岳勇 金鑫 郭俊先 謝建華

［摘 要］課程實踐教學(xué)是培養(yǎng)人才解決復(fù)雜工程問題能力的重要環(huán)節(jié)。新工科背景下，機械工程教育亟須改革現(xiàn)有的實踐教學(xué)體系，以適應(yīng)新經(jīng)濟發(fā)展對人才的需求。文章以新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機械制圖、機械原理、機械設(shè)計及機械制造共4門機械類課程的實踐教學(xué)體系為例，詳細(xì)分析了機械類課程實踐教學(xué)體系中的傳統(tǒng)教學(xué)方法及存在的問題，提出通過科教融合，將科研項目案例貫通整個課程教學(xué)體系，實現(xiàn)教學(xué)體系的重構(gòu)。基于PBL教學(xué)模式開展以學(xué)生為中心的教學(xué)方法改革，為推動傳統(tǒng)工科專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改造升級提供借鑒和參考。

［關(guān)鍵詞］新工科；機械類課程；實踐教學(xué)；PBL；重構(gòu)

［中圖分類號］ G642 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）23-0028-05

目前，世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，新一輪產(chǎn)業(yè)變革和科技革命持續(xù)演進，國家推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，實施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等。新時代，教育部提出了開展新工科建設(shè)，并發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”，旨在探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式和方案，助力高等教育強國建設(shè)[1-2]。

新工科建設(shè)的重要內(nèi)容之一就是要積極推動機械工程等傳統(tǒng)工科專業(yè)教育的改造升級和邊界再設(shè)計，使學(xué)生具備“新素養(yǎng)”，主動適應(yīng)以新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟發(fā)展模式，解決裝備制造業(yè)等行業(yè)在不斷向智能化和高端化迭代演進中面臨的復(fù)雜工程問題[3-6]。要培養(yǎng)能夠解決復(fù)雜機械工程問題的專業(yè)人才，就要按照“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”的工程教育專業(yè)認(rèn)證要求重構(gòu)機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程體系[7-11]。機械制圖等機械類課程實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生機械工程素養(yǎng)和實踐能力的重要抓手[12-13]。本文以新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、農(nóng)業(yè)機械及其自動化專業(yè)開設(shè)的機械制圖、機械原理、機械設(shè)計及機械制造共4門機械類課程的實踐教學(xué)體系為研究對象，按照一流本科專業(yè)的建設(shè)目標(biāo)及機械工程專業(yè)認(rèn)證要求，以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識解決復(fù)雜工程問題的能力為目的，以項目案例為牽引，從頂層設(shè)計出發(fā)，對四門機械類課程的實踐教學(xué)體系進行貫通式重構(gòu)，并介紹具體實施方案，為地方兄弟院校傳統(tǒng)工科專業(yè)改革提供借鑒。

一、傳統(tǒng)機械類課程實踐教學(xué)體系存在的問題

機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、農(nóng)業(yè)機械及其自動化專業(yè)機械類課程的傳統(tǒng)實踐教學(xué)主要包括機械制圖中的機械制圖工程測繪等2個實踐環(huán)節(jié)，機械原理中的機構(gòu)運動簡圖測繪等3個實驗環(huán)節(jié)，機械設(shè)計中的軸系部件設(shè)計與分析等2個實驗環(huán)節(jié)和課程設(shè)計環(huán)節(jié)，機械制造中的機械制造生產(chǎn)實習(xí)、課程實習(xí)及課程設(shè)計環(huán)節(jié)（見圖1）。該教學(xué)體系存在以下問題。

（一）教育理念相對落后，前后實踐環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)不夠緊密，對照新工科建設(shè)要求有差距

機械制圖、機械原理、機械設(shè)計、機械制造作為機械類專業(yè)的核心骨干課程，經(jīng)過多年發(fā)展，各課程理論知識體系有著嚴(yán)密的邏輯遞進關(guān)系。但是，通過對現(xiàn)有的機械類實踐教學(xué)體系進行分析后不難發(fā)現(xiàn)，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中不同課程的實踐對象不同，導(dǎo)致前后課程實踐環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)不夠緊密，各部分缺乏貫通和疊加。比如，機械制圖中工程測繪的繪圖對象是一級減速器、齒輪油泵，三維造型設(shè)計的對象則是制圖教材的案例；機械原理中的實驗對象是其他齒輪減速器；機械設(shè)計中課程設(shè)計的實驗對象則是教師虛擬的沒有應(yīng)用工程背景的二級齒輪減速器（蝸輪蝸桿減速器），學(xué)生每上一門課都要重新適應(yīng)新的實踐對象再進行實踐，前后實踐環(huán)節(jié)缺少緊密的聯(lián)系，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。

（二）理論和實踐脫節(jié)，科教融合度較低，實踐對象的工程應(yīng)用背景體現(xiàn)較少

傳統(tǒng)的機械類基礎(chǔ)實踐課內(nèi)容基本都是圍繞驗證、鞏固課程理論知識而設(shè)置的，缺乏科研（工程）項目背景，比如零部件強度設(shè)計中仍沿用傳統(tǒng)的手工計算，而非實際科研工程項目中采用的數(shù)值仿真和試驗校核，實踐教學(xué)的設(shè)計與工程實際應(yīng)用脫節(jié)，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。很多學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷都是連續(xù)的，即從高中直接進入大學(xué)，接觸社會實踐的機會較少，對機械的了解主要限于生活中接觸的范圍，缺乏科研（工程）觀念，難以將理論知識和工程實際相結(jié)合。同時，由于實踐課內(nèi)容較偏重理論驗證，其設(shè)計理論性也較強，容易使學(xué)生覺得實踐距離生活和工作實際較遠(yuǎn)，難以調(diào)動學(xué)生參加實踐的積極性，也難以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造、創(chuàng)新的熱情。

（三）教學(xué)內(nèi)容滯后，課程思政浸潤度不足

機械類課程中，能夠體現(xiàn)大國工匠精神的科研（工程）項目實踐教學(xué)內(nèi)容是課程思政融入的有利載體，以科研（工程）應(yīng)用實例為原型進行案例教學(xué)，能充分發(fā)揮教學(xué)引領(lǐng)性、啟發(fā)性、實踐性，培養(yǎng)學(xué)生思維能力、判斷能力、決策能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，以潤物細(xì)無聲的方式培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)新報國的愛國主義情懷和使命擔(dān)當(dāng)。機械制圖等4門課程的傳統(tǒng)實踐教學(xué)大綱、方案由任課教師按專業(yè)培養(yǎng)方案里所要求的知識點進行編制，缺乏現(xiàn)實科研（工程）項目的支撐，可以講的“故事”較少，思政與實踐內(nèi)容結(jié)合比較少。

二、機械類課程實踐教學(xué)體系重構(gòu)策略

教學(xué)團隊結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)方案中機械類基礎(chǔ)課程及實踐課的培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求，將傳統(tǒng)課程中相對獨立的、碎片化的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進行有機整合，關(guān)注課程思政與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的引領(lǐng)關(guān)系、課程理論與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的映射關(guān)系、前置課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)與后續(xù)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的遞進關(guān)系，以及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)與知識、能力、素養(yǎng)的支撐關(guān)系，制訂了以創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為主的機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)總體目標(biāo)和大綱，構(gòu)建了具有“兩性一度”（高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度）的貫通式機械類課程實踐教學(xué)體系（見圖2）。

（一）按照科教深度融合的要求，挖掘機械類課程實踐教學(xué)案例

以課程及實踐教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求為依據(jù)，充分收集、挖掘已有的科研（工程）成果以及學(xué)校以往各類競賽獲獎作品，提取能夠用于機械類課程實踐教學(xué)的案例，特別是將能夠貫通機械制圖、機械原理、機械設(shè)計及機械制造課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的案例作為實踐教學(xué)對象，實現(xiàn)理論知識與工程實際的深度融合，提高課程教學(xué)內(nèi)容高階性，以調(diào)動學(xué)生參加實踐的積極性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

（二）按照課程思政建設(shè)的要求，重構(gòu)機械基礎(chǔ)類課程實踐教學(xué)內(nèi)容

依據(jù)實踐教學(xué)總體目標(biāo)和要求，與相關(guān)企業(yè)積極協(xié)調(diào)，以科研（工程）實物或等效模型作為實踐課實踐對象，充分挖掘科研（工程）案例背后蘊含的馬克思主義觀點與科學(xué)精神，弘揚大國工匠精神、科技報國的家國情懷和使命，按照其在不同實踐課的體現(xiàn)程度進行有效分解并融入對應(yīng)的實踐課各個環(huán)節(jié)中，將其納入實踐課教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)大綱、教學(xué)方案、實踐課指導(dǎo)教材等各方面，貫穿現(xiàn)場實驗指導(dǎo)、課程設(shè)計指導(dǎo)、生產(chǎn)實習(xí)各環(huán)節(jié)。

（三）按照新工科建設(shè)要求，改革機械類課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

按照新工科建設(shè)的目標(biāo)要求和新修訂的培養(yǎng)方案中有關(guān)機械類基礎(chǔ)課程實踐教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求，以機械工程實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)，圍繞科研（工程）成果中的典型案例，從機械制圖、機械原理、機械設(shè)計及機械制造等課程培養(yǎng)目標(biāo)維度進行剖析，重構(gòu)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)機械類課程實踐教學(xué)從“碎片化實踐教學(xué)”向“貫通式實踐教學(xué)”轉(zhuǎn)變[14]。

通過重構(gòu)，實現(xiàn)機械類課程實踐教學(xué)體系“一根紅線串到底”，使完整案例貫通整個實踐環(huán)節(jié)，將不同課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)所要達(dá)成的知識、能力、素養(yǎng)及思政目標(biāo)融入其中，讓學(xué)生在實踐教學(xué)中實現(xiàn)對課程知識的運用，進一步加深對課程理論知識的理解。同時，通過對案例的剖析，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，構(gòu)建以理論指導(dǎo)應(yīng)用、在應(yīng)用中實現(xiàn)創(chuàng)新的螺旋式上升能力培養(yǎng)為主線的實踐教學(xué)體系，讓學(xué)生將舉一反三中的“一”學(xué)懂弄通悟透，觸類旁通，把“一”真正“舉”起來，最終達(dá)到學(xué)生自己可以反“三”的培養(yǎng)目的。

三、機械類課程PBL教學(xué)模式

PBL教學(xué)法是一種基于現(xiàn)實世界的以學(xué)生為中心、以問題（或項目）為導(dǎo)向的教學(xué)方法，在每門課程中把理論知識與實際科研項目進行有機結(jié)合，充分發(fā)掘?qū)W生的主觀能動性和創(chuàng)造潛能，以提高學(xué)生解決工程實際問題的綜合能力。PBL教學(xué)法顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)中以教師為中心、學(xué)生被動灌輸知識的教學(xué)模式。近年來，該方法不斷被應(yīng)用于理工科及經(jīng)濟管理等專業(yè)教學(xué)，并取得了良好的效果[15-19]。

PBL教學(xué)法是一種新型教學(xué)模式，在不同國家和地區(qū)、不同行業(yè)和領(lǐng)域可以有不同的表現(xiàn)形式和設(shè)計方法，但其核心主要在于設(shè)計問題、解決問題、評估問題[20]三個方面。根據(jù)機械類課程實踐教學(xué)特點，其PBL教學(xué)法設(shè)計主要按以下三個階段來完成。

（一）基于現(xiàn)有科研項目，凝練問題

提出合適的問題是實施PBL教學(xué)的首要環(huán)節(jié)。提出的問題既要有現(xiàn)實工程意義，也要滿足當(dāng)前理論教學(xué)需要。每年，實踐教學(xué)團隊要結(jié)合現(xiàn)有科研（工程）項目，根據(jù)課程內(nèi)容進行問題凝練和設(shè)計，使學(xué)生能夠在現(xiàn)實的、具體的問題中，鍛煉個人利用所學(xué)理論知識解決問題的能力。此外，針對同一個理論問題，設(shè)計的問題要盡可能多，以滿足不同學(xué)生的不同興趣愛好。

（二）基于團隊分工合作，解決問題

每門實踐教學(xué)課開課前，要求每4～6名學(xué)生自由組合成1個項目小組。小組選舉推薦1名綜合協(xié)調(diào)能力強、學(xué)習(xí)認(rèn)真、工作負(fù)責(zé)的成員作為小組組長，負(fù)責(zé)選擇問題并根據(jù)問題具體情況給各位成員分配任務(wù)、記錄討論情況、收集整理小組資料等。項目小組在接到任務(wù)后，即可開始結(jié)合在理論課、實踐課上學(xué)習(xí)到的知識，通過查閱線上線下文獻、現(xiàn)場調(diào)研等多種途徑和方法，提出解決問題的思路和辦法，形成一份完整報告并提交給教師。

（三）基于師生綜合分析，評價效果

客觀公正地評價學(xué)生提交的報告，是PBL教學(xué)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。課程結(jié)束后，首先，實施小組內(nèi)成員自評，即小組成員根據(jù)各自的工作情況進行自我評價（占考核成績的30%）；然后，實施各小組互評，即每個小組對其他小組提交的報告進行客觀評價（占考核成績的30%）；最后，教師點評，即教師站在專業(yè)的角度對各小組的報告進行總體評價（占考核成績的40%），綜合得出每名學(xué)生的成績。

四、機械類課程實踐教學(xué)體系重構(gòu)示例

將教學(xué)團隊教師主持參與的自治區(qū)科技重大攻關(guān)和重點項目“3兆瓦風(fēng)力發(fā)電機組的研制及1.5兆瓦風(fēng)電機組的產(chǎn)業(yè)化”子課題中某風(fēng)電機組齒輪增速箱的設(shè)計成果作為項目案例，把其轉(zhuǎn)化為機械類課程實踐教學(xué)對象（見圖3），以此來說明基于PBL教學(xué)模式實現(xiàn)機械類課程實踐教學(xué)體系貫通式重構(gòu)的思路和方法。

在機械制圖中的機械制圖測繪實踐教學(xué)中，學(xué)生先前往新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)的新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室參觀風(fēng)力發(fā)電機組，如圖3（a）所示，由教師介紹風(fēng)力發(fā)電原理，教師在此過程中結(jié)合國家風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展史培養(yǎng)學(xué)生的大國工匠精神、科技報國的家國情懷和使命。隨后進行風(fēng)力發(fā)電機變速箱拆裝、測繪，如圖3（b）所示，在后續(xù)的計算機繪圖中據(jù)此結(jié)構(gòu)按照給定參數(shù)進行三維造型設(shè)計，如圖3（c）所示。在此階段可提出問題，如從多維度分析為什么要大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電、齒輪傳動有何特點、如何表達(dá)齒輪等機械機構(gòu)。此階段可以讓學(xué)生自主進行拆裝測繪，各小組可根據(jù)其選題的參數(shù)進行三維建模，同時自主選擇感興趣的其他設(shè)備的機械零部件進行三維建模，并在一周后將成果進行課堂展示，最終形成課程報告。

在機械原理實驗課中，讓學(xué)生再次參觀風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱中的齒輪，并在機械制圖實踐課上所制作的三維模型中選取一對齒輪，從運動學(xué)角度分析齒輪機構(gòu)的運動特點，依據(jù)實物繪制出機構(gòu)運動簡圖。在此階段可提出問題，如從多維度分析為什么要大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電、齒輪傳動有何特點、如何表達(dá)齒輪等機械機構(gòu)。讓學(xué)生再次進行自主拆裝測繪，各小組可根據(jù)其選題的參數(shù)進行三維建模，同時自主選擇感興趣的其他設(shè)備的機械零部件進行三維建模，并在一周后將成果進行課堂展示，最終形成課程報告。

在機械設(shè)計實驗課中，讓學(xué)生從結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力傳動方案設(shè)計角度著手，學(xué)習(xí)齒輪箱設(shè)計結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握齒輪輪系設(shè)計的基本要求，培養(yǎng)學(xué)生機械零部件設(shè)計能力和創(chuàng)新意識，并在課程設(shè)計中利用所學(xué)理論知識完成一個風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計和數(shù)值仿真分析，如圖3（d）、（e）所示。

在機械制造課程的實踐環(huán)節(jié)，以風(fēng)電齒輪箱中某個齒輪為對象進行加工工藝設(shè)計，如圖3（f）所示，開展數(shù)控加工編程教學(xué)。據(jù)此，實現(xiàn)了一個風(fēng)電機組齒輪箱案例貫通整個機械類課程的實踐環(huán)節(jié)，并把不同課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的知識、能力、素養(yǎng)及思政要素融入其中，實現(xiàn)科教融合，提升了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

五、結(jié)語

在新工科建設(shè)背景下，為推動機械工程的改造升級，教學(xué)團隊開展了機械類課程實踐教學(xué)體系的改革探索，從科教融合入手，基于PBL教學(xué)模式，以工程案例貫通機械類課程實踐教學(xué)主要環(huán)節(jié)，探索了如何構(gòu)建與一流機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)相適應(yīng)的機械類課程實踐教學(xué)模式。

在長期的機械類基礎(chǔ)課程改革和實踐下，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)成功獲批國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點，農(nóng)業(yè)機械化及其自動化專業(yè)獲批自治區(qū)一流本科專業(yè)建設(shè)點。通過貫通式實踐環(huán)節(jié)的系統(tǒng)訓(xùn)練，學(xué)生參與了較為完整的機械產(chǎn)品設(shè)計制造過程，解決復(fù)雜工程問題的能力得到了提高。2019年至今，學(xué)生在各類學(xué)科競賽中獲省部級及以上獎項35項，其中國家級獎項11項，省部級獎項24項，取得了良好的教學(xué)效果。

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