模式、新质量、新分类”的新型工程教育改革。该支撑国家新形势下产业升级的工程教育改革，对工程技术人才培养过程中的培养理念、培养模式及质量标准等都提出更高的要求。与此同时，中共中央办公厅、国务院办公厅发布的《关于深化教育体制机制改革的意见》中，将培养支撑终身发展、适应时代需求的关键能力作为人才培养重点[3]。故关键能力的培养已成为新工科建设下高素质工程技术人才教育的新方向。这种工程人才的关键能力，体现在职业道德、工程思维能力、工程实践能力、创新创业能力、终身学习能力、领导能力等方面[4]。因此，新工科建设下，工程教育及课程教学的改革应该注重学生上述关键能力的培养。
机械设计基础是一门围绕常用机构的工作特性、设计方法，及通用零部件的工作原理、选型及设计计算的设计类课程，是从工程制图、理论力学、材料力学等理论基础课向工程机械等实践性很强的专业课程过渡的专业基础课[5]。由于其对培养学生掌握工程设计基本技能上具有重要意义，现已成为国内高校诸多工科专业开设的技术基础课程。就中国矿业大学情况来说，该课程面向采矿工程、安全工程、工业设计等非机类专业，以及材料科学与工程、热能与动力工程等近机类专业;每学年授课班级数高达30多个，学生1200多人次，直接影响学校近五分之一的学生。
机械设计基础课程设计是该门课程配套的一项重要的教学实践环节，要求学生能够根据实际生产需要，给出综合考虑机械功能、性能、结构、材料、工艺等多方面因素的设计方案，是学生首次接受的全面工程设计训练。该训练要求学生能够综合运用所学理论课程解决实际工程问题，对学生树立正确的设计思想、掌握基本设计理论和方法、查阅及运用设计资料、培养良好的工程素质具有关键的先导性作用。作为工科优势高校，如何响应国家新工科建设号召，探索机械设计基础课程设计这门对工科院校影响广泛的课程的教学改革，强化学生的关键能力培养，是面临的一个重要问题。本文针对该课程当前的教学情况，结合新工科建设对高素质工程人才的关键能力需求，就该课程能力培养过程中存在的不足及有待改进的内容进行探讨。
2 当前教学存在的主要问题思考
机械设计基础课程设计是诸多工科学生首次接触的工程训练课程，对学生解决实际工程问题能力及工程素养的培养具有较大影响。新形势下，应该结合新工科关于人才关键能力培养的需要，对课程教学方法的进一步改进进行研究。下面从现有设计内容、教学过程、绘图能力等方面进行分析，阐述课程教学存在的主要不足。
从设计内容来看 ?课程设计的题目，一方面影响学生工程能力培养目标的实现，另一方面受学生所处阶段的知识水平及教学时间限制。现今国内大部分高校的课程设计选题仍沿用20世纪30年代苏联列宁格勒加里宁工学院的方法，即以齿轮减速器设计为核心。学生根据课程设计指导资料中的方法，确定传动方案、参数计算及结构设计，并绘制相应的装配图、零件图，撰写设计说明书。设计对象包含了机械设计基础中的核心内容，有助于加强学生对课程知识的掌握。但题目陈旧，学生缺乏新鲜感，简单抄袭往年材料的情况严重。以至于近年来，很多学者认为该选题内容过于固化，不利于学生创新能力的培养;并建议通过结合创新设计大赛、科研项目等进行选题，对课程设计内容进行拓展。但该门课程是学生第一次接触的工程实践，学生工程基础薄弱，且课程设计时间短。教学过程中发现，成绩中等偏上的学生完成传统选题内容，都需要通过加班来实现。因此，引入较新的设计题目，超越了大部分学生现有的知识水平，且会让学生用去太多的时间查阅资料，造成大部分学生无法完成，失去课程设计人才培养的整体意义。如何在现有设计内容基础上提升学生关键能力的培养，使学生适应时代发展的需求，是目前面臨的一个主要问题。
从教学过程来看 ?机械设计基础课程设计的完成时间通常在1～2周，随着专业的不同而改变。其教学主要由设计前指导和设计过程中辅导这两部分组成。其中，设计前指导主要是任课教师在学生选题时对课程设计的主要过程进行2～4课时的介绍。采用以课堂讲授为中心的讲授模式，教学手段主要依靠讲授PPT电子讲稿。因学生缺乏工程经验，该指导过程中，学生难以理解所述机械结构的实际意义。讲解重点在于机械系统零件设计及箱体结构设计，而对方案设计及制造工艺介绍较少，学生缺乏对产品设计全流程的准确认识及构思训练。而设计过程中的辅导主要是在课程设计开展期间，任课教师每天去设计教室现场对学生存在的问题进行答疑，通常每天2～3小时。该指导过程中，由于课程设计时间较短，涉及的知识面却较广，部分学生无法在短期内真正掌握设计过程，不敢咨询任课教师，只能简单地照抄设计指导书中的资料，没有实现工程实践能力的培养目标。与此同时，教师对学生最终成绩评价相对单一，主要依靠学生最终的答辩成绩及图纸和说明书质量，对中间完成过程的评估较少。这种以个人为单位的评价，造成学生只注重自己工作的完成情况，不能有效培养学生的团队协作能力及领导能力。
从工程绘图能力训练来看 ?针对学生在开该门课程时工程制图基础薄弱，国内院校主要要求学生绘制二维工程图纸来完成课程设计。但从完成情况来看，学生CAD图纸出现抄袭现象，部分图纸是基于一个电子模板完成，失去了课程设计的培养意义。针对该问题，很多教师要求学生手工绘制图纸。这种手工绘图虽然避免了抄袭现象，加强学生二维工程图纸的绘图能力，但也带来一些问题：一方面，手工绘图占用时间较多，且没有培养学生的计算机绘图能力;另一方面，由于现有企业工程图纸绘制主要采用CATIA、UG、Pro/E等工业三维设计软件完成，这种传统的二维绘图方法已脱离企业对现代产品设计的技术需求。
针对该问题，很多学者提出采用三维设计软件来完成课程设计，但开课时真正掌握三维设计软件的学生较少，而课程设计课时有限，教师无法额外指导学生学习该类软件，使得三维绘图在该课程上的实际推广存在较大困难。此外，从工程图纸完成质量来看，部分学生还不能准确应用机械制图的前期知识，零件图中零件形状的绘制和公差标注、装配图中配合尺寸的标注等都存在较多问题。
3 课程设计教学方法和教学手段改革探讨
改变教学理念，增加工程实践 ?现有课程设计教学主要侧重于知识传授，而新工科建设要求高校能够为社会提供高素质复合型工程人才，故教学过程中还需注重学生综合能力、素养等的培养。其中，知识传授方面，在让学生夯实教材中的主要设计理论的基础上，需注重培养学生具有综合应用所学理论知识，分析和解决实际工程问题的能力;培养学生查阅最新文献资料，紧跟学科前沿的能力。在综合能力培养方面，要在课程设计中注重学生实践动手能力、创新能力及自主学习能力的培养。而素养方面，既要注重学生做人、做事基本素质的培养，还要注重学生做学问的工程素质培养。除了教学理念改变，还需进一步加强工程实践环节，提升学生实践动手能力。现有课程设计教学还停留在理论设计上，没有加工样机;学生完成的主要是理论上的复习，对产品的加工、制造缺乏认识，造成该实践训练不能满足时代对工科学生实践动手能力的需求。考虑到采用传统机械加工技术成本较高，而3D打印该成本相对较低的新兴技术已被广泛应用于工业设计[6]，可将3D打印技术引入课程设计，让学生参与加工过程，提升其动手能力，且便于教师评价课程设计完成质量。
改革教学方法，增加教学资源 ?课程设计存在的很多问题，主要受课时限制，使得传统教学方法无法解决。通过很多学者建议的课程设计融入课堂的方法，提前给学生布置课程设计题目，可以拓展学生的设计时间。但一部分学生自学能力及自我约束能力不强，仅提前布置任务，并不能让他们真正提前开展设计工作，而机械设计基础课堂中又不能拿出较多时间指导课程设计。为此，需要探索利用学生的课外时间来指导学生。
现如今已进入教育信息化时代，随着国家精品在线开放课程建设的推进，很多课程已经通过慕课等在线课程来拓展学生学习时间，提高学生自学能力，但针对机械设计基础课程设计的慕课至今还未见报道。因此，可以围绕传动方案设计、零部件设计、三维绘图、工程图标注等录制视频在线课程，引导学生开展课程设计。
此外，教育部于2018年发布的《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》中指出，为了适应信息化条件下知识获取方式和传授方式等发生革命性变化的要求，应深化信息技术与教育教学深度融合，开展虚拟仿真实验教学项目建设工作。故针对学生课程设计时对减速器及组成零件感性认识欠缺，可探索建设机械设计基础课程设计虚拟仿真实验室。
改革评价体制，增强团队合作 ?改变传统仅仅以个人完成的图纸、设计说明书及答辩表现为标准的评价方式，增加课程设计小组协作考核、过程考核。
首先，为了培养学生团队合作精神，在不改变课程设计主体内容（齿轮减速器）的情况下，通过增加应用背景（如带式输送机传动装置、卷扬机传动装置、螺旋输送机传动装置等），对学生进行分组。各小组根据设计内容，对课程设计进行任务分工。通过组员间相互沟通、相互合作，共同确定设计问题解决方案，逐步完成课程设计任务，进而实现对学生团队合作能力及部分优秀学生团队领导能力的培养。
其次，增加课程设计过程考核环节。一方面，借助在线视频课程建设，通过设置在线习题，增加线上学习的过程考核，把握学生对课程设计常见问题的掌握情况;另一方面，增设各小组于关键设计节点的进展演示汇报考核，提升学生沟通、表达能力的同时，监督学生对关键零部件结构设计、工艺设计、CAD工程绘图的掌握情况，并把握学生的团队合作情况。
4 结语
基于新工科建设对学生关键能力培养提出的新要求，本文对机械设计基础课程设计这门对工程专业学生综合能力培养影响较大的实践课程的教学情况进行了分析，研究了现有教学过程中对学生关键能力培养的不足，并从教学理念、教学方法、评价体制三个方面，探讨教学过程中值得改进的方向。
参考文献
[1]国家制造强国建设战略咨询委员会，中国工程院战略咨询中心.《中国制造2025》重点领域技术创新绿皮书：技术路线图（2017）[M].北京：电子工业出版社，2017.
[2]教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知[EB/OL].[2017-02-20].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201702/t20170223_297158.html.
[3]中共中央办公厅 国务院办公厅印发《关于深化教育体制机制改革的意见》[EB/OL].[2017-09-24].http：//www.gov.cn/xinwen/2017-09/24/content_5227267.htm.
[4]吴涛，刘楠，孙凯.“新工科”视域下工程人才关键能力的思考[J].黑龙江高教研究，2018（3）：156-160.
[5]刘后广，程刚，程志红.抛錨式教学法在机械设计基础教学中的应用探索[J].中国教育技术装备，2014（18）：101-102.
[6]吴军，于之靖，王涛，等.基于3D打印技术的机械类课程设计改革[J].实验室科学，2017（5）：72-74，80.
