摘 要：新工科建設(shè)需要有新的教材和新的教法。本文從培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟社會和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的卓越機械類工程人才的視角出發(fā)，通過研究兩本國外《機械設(shè)計》經(jīng)典教材的體系和特色，并與我國現(xiàn)行的《機械設(shè)計》教材進行比較分析，提出了我國《機械設(shè)計》教材建設(shè)在革新教育教學(xué)理念、優(yōu)化教材結(jié)構(gòu)、更新教材內(nèi)容以及強化與工程實際和現(xiàn)代信息技術(shù)融合等方面需進一步改進的幾個方面，力圖為新工科建設(shè)背景下的《機械設(shè)計》教材建設(shè)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：新工科;機械設(shè)計;教材;課程;成果導(dǎo)向教育

2017年，我國提出新工科教育理念和工程教育改革，旨在以立德樹人為引領(lǐng)，通過研究和實踐圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系，著力培養(yǎng)適應(yīng)未來社會和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的多元化、創(chuàng)新性卓越工程人才[1]。為此，李培根院士指出，“新工科”計劃的推進關(guān)鍵在于對“新”的內(nèi)涵的認(rèn)識。而“新”的內(nèi)涵首先表現(xiàn)在面向未來的工程人才應(yīng)該具備怎樣的“新素養(yǎng)”。為了使學(xué)生具備“新素養(yǎng)”，需要工程教育的新結(jié)構(gòu)，其主要的著眼點應(yīng)該在專業(yè)和課程的邊界再設(shè)計、課程重構(gòu)等?！靶鹿た啤币涞卦诮滩暮徒虒W(xué)方法的“新”[2]，可謂一語中的。

教材是人們按照教育教學(xué)目標(biāo)，遵循相應(yīng)的教育教學(xué)規(guī)律而組織的教學(xué)資源，具有規(guī)范化、程序化、具體化的特點。作為教學(xué)內(nèi)容的物化形態(tài)，教材是教學(xué)系統(tǒng)必須具有的實質(zhì)性的因素，在教學(xué)中占據(jù)重要地位[3]。所以，一本優(yōu)秀的教材，必須堅持正確的政治方向和價值導(dǎo)向，體現(xiàn)先進的教育教學(xué)理念，教學(xué)目標(biāo)明確，教材內(nèi)容應(yīng)具有科學(xué)性、先進性和適用性，教材結(jié)構(gòu)合理、完備且應(yīng)具有一定的彈性與靈活性。具體到新工科背景下的相關(guān)教材建設(shè)，需要圍繞培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的多元化、創(chuàng)新性卓越工程人才的目標(biāo)，在教材的教育教學(xué)理念上要進一步強化諸如OBE、CDIO等先進工程教育理念的引領(lǐng)，在教材內(nèi)容上要進一步強化與工程實際、現(xiàn)代信息技術(shù)以及經(jīng)濟社會和產(chǎn)業(yè)發(fā)展新成果的深度融合，在教材體系和結(jié)構(gòu)上要進一步優(yōu)化，盡力滿足項目化學(xué)習(xí)、案例學(xué)習(xí)、模塊化學(xué)習(xí)等不同學(xué)習(xí)方式的要求。

本文從培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟社會和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的卓越機械類工程人才的視角出發(fā)，針對目前我國《機械設(shè)計》教材建設(shè)現(xiàn)狀和存在的問題，通過研究兩本國外《機械設(shè)計》經(jīng)典教材的體系和特色，并與我國現(xiàn)行的《機械設(shè)計》教材進行分析比較，提出我國《機械設(shè)計》教材建設(shè)需進一步改進的幾個方面，力圖為新工科背景下的《機械設(shè)計》教材建設(shè)提供一些參考。

一、目前我國《機械設(shè)計》教材的現(xiàn)狀分析

機械設(shè)計課程是一門培養(yǎng)機械類專業(yè)學(xué)生機械設(shè)計能力的技術(shù)基礎(chǔ)課。課程教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握通用機械零部件設(shè)計計算的基本知識、基本理論、基本方法和創(chuàng)新思維，以及機械創(chuàng)新設(shè)計構(gòu)思和綜合設(shè)計技能的實踐能力的基本訓(xùn)練。通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生具有以下能力：（1）掌握通用機械零部件的設(shè)計原理、方法和機械設(shè)計的一般規(guī)律，具有機械系統(tǒng)綜合設(shè)計能力;（2）具有應(yīng)用計算機輔助設(shè)計的能力;（3）具有運用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊等有關(guān)技術(shù)資料的能力;（4）掌握典型機械零件的實驗方法，獲得實驗技能的基本訓(xùn)練;（5）樹立正確的設(shè)計思想，了解國家當(dāng)前的有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟政策[4]。

目前，我國正式出版的《機械設(shè)計》教材有130余種，其中既有一批多次再版、經(jīng)久不衰的經(jīng)典教材，也有一批獨具特色、個性鮮明的新教材。對照新工科建設(shè)的新要求，不少教材不論是在培養(yǎng)學(xué)生掌握最先進知識包括自然科學(xué)、工程科學(xué)等專業(yè)知識方面，還是在培養(yǎng)綜合能力包括應(yīng)用所學(xué)知識解決工程實際問題、工程創(chuàng)造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、團隊意識、溝通交流和領(lǐng)導(dǎo)能力、終身學(xué)習(xí)能力等核心技能和職業(yè)素養(yǎng)方面，都不同程度存在需要進一步改進的地方。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）教育教學(xué)理念有待更新。在著力培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)尤其是學(xué)生發(fā)展的核心素養(yǎng)，滿足學(xué)生個性化、多樣化發(fā)展等需求方面的意識和理念有待提高。（2）教材結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化。由于機械設(shè)計課程所涉及的內(nèi)容繁雜多樣，在教材結(jié)構(gòu)上一方面表現(xiàn)出系統(tǒng)性、整體性、邏輯性有待進一步完善，另一方面在教材內(nèi)容組織上開放性不夠，一定程度上還滿足不了彈性教學(xué)、分層教學(xué)的要求。（3）教材內(nèi)容更新力度不夠。體現(xiàn)學(xué)科專業(yè)新理論、行業(yè)發(fā)展新動態(tài)，反映新知識、新技術(shù)、新工藝和新規(guī)范，展現(xiàn)經(jīng)濟社會發(fā)展新成就、科技發(fā)展新成果的內(nèi)容還是比較欠缺。（4）教材的適用性有待提高。按照現(xiàn)代教育理論，探討進一步符合學(xué)生年齡特點、認(rèn)知規(guī)律和學(xué)習(xí)特點，適應(yīng)項目學(xué)習(xí)、案例學(xué)習(xí)、模塊化學(xué)習(xí)等不同學(xué)習(xí)方式要求方面尚需努力。（5）與現(xiàn)代信息技術(shù)，尤其是計算機輔助設(shè)計、計算機輔助工程以及計算機輔助制造等方面的深度融合不夠。還不能將學(xué)生從一些煩瑣的常規(guī)計算中解放出來，從而使學(xué)生有更多精力專注于核心知識、技能的學(xué)習(xí)研究中去。

二、對兩本國外《機械設(shè)計》經(jīng)典教材的分析

他山之石，可以攻玉?，F(xiàn)在結(jié)合兩本國外機械類專業(yè)《機械設(shè)計》經(jīng)典教材的特點，分析目前我國《機械設(shè)計》教材的不足，旨在對我國相關(guān)教材建設(shè)起到積極的促進作用。第一本是由德國D.穆斯等編著的《機械設(shè)計》教材（原書第16版，以下簡稱第一本教材）[5]，第二本是由美國羅伯特·諾頓編著的《機械設(shè)計》教材（原書第5版，以下簡稱第二本教材）[6]。這兩本教材分別作為德國、美國的優(yōu)秀經(jīng)典教材，大致代表了21世紀(jì)以來國外《機械設(shè)計》教材的發(fā)展方向。

第一本教材的體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)容大體和國內(nèi)傳統(tǒng)的《機械設(shè)計》教材相同，該書定位為既可以作為高等院校教材，又可用于工程實踐，所以除配套專門的《機械設(shè)計習(xí)題集》外，還配套有《機械設(shè)計表格手冊》，全面收錄了機械設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容所涉及的計算和設(shè)計所必需的數(shù)據(jù)、圖表、標(biāo)準(zhǔn)摘要和設(shè)計經(jīng)驗，可以說覆蓋了通用機械零部件設(shè)計的主要數(shù)據(jù)，手冊結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)容豐富、簡明扼要、便于查閱。該教材緊密結(jié)合生產(chǎn)實際和行業(yè)發(fā)展最新情況，十分注重通用機械零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并提供了大量全新的通用機械零部件的結(jié)構(gòu)形式。

第二本教材的體系結(jié)構(gòu)新穎，共分為2篇。第1篇為基礎(chǔ)篇，主要圍繞工程材料靜動態(tài)力學(xué)性能，詳細(xì)介紹了材料和工藝、應(yīng)力應(yīng)變和撓度、靜態(tài)失效理論、疲勞失效理論和表面失效等，以及傳統(tǒng)機械原理課程中的運動和受力分析以及有限元分析的基本方法等，所占篇幅約占全書的一半。第2篇為機械設(shè)計篇，除傳統(tǒng)的通用機械零部件設(shè)計之外，還安排了系列設(shè)計案例研究，且將這些案例貫穿后續(xù)具體通用機械零部件設(shè)計的各章節(jié)。該書十分強調(diào)專業(yè)綜合與設(shè)計能力的培養(yǎng)，將CAD/CAE等技術(shù)充分融入通用機械零部件設(shè)計計算的各環(huán)節(jié)。另外一個鮮明的特點就是課后習(xí)題設(shè)計獨具匠心。全書886道習(xí)題中，有200道習(xí)題貫穿后續(xù)各章節(jié)，隨著各教學(xué)章節(jié)的次第開展，同一主題的設(shè)計要求由易到難，把通用機械零部件設(shè)計問題的復(fù)雜性漸次展開，由簡單到復(fù)雜，由單一到綜合，非常符合學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律。

通過對上述兩本國外優(yōu)秀經(jīng)典教材的分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下《機械設(shè)計》教材圍繞培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，有以下發(fā)展趨勢。

1.將通用機械零部件的設(shè)計分析與CAD/CAE技術(shù)深度融合

目前我們正處于工業(yè)化與信息化相互交織、深度融合的過渡期，如何將信息化技術(shù)深度融入課程教材，不同的《機械設(shè)計》課程教材給出了不同的回答。如第一本教材中，根據(jù)一些通用機械零部件的設(shè)計分析邏輯順序，給出了零部件的設(shè)計計算框圖，讓學(xué)生據(jù)此自行編制相應(yīng)的計算程序。而在第二本教材中，作者針對不同的機械零部件設(shè)計，應(yīng)用SolidWorks，Mathcad，MATLAB，Excel等軟件，全方位培養(yǎng)學(xué)生的建模、分析和計算能力，讓學(xué)生既能充分體會機械設(shè)計過程的本質(zhì)是一個逐步迭代、不斷尋優(yōu)的過程，也充分利用計算機手段，將學(xué)生從傳統(tǒng)的、煩瑣的、重復(fù)的單純計算中解脫出來，進而培養(yǎng)學(xué)生在現(xiàn)代信息技術(shù)手段背景下解決工程實際問題的素養(yǎng)。比如，在軸的強度計算和設(shè)計中，通過引入奇異函數(shù)，加之計算機計算技術(shù)，可以很方便、準(zhǔn)確地進行計算設(shè)計，把學(xué)生從受力分析、彎矩和扭矩圖的計算分析等煩瑣的計算中解放出來，既了解了軸的強度計算和設(shè)計的基本理論、基本方法，又進一步拓展到奇異函數(shù)法、CAE技術(shù)分析求解等方面，進一步培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段解決工程實際問題的素養(yǎng)和能力。

2.進一步強調(diào)解決工程實際問題能力的培養(yǎng)

在《華盛頓協(xié)議》或中國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，有關(guān)畢業(yè)要求的第一條就是要求畢業(yè)生能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決復(fù)雜工程問題。這個要求如何具體落實在課程教材之中，也是需要我們深入思考的一個重要問題。比如，在我國傳統(tǒng)的《機械設(shè)計》教材中，我們往往給出的是預(yù)先施加在機械零部件上的“載荷模型”，然后以此為基礎(chǔ)教學(xué)生如何通過這些載荷按照相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則計算確定這些載荷所引起的應(yīng)力和變形。且不說在實際的機械設(shè)計過程中，這些載荷除了外加載荷之外，往往還應(yīng)該包括由于零部件自身的質(zhì)量和運動加速度所引起的慣性力，而且這些“載荷模型”從何而來？他是面向工程實際的嗎？實際上，這些“載荷模型”是已經(jīng)簡化的數(shù)學(xué)模型，它的前身應(yīng)該來源于面向?qū)嶋H機器系統(tǒng)的物理模型，機械零部件設(shè)計中建立計算模型的次序應(yīng)該是“工程實際對象—物理模型—數(shù)學(xué)模型（載荷模型）”。在第二本教材中，面向具體的機械零部件設(shè)計問題，首先要求學(xué)生在觀察、分析甚至實驗的基礎(chǔ)上，對實際的工程設(shè)計問題的主要方面做出合理的簡化與假設(shè)，從而建立物理模型，然后據(jù)此再進一步簡化建立機械零部件設(shè)計計算所需要的數(shù)學(xué)模型，即“載荷模型”。這樣的建模方法和過程才是真正面向工程實際問題，符合機械設(shè)計課程教學(xué)目標(biāo)的。事實上，不但是第二本教材如此，許多美國版《機械設(shè)計》教材都是這樣做的[7-8]。但我國傳統(tǒng)的《機械設(shè)計》教材在這方面明顯是一個弱項。

3.進一步強調(diào)采用系統(tǒng)集成的方法來培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力

教材凝結(jié)了教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式。教材既是師生教學(xué)活動的基本依據(jù)，也是師生教學(xué)活動的對象和客體，它作為教學(xué)目標(biāo)的物化形態(tài)并通過師生的教學(xué)活動來求得教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)[3]。機械設(shè)計課程主要講授通用機械零部件的設(shè)計理論、設(shè)計方法，一門課程涉及十幾類典型的通用機械零部件，這些通用機械零部件所履行的功能不同、所依據(jù)的設(shè)計計算方法各異，極易給初學(xué)者造成課程就是一個“食品拼盤”的錯誤印象。如何在這些看似分散、功能各異的通用機械零部件設(shè)計的背后發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計的基本思想、基本方法，教材內(nèi)容的構(gòu)造和教學(xué)模式的選擇在教材中間應(yīng)有明確的體現(xiàn)。比如，在第一本教材中，作者從所設(shè)計的零部件必須滿足規(guī)定功能的前提出發(fā)，從零部件材料的可選擇性、設(shè)計的可靠性（包括應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計）以及零部件加工的可能性三方面入手，來開展教學(xué)內(nèi)容的組織，以此培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力。而第二本教材則試圖采用系列案例研究的方法，來實現(xiàn)遞進培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計能力的目標(biāo)。這些系列案例給出同一設(shè)計問題的不同方面的目標(biāo)要求，覆蓋了課程所涉及的各類通用機械零部件的設(shè)計，以此為學(xué)習(xí)者提供整體工程設(shè)計的訓(xùn)練，且為后續(xù)的項目教學(xué)提供素材，以進一步鞏固學(xué)生對課程中分析設(shè)計知識、技能和團隊合作精神的培養(yǎng)。

4.進一步強調(diào)教材內(nèi)容與新知識、新技術(shù)、新產(chǎn)品的融合

一本優(yōu)秀的教材，其內(nèi)容必須具有適用性、科學(xué)性、先進性。所謂適用性，就是教材必須與經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展相適應(yīng)，與學(xué)生的知識基礎(chǔ)和認(rèn)知規(guī)律相適應(yīng)，教材的深度廣度同課程學(xué)習(xí)目標(biāo)和專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)，同時要充分吸收現(xiàn)代學(xué)習(xí)理論的新成果，適應(yīng)項目化學(xué)習(xí)、案例學(xué)習(xí)、模塊化學(xué)習(xí)等不同學(xué)習(xí)方式的要求。所謂科學(xué)性，是指教材內(nèi)容必須經(jīng)過實踐檢驗或者科學(xué)實驗證明是正確的，不能把一些無定論、猜測性、主觀臆想的內(nèi)容引入教材。所謂先進性，就是教材要及時展現(xiàn)經(jīng)濟社會發(fā)展新成就和科技領(lǐng)域新成果，及時吸納學(xué)科專業(yè)新理論，反映新知識、新技術(shù)、新工藝和新規(guī)范，實現(xiàn)教材內(nèi)容成熟與創(chuàng)新的有機統(tǒng)一，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)，體會到工程設(shè)計領(lǐng)域的綜合性和創(chuàng)新性，同時也要為學(xué)生提供進一步自主學(xué)習(xí)的空間。比如，在第一本教材中，一方面，每章最后提供的參考文獻、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、專利等共有約400篇，且所引用的最新資料時間截至原文版教材出版的前一年;另一方面，還特別強調(diào)讀者在使用該教材進行工程實踐時，一定要有結(jié)合最新的和完整的德國標(biāo)準(zhǔn)和供貨商提供的最新設(shè)計資料進行設(shè)計計算和選型的意識;而第二本教材在每章的最后，分別以參考文獻、參考書目和網(wǎng)上資料的形式提供了共約380篇文獻資料，且所引用的最新資料時間截至原文版教材出版的前兩年。這些豐富翔實的資料為學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)提供了廣闊的空間。在這方面，我國傳統(tǒng)的《機械設(shè)計》教材也存在需要進一步改進的空間。

5.注重課后習(xí)題的系統(tǒng)設(shè)計

習(xí)題是教材的重要組成部分，是學(xué)習(xí)過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生掌握知識、形成技能、培養(yǎng)運用知識解決工程實際問題能力的主要載體和有效工具。習(xí)題作為學(xué)生學(xué)習(xí)成果的具體體現(xiàn)，通過學(xué)生大量習(xí)題的演練和任課教師批改作業(yè)，可以部分回答引導(dǎo)工程教育改革理念的成果導(dǎo)向教育（OBE）所強調(diào)的：（1）我們想讓學(xué)生取得的學(xué)習(xí)成果是什么？（2）我們?yōu)槭裁匆寣W(xué)生取得這樣的學(xué)習(xí)成果？（3）我們?nèi)绾斡行У貛椭鷮W(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？（4）我們?nèi)绾沃缹W(xué)生已經(jīng)取得了這些學(xué)習(xí)成果？同時，恰當(dāng)?shù)牧?xí)題還有助于學(xué)生建立學(xué)習(xí)自信心，提高用專業(yè)語言進行表達和交流的能力，感受課程的嚴(yán)謹(jǐn)性和確定性，進而形成正確的工程設(shè)計思維和工程價值觀。在這方面，第二本教材做了比較深入的研究探索，它基于以學(xué)習(xí)者為核心的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，構(gòu)建了一套比較科學(xué)的課后習(xí)題體系。比如，圍繞拖車掛接裝置的設(shè)計，習(xí)題3-4要求學(xué)生運用所學(xué)的運動與受力分析方法，對拖車掛接裝置進行靜態(tài)受力分析;習(xí)題4-4要求學(xué)生基于習(xí)題3-4的計算結(jié)果進行掛接裝置的應(yīng)力分析;習(xí)題5-4則要求學(xué)生用習(xí)題4-4計算得到的應(yīng)力進一步計算靜態(tài)安全系數(shù);習(xí)題6-4則進一步要求學(xué)生結(jié)合本章學(xué)習(xí)的疲勞失效理論對同一掛接裝置進行疲勞失效分析;習(xí)題7-4則要求學(xué)生對該掛接裝置進行接觸應(yīng)力分析;而在第八章，作為案例研究內(nèi)容，對該掛接裝置進行了有限元分析。這樣的習(xí)題設(shè)計與安排，通過不斷引入新的設(shè)計要求，將工程設(shè)計問題的復(fù)雜性梯次展開，接續(xù)培養(yǎng)和檢驗學(xué)生解決工程問題的能力。對照這樣的課后習(xí)題設(shè)計思想，無須諱言，近年來我國機械設(shè)計課程與教材的建設(shè)和改革，還缺乏基于OBE教育理念對教材習(xí)題的系統(tǒng)設(shè)計和深入研究，而且由于多方面的原因，布置學(xué)生演練的習(xí)題量較少，導(dǎo)致學(xué)生得不到全方位遞進的、嚴(yán)格規(guī)范的、艱苦的基本技能和創(chuàng)新思維的訓(xùn)練。

三、結(jié)束語

機械設(shè)計課程作為機械類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，在機械類專業(yè)的課程體系中起著承前啟后的重要作用。對于未來機械設(shè)計課程的教材建設(shè)，我們應(yīng)圍繞新工科建設(shè)的新要求和培養(yǎng)適應(yīng)未來社會和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的多元化、創(chuàng)新性卓越工程人才的目標(biāo)，要進一步創(chuàng)新和吸收先進教育教學(xué)理念，廣泛吸收當(dāng)下先進學(xué)習(xí)理論和學(xué)科、專業(yè)以及行業(yè)發(fā)展的新知識、新技術(shù)、新工藝和新規(guī)范，基于培養(yǎng)學(xué)生面向解決復(fù)雜工程問題能力進一步優(yōu)化教材結(jié)構(gòu)體系和內(nèi)容，進一步與工程實際和現(xiàn)代信息技術(shù)相融合，真正打造出一批“中國特色，世界水平”的優(yōu)秀的《機械設(shè)計》教材。

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武寶林，天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院教授。