機(jī)械設(shè)計(jì)課程改革探索論文
摘要為順應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求，基于CDIO工程教育理念，開展機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程教學(xué)改革和實(shí)踐，從課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)等方面提出了相應(yīng)的改革思路和具體措施，為培養(yǎng)具有工程理念的高素質(zhì)、強(qiáng)能力的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞CDIO；機(jī)械設(shè)計(jì)類課程；教學(xué)改革
引言
CDIO（構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)行（Operate））是由美國麻省理工學(xué)院聯(lián)合瑞典幾所高校共同開發(fā)的一種全新工程教育理念和實(shí)施體系，其核心理念就是以產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的方式學(xué)習(xí)工程，培養(yǎng)學(xué)生的理論知識、個人素質(zhì)、協(xié)作能力、工程-社會大系統(tǒng)適應(yīng)及調(diào)控能力，①其理念正好與工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)是契合的。因此，為切實(shí)支撐專業(yè)認(rèn)證，培養(yǎng)具有工程理念的高素質(zhì)、創(chuàng)新型工程人才奠定基礎(chǔ)，倡導(dǎo)CDIO工程理念，重構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程體系和課程內(nèi)容，開展教育教學(xué)改革具有非常重要的理論和實(shí)用意義。
1優(yōu)化課程體系和教學(xué)內(nèi)容
機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程具有較強(qiáng)的理論性，同時又要與實(shí)踐緊密結(jié)合，基于CDIO理念的機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程教學(xué)改革首先需要重構(gòu)課程體系和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。課程體系要凸顯整機(jī)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化工程理念，將各門課程有機(jī)地結(jié)合起來，進(jìn)而構(gòu)建一種集專業(yè)理論知識、工程能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)于一體、體現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)無縫對接的課程體系。②以CDIO從最初的產(chǎn)品構(gòu)思到最后機(jī)器成品運(yùn)行的工程教育理念為“主線”，建立基于整機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程體系如圖1所示。
1.1以各門課程為子系統(tǒng)，進(jìn)行課程內(nèi)容的優(yōu)化重構(gòu)
以往課程內(nèi)容的理論學(xué)時偏多，實(shí)踐學(xué)時匱乏，重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)狀難以培養(yǎng)學(xué)生解決問題所需要的綜合能力，容易造成“學(xué)而無用”。為充分體現(xiàn)學(xué)科和技術(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，使得理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，課程內(nèi)容的整合要突出設(shè)計(jì)性和工程實(shí)用性，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)服務(wù)于工程實(shí)踐。以機(jī)械設(shè)計(jì)課程為例，原有的一些教學(xué)內(nèi)容過分強(qiáng)調(diào)理論公式的推導(dǎo)和論證，在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)，使得培養(yǎng)工程應(yīng)用和實(shí)踐能力的教學(xué)內(nèi)容不斷弱化，因此，在新的課程內(nèi)容優(yōu)化重構(gòu)中，需要弱化一般性公式的詳細(xì)推導(dǎo)，重在設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法的介紹，如“齒輪傳動”一章內(nèi)容優(yōu)化為：簡化設(shè)計(jì)計(jì)算公式的推導(dǎo)，重在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)思路以及對設(shè)計(jì)過程中各環(huán)節(jié)的把握，并將齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算、查表、數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等融入例題中詳細(xì)講解。在講述齒輪傳動的受力分析時，將直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、錐齒輪和蝸輪蝸桿等各類傳動的受力分析整合在一起進(jìn)行講述，這樣便于學(xué)生類比掌握受力分析的要點(diǎn)和方法。
1.2以工程應(yīng)用為主線，實(shí)現(xiàn)課程體系教學(xué)內(nèi)容的縱橫整合
知識是由淺入深的，學(xué)習(xí)也是循序漸進(jìn)的，因此，每門課程內(nèi)容的設(shè)置要考慮與前續(xù)課程知識點(diǎn)的聯(lián)系。“縱向整合”就是將機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程體系中各門課程建立前后內(nèi)在聯(lián)系，要講新帶舊，要引舊聯(lián)新，使學(xué)生“溫故而知新”。“橫向整合”就是各門課程要彼此聯(lián)系，有機(jī)整合。例如：機(jī)械設(shè)計(jì)課程中關(guān)于零部件的教學(xué)內(nèi)容要與機(jī)械原理課程的機(jī)械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)相聯(lián)系；機(jī)械設(shè)計(jì)的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要與機(jī)械制造基礎(chǔ)課程中有關(guān)精度和工藝的知識點(diǎn)相聯(lián)系；機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作要與機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造基礎(chǔ)課程的相關(guān)內(nèi)容相聯(lián)系。總之，通過各門課程教學(xué)內(nèi)容的縱橫整合，要貫穿整機(jī)設(shè)計(jì)的理念，使學(xué)生對專業(yè)理論有系統(tǒng)而完整的把握。
2精心“設(shè)計(jì)”教學(xué)環(huán)節(jié)，改進(jìn)教學(xué)方法
CDIO開放式的教學(xué)模式首先需要教師轉(zhuǎn)變原先在教學(xué)中純粹的以教為主的角色，更重要的是需要教師更新教學(xué)理念和教學(xué)思想，因此教學(xué)方式和教學(xué)方法的改革是課題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
（1）根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求，圍繞學(xué)生工程能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，重新進(jìn)行教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，課程組教師要深入研究當(dāng)前國內(nèi)外工程教育的發(fā)展形勢，在教學(xué)方法與手段上不斷改革和創(chuàng)新，在傳授給學(xué)生專業(yè)理論知識的同時，引領(lǐng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，形成一種學(xué)與做有機(jī)融合的學(xué)習(xí)方式，從而加深學(xué)生對專業(yè)理論知識的理解。
（2）探索“CDIO做中學(xué)”的教學(xué)模式，課堂教學(xué)多引入工程設(shè)計(jì)案例，課程的推進(jìn)采用設(shè)計(jì)任務(wù)驅(qū)動模式，例如在課程開始之初，就布置有關(guān)機(jī)械產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)的課題給學(xué)生，根據(jù)課程教學(xué)進(jìn)度，安排學(xué)生以小組學(xué)習(xí)和討論交流的方式進(jìn)行課題分階段設(shè)計(jì)，通過這種方案分析、小組學(xué)習(xí)和項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的方式，貫徹CDIO在做中學(xué)的理念，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作能力，提高工程意識和設(shè)計(jì)技能，這樣既能夠有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)興趣，培養(yǎng)學(xué)生具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和精神。
（3）搭建開放式課堂，在時間、空間和教學(xué)內(nèi)容上加以擴(kuò)展和延伸。對于實(shí)踐性和工程性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，可以走出教室，把課堂搬到實(shí)驗(yàn)室、工程訓(xùn)練中心和工廠，從而創(chuàng)造一個開放的課堂空間和開放的教學(xué)環(huán)境，使得學(xué)生更易于吸收和消化課堂的知識內(nèi)容。為了訓(xùn)練學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用能力，除了充分把握好第一課堂教學(xué)，還要搭建更廣闊和豐富的第二課堂，教師要指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽和參與教師的科研項(xiàng)目等，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，在第二課堂，使創(chuàng)新能力培養(yǎng)與第一課堂的教學(xué)融于一體，從而探索出一條集理論研究與工程能力培養(yǎng)相互促進(jìn)的途徑。
3重點(diǎn)改革實(shí)踐教學(xué)，凸顯整機(jī)設(shè)計(jì)理念
課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生工程能力的重要環(huán)節(jié)，而以往課程體系中各門課程的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容基本上是各自獨(dú)立的，缺少相互關(guān)聯(lián)。例如“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”中，主要是從運(yùn)動的角度，訓(xùn)練機(jī)械系統(tǒng)的原理方案設(shè)計(jì)能力，沒有考慮具體的材料和結(jié)構(gòu)，更沒有考慮制造工藝和經(jīng)濟(jì)性等要求；到了“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”，主要訓(xùn)練學(xué)生對機(jī)械系統(tǒng)中各零部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算能力，設(shè)計(jì)對象基本是齒輪減速器，運(yùn)動方案一般是固定的，容易讓學(xué)生墨守成規(guī)，限制了創(chuàng)造性思維的發(fā)展；輪到機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，內(nèi)容又是與前序設(shè)計(jì)對象無關(guān)聯(lián)的工藝設(shè)計(jì)；最后在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作階段，對象又變化了，于是就照貓畫虎，用現(xiàn)成的圖紙和工藝進(jìn)行加工，這種各自為陣的課程設(shè)計(jì)安排顯然違背了整機(jī)設(shè)計(jì)的思想，學(xué)生的能力培養(yǎng)只能趨于碎片化，而真正需要的整機(jī)綜合設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力不能得以鍛煉和培養(yǎng)。因此，為了切實(shí)提高學(xué)生的工程意識和設(shè)計(jì)技能，改革選擇課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)為突破口，通過課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的重新整合和優(yōu)化，使得各個課程設(shè)計(jì)內(nèi)容前后關(guān)聯(lián)和有機(jī)結(jié)合。
③為了凸顯整機(jī)設(shè)計(jì)理念，訓(xùn)練學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)技能，將圖1所示課程體系中的四大課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)聯(lián)合起來進(jìn)行，依次按方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品實(shí)物制造編排課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，做到課程設(shè)計(jì)的完整性、系統(tǒng)性和綜合性，從而訓(xùn)練學(xué)生從機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、性能仿真、工藝設(shè)計(jì)到加工制造和組裝調(diào)試的整機(jī)設(shè)計(jì)能力。在課程設(shè)計(jì)過程中，成立獨(dú)立穩(wěn)定的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，期間配備專門的指導(dǎo)教師，每個團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)對象固定，始終貫穿于各個課程設(shè)計(jì)，具體以典型機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造為載體，例如無碳小車或是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽設(shè)計(jì)對象等，要求分階段完成對象的各項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)，即依次設(shè)計(jì)、制作、安裝、調(diào)試一臺機(jī)械產(chǎn)品，讓學(xué)生從一開始就注重整機(jī)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)綜合分析問題的能力。④機(jī)械原理與創(chuàng)新綜合課程設(shè)計(jì)為機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)方案、運(yùn)動和動力參數(shù)計(jì)算和分析，在接下來的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中，通過設(shè)計(jì)計(jì)算和選型，將前序設(shè)計(jì)得到的方案具體實(shí)物化，繪制出相應(yīng)的裝配圖和零件圖，同時又為機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)提供了圖紙和精度設(shè)計(jì)技術(shù)文件，而機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容又為最終的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作提供了工藝指導(dǎo)，從而大大提高課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的連貫性和實(shí)用性。為了保障以上改革的順利實(shí)施，根據(jù)我校的實(shí)際情況，依托學(xué)校的大學(xué)生素質(zhì)教育中心的加工設(shè)備制造出實(shí)物，使得學(xué)院的理論教學(xué)與大學(xué)生素質(zhì)教育中心的實(shí)訓(xùn)實(shí)現(xiàn)無縫結(jié)合，也使得教學(xué)資源得以充分利用。
4結(jié)束語
為了改善以往機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程教學(xué)中理論和實(shí)踐相脫節(jié)的問題，順應(yīng)工程教育認(rèn)證的要求，引入“CDIO做中學(xué)”的工程教育理念，對機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程進(jìn)行教學(xué)改革和實(shí)踐，將工程教育與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)滲透到課程的各個教學(xué)環(huán)節(jié)之中，實(shí)現(xiàn)理論知識學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力培養(yǎng)的相互滲透，極大地豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，必將為培養(yǎng)具有工程理念的高素質(zhì)、強(qiáng)能力的工程技術(shù)人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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