过程设备机械设计基础与制图集中教学改革探索

［摘 要］ 过程设备基础、制图、课程设计通常以分散教学模式面向工科学生，存在学生难以发现知识之间的内在联系、知识体系受限、学习兴趣不高等问题，而集中教学模式可以提高教学知识的丰富度和关联度。依托华东理工大学机械与动力工程学院教学优势，开展了过程设备基础、制图、课程设计三合一集中教学，实现了由简入繁的课程衔接，形成了紧密配合的教学进度，改革教学效果评价方式，提高了学生的学习兴趣，加深了专业知识的教学深度，为全国同类课程的改革实践提供了借鉴。

［关键词］ 过程设备；机械设计；制图；集中教学

［基金项目］ 2020年度上海市教育发展基金会和上海市教育委员会“晨光计划”（20CG39）

［作者简介］ 许 萧（1990—），男，山东临清人，博士，华东理工大学机械与动力工程学院副教授，主要从事过程强化技术及新型化工装备研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）32-0060-04 ［收稿日期］ 2023-07-18

引言

习近平总书记在党的二十大报告中强调，加快建设高质量教育体系，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人，加强基础学科、新兴学科、交叉学科建设，加快建设中国特色、世界一流的大学和优势学科，优化国家科研机构、高水平研究型大学、科技领军企业定位和布局，加快实现高水平科技自立自强［1］。生物医药工科试验班是由华东理工大学生物工程学院和药学院结合其学科优势和工程研究底蕴联合创办的新工科专业，秉承“厚基础、强实践、少而精、博而通”的培养理念，培养生物医药交叉学科领域的拔尖创新型人才，尤其是在新药创制、细胞大规模培养与工程化技术、抗体与疫苗等现代生物医药领域进行人才培养，并服务于“健康中国”战略的实施。

我国全日制高校的课堂教学普遍实行的是传统的分散式教学模式，以32学时、2学分的课程为例，每周开展2学时课程教学，持续16周，在学期末进行考试考核。分散式教学模式提供了丰富的课余作业时间，学生可以充分利用每周的空闲时间进行预习、复习、做作业及实践等，符合循序渐进的学习要求［2-3］。然而，随着我国高等院校招生人数增加、学生自律能力减弱、就业前景黯淡等问题的出现，学生不再以兴趣为学习的驱动力，难以理解课程之间的关联和协调，学生关注的焦点也转移到了应付考试、寻找深造和工作机会等方面，传统分散式教学模式提供的丰富课余时间并没有被用在巩固课堂知识方面，存在课程重视程度不高、作业质量下降、课堂秩序散漫等问题。

集中式教学模式可以将具有关联性的多门课程融合在一个课程中，并集中在一个学期或更短时间内完成。目前一些高校将部分选修课纳入了集中式教学模式，开展了有益探索［4］。集中式教学模式对教学内容和教学时间进行了适当的集中，能够解决知识点过于分散、学生难以发现知识之间的内在联系等问题［5］；还能够很好地提升学生的学习兴趣，将多种教学内容进行系统的编排，使学生感到新奇，从而提高学习兴趣［6］。

华东理工大学面向生物医药工科试验班，将过程设备基础、制图、课程设计三门课程汇总集中教学，开设了“机电基础及计算机辅助设计”课程，授课教师来自华东理工大学机械与动力工程学院。培养方案指出，该课程重点培养学生设计开发解决方案和使用现代工具的能力，开设在大学第四学期，是工程基础知识模块学分最多、学时最集中的课程之一。总学分为5学分、总学时为96学时，其中，过程设备基础教学内容占32学时、2学分，计算机辅助设计和制图教学内容占32学时、2学分，课程设计部分占32学时、1学分。该课程要求学生掌握综合运用生物医药专业知识设计解决复杂工程问题的技术、工艺、系统及单元，在设计环节中体现创新意识，充分考虑社会、健康、安全、法律、文化及环境等因素，能够开发、选择和使用现代科学仪器、工程工具和先进的信息技术工具，能对复杂工程问题进行模拟、分析及预测。

集中式教学模式带来了三个教学挑战：首先是课程之间的衔接问题，其次是授课内容进度协调问题，最后是考试标准问题。集中式教学模式的顺利开展，需要更加系统、全面、细致地考虑各门课程的衔接和各种教学资源在时间和空间上的分布状况，完善评估方法和手段，发挥现有资源的整体优势，最终实现全面提高办学水平。

一、由简入繁的课程衔接

该课程面向大二学生开课，但本科生尚未掌握制图和读图的相关技能，当他们看到一张设备图纸或一本设备计算书时，无法将图纸和参数具象化，面对复杂的设备设计原理和公式，学生的学习效率较低［7］。因此，“机电基础及计算机辅助设计”课程应首先开展计算机辅助设计和制图专题。从简单的点线面几何投影原理开始，逐渐代入三视图绘制和简化画法，最后开展计算机辅助制图上机课程，介绍计算机辅助设计的便捷优势，提供典型零部件的拆分画图案例。在该专题教学过程中，设置具有制图经验的研究生助教团队，为学生的课后作业提供系统的跟踪辅导与服务，帮助学生答疑解惑。

其次开展过程设备基础专题。“过程设备机械设计基础”是一门关于过程工业相关设备设计基础的理论课程，主要面向非机械类工科学生，授课学生普遍缺乏基本的力学基础，对这门课的学习积极性较低［8］。采用由简入繁的顺序，依次讲解工程力学知识、工程材料、机械设计、过程设备和压力容器等与过程设备机械密切相关的知识，使非机械类专业的学生能够从过程设备的视角对过程工业的生产流程有更为深入的认识，全面提升工程能力和综合素养，并在今后的工作和实践中具备与设备工程师进行沟通与合作的基本知识和技能。该专题教学过程中，基于华东理工大学多层次信息化平台，建立了完善的教学管理、知识分享、师生互动制度。

第三个开展的专题为课程设计。理论教学完成后，一般会安排相关的课程设计，巩固理论课上所学的知识，培养学生解决工程实际问题的能力，旨在使学生获得必要的过程设备机械设计基础知识，了解典型设备的结构、性能和选用原则，掌握压力容器设计的基本方法和步骤，推动实现学生既通工艺又懂机械这一行业共同目标［9］。该专题教学过程中，采用学生分组交作业的模式，完成不同的搅拌反应釜的设计。

二、紧密配合的教学时间协调

由于教学学期涵盖16个教学周，“机电基础及计算机辅助设计”课程每周为6学时，通常两个学时为一次连续教学，因此，每周需要3次连续教学。为了保证学生能完成作业以及作业的及时批改，计算机辅助设计和制图专题与过程设备基础专题的教学时间为每周一、周二、周四上午。周一和周二合并布置一次作业，周三下午交作业，周三晚上完成作业批改；周四布置一次作业，周六上午交作业，周六下午完成作业批改，在周日完成典型作业错题整理及知识点分析，这样下周一就可以将学生未掌握牢固的知识点进行再次强调。紧密配合的教学时间协调充分地发挥了助教团队和授课教师的教学教辅作用，可以突出重点的课程教授内容。学生在学习制图技能之后，可以很快了解到制图技能在过程设备基础方面的重要作用，直接提高了学习效率，两个专题之间的关联关系更加紧密地呈现在学生面前，使学生对工程基础知识模块的主要内容有了概括而又重点突出的了解。

在上述两个专题学习的基础上，马上进行课程设计教学。选取典型夹套式搅拌反应釜为例，根据其工艺特征，开展设备设计。针对130名本科生组织了36个设计小组，课程负责人专门组织了设计小组的内部分工及整体要求的培训，提出了人人有任务、整体高水平的要求，小组分数等于个人分数。依次开展选题分组、设计说明书、设计图纸、答辩考试四个教学环节，在课程建设过程中，既考虑保障课程的下限要求，又希望保障课程的上限要求，具体而言，未完成课程设计说明书和设计图纸视为课程总体不及格，在答辩考试环节考查学生的学习质量。

三、课程评价标准与实施效果

“机电基础及计算机辅助设计”课程涵盖过程设备基础、制图、课程设计等课程内容，一张期末考试试卷无法覆盖96学时的课程内容，无法以一次期末考试成绩来确定学生的学习效果。而是应该关注学生的学习过程和持续改进，目的是希望学生珍惜和重视每一堂课、每一次作业和每一次设计任务的内容，因为这些内容即将在课程设计及未来工程设计过程中得到反复使用。

课程最终的总成绩综合考虑了期末考试试卷成绩、日常作业等级、课程设计说明书和图纸、课程设计答辩考试等内容，所占总成绩比例分别为50％、10％、10％、30％。其中，期末考试试卷满分为100分，包括50分的过程设备基础题目及50分的制图题目，题型分别为单选题、判断题、简答题、计算题和读图题，20个单选题和10个判断题覆盖了大部分知识点，简答题考查了学生工程力学的受力分析和动手制图的能力，计算题包括两个典型的过程设备设计案例，读图题提供了一个A1图纸的设备图纸。日常作业根据完成情况从优到差分别给予A、B、C、D四个等级，分别对应99分、89分、79分、59分。按时提交课程设计说明书和图纸且无知识性错误的给予100分，按时提交课程设计说明书和图纸但有知识性错误的给予90分，未提交课程设计说明书和图纸的总成绩为零分。课程设计答辩考试满分为100分，采用线上考试，将课程设计过程中使用到的公式、公理、标准进行开卷考试，时长为45分钟，共计20个选择题，在华东理工大学多层次信息化平台进行考试，题目顺序和选项顺序均做了打乱处理，考查学生短时间内的课程设计相关资料查阅能力和工程设计意识。课程考核考查了学生的查阅资料能力、团队协作沟通能力、动手操作能力、软件运用能力、分析及解决问题能力等，多维度的考核评价指标弥补了传统考核形式单一的缺点，更能全面地考核学生的真实水平。

课程教学过程中，60％以上的学生可以做到100％参加课堂教学，课堂平均签到率达到95％，作业完成率达到100％，课程设计完成率达到100％。学期的最后，一些学生对自己开展的作业和课程设计感兴趣，向课程负责教师询问是否可以提供类似的设计案例，以便加强专业技能的熟练程度，体现了学生扎实的过程设备设计能力、超强的学习兴趣及创新创业意识。基于对每个专题及专题之间关系认识水平的加深，学生更加熟练地掌握了工程基础知识。集中式教学模式不仅使学生学习兴趣大幅提高，而且促进了学生实践能力的发展。课程汇集了过程设备基础、制图、课程设计等众多内容，总成绩分数集中在66～85分，如图1所示。90分以上的人数较少，说明了该课程知识覆盖范围大、学习难度较大。另外，总成绩分数呈现正态分布，说明课程的考核评价指标比较合理，能够有效评价学习效果的优良程度。

结语

依托华东理工大学机械与动力工程学院在过程设备机械设计基础、工程制图等方面的教学优势，面向华东理工大学生物医药工科试验班，开设了“机电基础及计算机辅助设计”课程，汇集了过程设备基础、制图、课程设计等课程内容，探索了集中式教学模式的课程建设和实施效果，解决了课程衔接、进度协调、评价标准等难题。教学实践表明，过程设备基础与制图的集中式教学模式，有助于提高课程之间的关联度，优化课堂授课质量，调动学生自主学习的能动力，提高了学生的学习兴趣，加深了专业知识的教学深度，为培养拔尖创新型人才提供了支持。

致谢

感谢上海市教育发展基金会和上海市教育委员会“晨光计划”（20CG39）的资助和支持。

参考文献

［1］习近平：高举中国特色社会主义伟大旗帜 为全面建设社会主义现代化国家而团结奋斗：在中国共产党第二十次全国代表大会上的报告［EB/OL］.（2022-10-25）［2023-06-18］.https：//www.gov.cn/xinwen/2022-10/25/content_5721685.htm.

［2］汪丽华，王泽梁.循序渐进式案例在C语言教学中的应用研究［J］.福建电脑，2019，35（3）：20-23.

［3］崔晓龙，刘欣，王建萍，等.计算机网络“三层次渐进式”实践教学设计［J］.实验室研究与探索，2022，41（4）：163-169.

［4］李明利，王立颖，蒋应田，等.高校本科课程实施集中式教学的教改设想［J］.实验技术与管理，2017，34（1）：203-205.