全程體認式機械設計實踐教學體系的重構

劉文光，賀紅林，吳 暉

（南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌 330063）

引 言

當今高等工程教育教學改革十分重視學生的創新實踐能力的培養。然而，從國內高等工程教育的現狀來看，學生的創新實踐能力培養卻是薄弱環節[1-3]。雖然有很多的高校進行了多種不同形式的探索，也取得了一些成效[4-7]。但總體而言，各大高校所進行的創新實踐教學成效并不盡如人意，學生的創新實踐能力甚至有弱化趨勢。

機械設計是高等學校機械類專業學生學習機械工程基礎理論的核心課。課程以傳授機械設計理論和設計技術為主，其特點是實踐性強。大多數高校的機械設計課程設置了完整的理論、實驗和課程設計環節，換而言之，機械設計的實踐教學成效對學生創新實踐能力的培養影響巨大[8-10]。但是，傳統實踐教學體系在培養學生的創新實踐能力方面存在很多缺陷。比如，機械設計選題單一、實踐內容碎片化，使得學生難以把握機器設計全局；機械設計實踐教學理念比較落后，使得學生難以融通機械類專業所學的專業知識；機械設計實踐選題脫離社會需求，使得學生所學設計軟件無法對接企業產品研發手段[11-12]。也就是說，傳統的機械設計實踐環節過于獨立，與其它專業課實踐之間缺乏統一的教學理念。因此，若再不改革傳統的機械設計實踐教學體系，其結局必然是課程的課內、課外設計實踐與社會需求繼續割裂，學生的創新實踐能力難以得到顯著的提升。

基于此，團隊以創新能力培養為引領，討論了機械設計實踐教學體系重構的關鍵問題，分析了體系重構對大學生創新實踐能力培養和課程建設的影響，并以機械類專業本科生為對象，開展了機械設計實踐教學體系改革與實踐，改革成果可為其他專業課程的實踐教學改革提供有益參考。

1 實踐教學體系重構的關鍵問題

按照科學知識的內在邏輯體系和學生認識能力發展的順序，創新設計實踐能力的培養需要遵循漸進形成的原理。因此，實踐教學體系需考慮機械設計與其它專業課之間的先修關系，將社會需求與課外學科競賽融入實踐教學，重構一種全程體認式機械設計實踐教學體系，如圖1所示。

圖1 全程體認式設計實踐教學體系

全程體認式機械設計實踐教學的最初理念旨在拆解立于機械原理課程設計與機械設計課程設計之間的無形壁壘，打通機械學科所學的相關專業知識[13]。因為傳統的機械原理課程設計和機械設計課程設計是針對全然不同的設計對象推進各自進程，所以兩者割裂使得相關學科知識無法融通，而且學生無法全面體驗機器設計的全過程，更談不上培養創新實踐能力。如果要保證全程體認式機械設計實踐教學體系的有效性，必須解決以下幾個關鍵問題：

1）優化課程教學大綱。因為不論是課程教材或參考書的選用與編寫、課程授課計劃的制訂，還是課程成績的考核、課程教學檢查及評估，都是以教學大綱為依據的，所以要貫通機械原理和機械設計的實踐教學環節，首要任務是優化課程教學大綱。以修訂教學大綱為契機，在機械設計的課內實驗增設專門的三維上機實踐，旨在引導學生利用三維設計軟件開展機械設計實踐。與此對應，融入全程體認式設計理念，選擇某一典型機械為主線詳細介紹機器設計的全過程，編寫機械設計實踐與創新教材。按照優化后的教學大綱開展實踐教學，不僅統一了機械原理課程設計和機械設計課程設計的選題，而且強化了三維設計軟件在機械設計實踐中的應用。學生通過一系列的課內實驗、上機實踐、課程設計和學科競賽等實踐，不僅體驗了機器設計的全過程，而且鍛煉了創新實踐能力。

2）拓寬實踐訓練選題。機械創新設計大賽的特色是“實物參賽、機電結合、系統訓練、創新應用”，它在促進高校創新實驗室建設、拓展實踐教學內容的深度與廣度、培養學生創新精神和實踐能力、提高學校教學水平等方面具有積極作用，已成為國內最具影響力和培養學生工程實踐能力、綜合素質效果顯著的大學生競賽項目之一。根據優化后的教學大綱，機械設計上機實踐和機械創新設計大賽納入課程最終考核。利用上機實踐環節可以有機地串接機械原理課程設計、機械設計課程設計和機械創新設計大賽，拓寬機械設計實踐訓練平臺。指導教師結合機械創新設計大賽的主題，開展機械原理和機械設計課程設計時，精選一批面向工程實際，既能體現基礎性、典型性特點，又具有綜合訓練性的設計題目供學生選擇。這樣不僅保證了機械設計實踐教學內涵的豐富性、可操作性，又使實踐教學內容飽含時代氣息、永富新意。因此，重構的機械設計實踐教學體系，不僅實現了教學與科研的深度融合，而且能激發學生的學習興趣，提高了機械設計實踐教學的成效。

3）強調三維設計軟件的應用。傳統的機械設計實踐訓練，以純手工繪圖方式為主，即使采用計算機輔助設計，多數也局限于計算機二維繪圖。這種設計手段無法滿足現代企業產品研發需求。教學大綱中增設機械設計上機實驗環節，不僅在設計手段上強調三維設計軟件的應用，而且重視學生應用和掌握計算機技術能力的培養。這樣，不論是機械原理課程設計、機械設計課程設計，還是機械創新設計大賽的產品設計，學生從創新性原理方案的構思、創意機械結構的設計、創新結果的表達到產品虛擬樣機的裝配，都能采用三維軟件完成設計對象。這種全程體認式設計實踐可使學生從封閉的教室走進開放的實驗室，將實踐訓練回歸到工程設計上來，可以給學生提供實用、貼近工程實際的訓練環境，較好地解決傳統機械設計實踐訓練脫離工程實際的問題。

4）健全實踐教學評價制度。良好的實踐教學體系必須具備健全的課程評價制度，因此重構后的機械設計實踐教學需要加強設計選題、任務書下達、過程指導、設計驗收和考核評定等環節的管理，讓過程管理在最終成績中有所體現。選題方面，結合機械創新設計大賽主題遴選課程設計題目。指導教師根據遴選的設計題目擬定課程設計任務書，按照同組同題的方式下達任務。每個設計任務由2～3名學生組成一個實踐小組完成。但是，要求設計方案不同，每人完成1套設計資料（包括機構運動簡圖、機器的運動分析、機器總圖及零件圖、設計說明書等）。指導教師須嚴格要求學生運用三維軟件完成機構和機器零件的三維建模，繪制機械零件的結構圖。這種訓練一方面可以鍛煉學生的三維設計能力，另一方面可讓學生從復雜的空間想象力中解放出來。評價設計結果時，指導教師需要遵循機械設計規范的一般原則，按國家有關標準嚴格執行，實行“學生設計、學生互審、老師批準”的三級審核制，改變傳統“一書一圖定結果”的評價制度，讓學生有一個自我完善和提高設計質量的過程。

2 實踐教學改革成效

2.1 打造了全程體認式機械設計實踐教學特色

基于全程體認式設計理念重構的機械設計實踐教學體系已經融入2011版的南昌航空大學機械設計教學大綱中。按照新的教學理念，課程大綱專門設置了8學時的機械設計上機實驗環節以強化學生的三維設計能力，貫通課內實驗、課程設計和機械創新設計大賽。融合全程體認式設計實踐教學特色，2014年教學團隊組織編寫了《機械原理與設計綜合實驗教程》，該教程在南昌航空大學機械類專業近60個班使用，而且也一直被南昌航空大學的科技學院選作實踐主教材。融入機械設計實踐教學改革的最新成果，2018年團隊重新編寫了《機械設計實踐與創新》作為實踐主教材。機械設計實踐教材的出版不僅反映了機械設計實踐教學特色，而且對于實踐教學模式的推廣具有重要價值。

2.2 提高了學生的機械創新設計實踐能力

機械設計實踐教學的特色在于整機設計的全程訓練，深化了學生對所學機構原理、通用零件的理解，鞏固了學生的工程設計理論。實踐教學體系著眼于訓練學生觀察、思考、分析、設計和體驗設計問題，學生能切身體驗整機設計過程，加深學生對設計內涵及其一般規律的理解，使學生在今后的設計中統攬機械設計的全局。經過近10年的持續改革，受益學生的機械設計創新實踐能力逐年提升。近六年，南昌航空大學課外科技創新立項中，超過300多名受益學生獲得課外科技創新立項，占受益學生總人數的30%以上。通過創新科技立項所孵化的作品，近200多名受益學生參加了機械創新設計大賽和三維數字化創新設計大賽，獲省部級以上獎項的受益學生人數約占總人數的20%。近4屆的全國大學生機械創新設計競賽中，受益學生斬獲了全國大學生機械創新大賽二等獎1項、一等獎3項。這些重量級獎項最能體現學生創新實踐能力，也是機械設計實踐教學改革取得成效的重要體現。

2.3 加速了機械設計一流課程群的建設

在機械設計課程實踐體系中設立專門的機械設計上機實踐，是國內高校在機械設計課程實踐教學改革中的有益的嘗試。以此為突破口，機械設計課程群不僅重構了機械設計實踐教學體系，而且強化了學生的三維設計能力訓練。這些有益的嘗試和做法，在2014年的華東地區機械原理教學研討會、2015年的全國機械原理教學研討會和2016年的機械設計教學研討會上進行了推廣，使得南昌航空大學的機械設計課程建設得到了國內其他高校同行的夸贊。以實踐教學體系改革為抓手，教學團隊加強了機械原理、機械設計和機械設計基礎三門公共課的建設，已經把南昌航空大學的“機械設計基礎”建成為國家線下一流課程，而“機械設計課程”建成為江西省線上/線下混合式一流課程、江西省精品資源在線開放課程、江西高?！罢n程思政”示范課程、江西高校課程育人共享計劃課程。正是在機械設計實踐教學體系改革的推動下，加速了南昌航空大學機械設計一流課程群的建設。

3 存在的問題

重構后的機械設計實踐教學體系在機械專業人才的創新實踐能力培養中取得了一定成效，對于一般工科院校的機械創新設計實踐教育也有很好的示范作用，但是要取得更好的實踐教學效果并進行推廣，還有一些問題尚需解決：

1）通過機械設計上機實踐和機械創新設計大賽，打通機械原理課程設計、機械設計課程設計和課外學科競賽有很多困難。關鍵是機械創新設計實踐選題中，如何找到一個運動關系較為復雜，而且機械結構與傳動線路又較為清晰、難度適中的設計對象是實踐教學的難點。對于大多數同學可借助某一典型機械作為課程設計教學案例貫穿機械原理、機械設計的實踐教學內容，但是對于少數動手能力較強的同學必須結合機械創新設計大賽自主選題完成機械設計實踐。

2）機械創新設計大賽等課外科技競賽雖然拓展了機械設計實踐平臺和豐富了設計實踐選題，但是對學生的自主性提出了更高的要求，對指導老師的實踐能力也提出了更高要求。而且全國機械創新設計大賽每兩年舉行一次，與機械設計系列課程對應的課程設計并非同步。因此，每年根據機械創新設計大賽遴選新的設計題目也是一大挑戰。

3）企業應用的三維軟件眾多，而且各行業對設計軟件的偏好也略有不同。在機械設計實踐訓練時選擇哪一種三維設計軟件，不僅要考慮社會需求，還要考慮學生的就業面向。所以，在編寫機械設計實踐教學教材時也面臨三維軟件選擇的難題。

4）實行“學生設計、學生互審、老師批準”的教學實踐評價制度，前提是學生具備一定的設計能力和具有公平公正的思想。然而現實情況是，只有極少部分同學能夠達到這種要求。因此，在機械設計的課堂教學和課外實踐訓練中，必須加強學生學習動機教育，端正學生的學習態度。

4 結 論

1）優化課程大綱、豐富實踐選題、更新設計手段以及健全評價機制是重構全程體認式機械設計實踐教學體系的關鍵要素。

2）全程體認式機械設計實踐教學體系不僅能貫通課內實驗、課程設計和課外大賽，而且融會貫通機械類專業知識，培養了學生的整機設計能力，提高了學生的創新實踐水平。

3）以重構實踐教學體系為契機，不僅建設了“機械設計”省級一流課程，而且有利于打造機械設計一流課程群。