李 貴，王興東，鄒光明，劉懷廣

（武漢科技大學a.機械國家級實驗教學示范中心；b.機械自動化學院，武漢 430081）

0 引言

機械類專業(yè)的實踐課程設(shè)計主要包括機械原理、機械設(shè)計和專業(yè)課程設(shè)計等，使學生能夠設(shè)計針對復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計滿足特定需求的機械系統(tǒng)，并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮多種非技術(shù)因素，為培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力形成有效支撐。通過課程設(shè)計，可使學生較全面地應(yīng)用工程知識解決復(fù)雜工程問題，獨立完成一項機械傳動裝置或設(shè)備的設(shè)計任務(wù)。如機械原理課程的“飛剪機構(gòu)設(shè)計”、機械設(shè)計課程的“傳動裝置齒輪減速器設(shè)計”、專業(yè)課程的“起重機設(shè)計”等均是復(fù)雜的工程系統(tǒng)。

隨著“中國制造2025”“人工智能2.0”“一帶一路戰(zhàn)略”以及“互聯(lián)網(wǎng)+”與傳統(tǒng)制造業(yè)全面融合，需要更多和更新型工科制造人才的支撐，迫切需要創(chuàng)新工程教育理念，發(fā)展新工科教育［1］。通過工程教育專業(yè)認證，改革工程專業(yè)教育的人才培養(yǎng)模式，對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，實施個性化一專多能復(fù)合型人才的培養(yǎng)，這些都離不開新工科的機械類［2］。而課程設(shè)計實踐教學改革是機械類專業(yè)新工科建設(shè)的一個重要突破口，可以成為新工科建設(shè)試驗田，通過傳統(tǒng)制造業(yè)和現(xiàn)代先進技術(shù)跨界融合式發(fā)展，實質(zhì)性推進知識與能力并重的一專多能的復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)進程。

那么，在實施課程設(shè)計實踐教學的新工科建設(shè)過程中，通過課堂教學、現(xiàn)場指導與自主學習相結(jié)合，除了進一步鞏固和強化課程設(shè)計的工程知識、設(shè)計計算，同時還融合數(shù)字化、可視化和智能化設(shè)計技術(shù)，使學生能夠?qū)?fù)雜工程設(shè)計全周期、全流程的基本方法和步驟了解并逐漸掌握，了解影響設(shè)計目標和技術(shù)方案的各種實踐因素，并運用現(xiàn)代工具和科學方法對多種創(chuàng)新設(shè)計方案進行比較和綜合。通過實施課程設(shè)計的新工科建設(shè)，在解決課程設(shè)計復(fù)雜工程問題的全流程中培養(yǎng)學生的工程能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和自主學習能力，為學生進入工程實踐工作夯實基礎(chǔ)。

1 課程設(shè)計實踐教學現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

機械類專業(yè)的課程設(shè)計包括基于理論課程的課程設(shè)計和基于專業(yè)培養(yǎng)方向的課程設(shè)計，基本分布在大三至大四學年的各個學期，并與最后的畢業(yè)設(shè)計相銜接，是實踐教學體系的重要組成部分。當前的課程設(shè)計實踐教學的現(xiàn)狀歸納起來主要有以下幾方面：

（1）機械類課程設(shè)計實踐教學普遍都只注重對于理論課程知識的學習，對于實際機械裝備或機器的結(jié)構(gòu)、尺寸和裝配工藝認識不深入，缺乏與工程知識的結(jié)合和對復(fù)雜工程設(shè)計方案的創(chuàng)新設(shè)計，使得工程能力得不到提高。

（2）課程設(shè)計題目及任務(wù)單一，設(shè)計過程完全規(guī)范化甚至模板化，導致課程設(shè)計的結(jié)果千篇一律，雖然可以培養(yǎng)學生課程設(shè)計的理論計算能力。但解決復(fù)雜工程問題的實踐能力得不到提高，難以體現(xiàn)學生的個性化和差異化的設(shè)計理念。

（3）課程設(shè)計學時分布不合理，設(shè)計學時緊張，一般設(shè)計周期都是固定的2～3 周時間，每個學生獨立完成設(shè)計計算，尺筆繪圖和撰寫設(shè)計說明書。只能是按流程完成上述內(nèi)容，沒有多余的時間留給學生進行自主學習，自主探索并進行方案的創(chuàng)新設(shè)計，限制了學生的創(chuàng)新思維發(fā)揮，抑制了自主學習能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（4）課程設(shè)計依舊突出傳統(tǒng)課程設(shè)計的手工計算、尺筆繪圖等，并沒有強化培養(yǎng)學生利用現(xiàn)代工具解決復(fù)雜工程問題的能力，難以滿足數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)時代機械制造企業(yè)對復(fù)合型創(chuàng)新人才的需求。

（5）在課程設(shè)計過程中，方案設(shè)計相關(guān)聯(lián)的非技術(shù)因素考慮的極少，包括社會、健康、安全、法律文化、環(huán)境、經(jīng)濟以及項目管理等方面的制約因素。缺乏能夠根據(jù)設(shè)計任務(wù)分析工程問題的實施背景，不能針對性應(yīng)用相關(guān)知識評價這些因素對設(shè)計方案的影響。

針對上述問題，早期研究主要集中在實踐課程教學體系的建設(shè)、課程設(shè)計的內(nèi)容及其教學方法等［3-8］。而過渡到根據(jù)新工科建設(shè)和工程教育專業(yè)認證要求對機械類專業(yè)的課程設(shè)計進行了相對比較全面的改革探索，提出了很多具有普適性的方案。主要是將先進的設(shè)計方法、技術(shù)和工具引入課程設(shè)計中［9-13］。還有一些學者，將課程設(shè)計與工程項目、學科競賽等結(jié)合來改變傳統(tǒng)課程設(shè)計任務(wù)單一的問題［14-16］。更重要的是希望通過課程設(shè)計能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新理念、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力以及能夠綜合運用工程知識解決復(fù)雜工程問題的能力［17-21］。

因此，課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學生的工程能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和自主學習能力具有重要作用。機械類專業(yè)的教育教學改革必須與制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級深度融合，遵循新工科的發(fā)展方向和需求，以市場和企業(yè)需求為導向，推進產(chǎn)教融合，突出專業(yè)特色，培養(yǎng)更多的工程實踐能力強的個性化創(chuàng)新型人才。

2 課程設(shè)計實踐教學四能力培養(yǎng)模式構(gòu)建

機械類課程設(shè)計實踐教學工程能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和自主學習能力（簡稱四能力）培養(yǎng)模式如圖1所示。主要從機械類課程設(shè)計實踐教學內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計、實踐教學方法等方面進行綜合改革，提出通過解決課程設(shè)計的復(fù)雜工程問題，面向以個性化培養(yǎng)學生的工程能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和自主學習能力的實踐教學方法。

圖1 課程設(shè)計實踐教學四能力培養(yǎng)模式

（1）對機械類課程設(shè)計的教學內(nèi)容進行豐富和優(yōu)化，首先從工程專業(yè)教育認證要求對課程設(shè)計任務(wù)中的復(fù)雜工程問題內(nèi)容進行具體化設(shè)計，豐富選題范圍、突出專業(yè)冶金特色，并結(jié)合專業(yè)特色與個人興趣擴展至自主選題。改革課程設(shè)計的教學內(nèi)容，以面向工程設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)全周期、全流程設(shè)計/開發(fā)解決方案為核心，在實踐過程中以培養(yǎng)工程能力，實踐能力和創(chuàng)新能力為導向，突出方案的創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。

（2）對機械類課程設(shè)計的教學方法進行改革，著重探索提高學生自主學習能力、創(chuàng)新設(shè)計能力和團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)途徑和方法。改變傳統(tǒng)的多人同一設(shè)計任務(wù)的單獨設(shè)計的教學方法，實施多人組團，一團一題多方案優(yōu)化設(shè)計的教學方法。首先通過團隊成員的自主大膽創(chuàng)新設(shè)計得到多種設(shè)計方案，團隊協(xié)作對多方案進行研討、論證、比較與綜合后確定最佳設(shè)計方案，團隊成員合力完成最佳方案的優(yōu)化設(shè)計。以提高課程設(shè)計廣度和深度，促進學生個性化人才培養(yǎng)及解決復(fù)雜工程問題能力和創(chuàng)新能力的達成。

3 突出四能力培養(yǎng)的教學內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計

合理地選擇課程設(shè)計任務(wù)十分重要，以機械設(shè)計課程設(shè)計為例說明豐富選題和突出創(chuàng)新性的實踐舉措。機械設(shè)計課程設(shè)計一直以傳統(tǒng)的適用于冶金礦山機械的普通減速器作為設(shè)計題目，雖然是適用于冶金礦山傳輸設(shè)備，但是與普通的減速器設(shè)計并沒有較大區(qū)別，無法體現(xiàn)專業(yè)冶金特色。設(shè)計題目和任務(wù)單一，理論和實際聯(lián)系不夠緊密，學生的創(chuàng)新設(shè)計能力和思維得不到有效的發(fā)揮。而且與減速器設(shè)計相關(guān)的參考資料非常豐富，在圖書館、網(wǎng)絡(luò)上可以找到許多相關(guān)資料，只要按照資料上的步驟按部就班地做，就能順利完成課程設(shè)計任務(wù)，其計算內(nèi)容也大多完全一致，而且所繪制的方案圖紙也完全參考設(shè)計教材，基本上無創(chuàng)新性設(shè)計。這種傳統(tǒng)的課程設(shè)計重點在于培養(yǎng)學生的計算能力和尺筆繪圖能力，并沒有涉及解決復(fù)雜的工程問題，這不能滿足當前工程教育認證和新工科建設(shè)的要求。相應(yīng)地在解決復(fù)雜工程問題所需要的工程能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和自主學習能力得不到提高。

通過豐富機械設(shè)計課程設(shè)計選題及任務(wù)（見圖2），突出專業(yè)的冶金特色，緊密聯(lián)系冶金裝備的工程實際，即冶金行業(yè)的高溫、高速、重載的工作環(huán)境。由此，在傳統(tǒng)課程設(shè)計任務(wù)的基礎(chǔ)上，引入機械相關(guān)領(lǐng)域的傳動裝置設(shè)計任務(wù)，如冶金設(shè)備中的轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)驅(qū)動裝置、燒結(jié)機驅(qū)動裝置等冶金工程裝備的復(fù)雜工程設(shè)計問題。同時，與機械類學科競賽實現(xiàn)無縫對接，將歷年的各類機械學科競賽選題也納入課程設(shè)計中。此外，還可以引導學生進行自主創(chuàng)新選題，進一步豐富選題類型及設(shè)計任務(wù)。如此，學生可以在多任務(wù)之間根據(jù)個人的興趣進行差異化選題，實現(xiàn)多任務(wù)個性化設(shè)計，而且不提供參考模板，完全由學生自主創(chuàng)新設(shè)計。因此，通過豐富課程設(shè)計選題范圍，優(yōu)化課程設(shè)計內(nèi)容，將課程設(shè)計與專業(yè)冶金特色和工程實際相結(jié)合，突出方案的創(chuàng)新設(shè)計，提高學習興趣和效果，促進學生四能力培養(yǎng)目標的達成。

圖2 豐富機械類課程設(shè)計選題及任務(wù)

4 多成員團隊協(xié)同自主創(chuàng)新設(shè)計實踐教學方法

在基于多任務(wù)選題的前提下，突出學生解決復(fù)雜冶金裝備設(shè)計任務(wù)相關(guān)問題能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，提出一種基于團隊創(chuàng)新設(shè)計的“分享式”實踐教學方法，如圖3 所示。該教學方法充分利用學生的團隊合作設(shè)計能力，分組開展課程設(shè)計，小組成員自主確定設(shè)計目標?；谠O(shè)計性能、創(chuàng)新性、經(jīng)濟等方面確定各自的設(shè)計目標。在此目標的基礎(chǔ)上，各團隊成員自主通過資料檢索查閱，企業(yè)調(diào)研等方法確定各自的創(chuàng)新設(shè)計方案，并對比和分析所設(shè)計方案對環(huán)境、社會、法律等方面的影響，形成方案設(shè)計可行性分析及設(shè)計報告。針對團隊成員提出的多種設(shè)計方案，基于確定的設(shè)計目標來比較綜合各設(shè)計方案的優(yōu)缺點，并綜合各方面的因素，共同確定最終的創(chuàng)新設(shè)計方案。團隊成員間再次協(xié)作，完成優(yōu)化設(shè)計方案計算、分析、圖紙繪制及撰寫說明書等。所完成的成果也不局限于說明書和圖紙，可以多樣化。另外，課程設(shè)計還可將機械類創(chuàng)新設(shè)計競賽納入課程設(shè)計任務(wù)中同步實施。

圖3 多成員團隊協(xié)同自主創(chuàng)新設(shè)計實踐教學方法

該教學方法同時還改革教學過程，將課程設(shè)計任務(wù)與所對應(yīng)的理論課同步實施，如機械設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)在機械設(shè)計理論課開課前布置到位，明確課程設(shè)計的基本目標、創(chuàng)新設(shè)計要求和評價標準。使學生帶著設(shè)計任務(wù)學習，與理論課學習保持同步，加大課程設(shè)計的周期，使學生有足夠多的時間進行調(diào)研、查閱文獻來支撐方案的自主創(chuàng)新設(shè)計。并在正常教學規(guī)定的集中時間、固定地點進行設(shè)計成果的展示與匯報。一方面可以激勵其他學生上進，激勵被展示學生再接再厲；另一方面，可以起啟發(fā)作用，為其他學生提供創(chuàng)新思路，是一種全員參與的“分享式”課程設(shè)計過程。

5 結(jié)語

以解決課程設(shè)計的復(fù)雜工程實踐問題為切入點，結(jié)合冶金機械裝備的核心前沿技術(shù)，將課程設(shè)計與專業(yè)特色及學科競賽等相結(jié)合，豐富了課程設(shè)計選題及教學內(nèi)容，允許學生自主選題，突出了個性化人才的培養(yǎng)，提高了學習興趣與創(chuàng)新設(shè)計效果。提出了多成員團隊協(xié)同自主創(chuàng)新設(shè)計實踐教學方法，由團隊自主確定設(shè)計目標，進行多方案創(chuàng)新設(shè)計，并將課程設(shè)計與理論課程同步實施，加大課程設(shè)計的調(diào)研、查閱文獻等周期。因此，可以探索通過優(yōu)化和豐富課程設(shè)計實踐教學內(nèi)容，改革課程設(shè)計實踐教學方法等來實現(xiàn)在新時代、新工科和工程教育認證背景下個性化培養(yǎng)學生四能力的新途徑。