基于问题导向的“机械设计课程设计”教学改革研究

［摘 要］ “机械设计课程设计”是机械/近机械类专业的重要实践环节。对于地方应用型本科院校而言，在现行教学模式下，这一实践环节存在与理论教学脱节、学生先修基础知识遗忘严重、标准与规范意识淡薄等问题。针对这一现状，开展了基于问题导向的“机械设计课程设计”与“机械设计基础”理论课嵌入式教学方法研究。通过将课程设计任务进行模块化分解并与相应的理论课教学内容嵌合编排，融入课程思政教学理念，以培养学生的基本设计能力及创新意识，进而为全面提升人才培养质量奠定基础。

［关键词］ 机械设计课程设计；问题导向；嵌入式教学；课程思政

［基金项目］ 2021年度江苏理工学院教学改革与研究项目“任务分解&课程思政融合模式下机械设计课程设计新模式研究”（11610112128）；2021年度江苏理工学院校级课程思政示范课程建设项目“机械设计基础”（11210112102）

［作者简介］ 丁 凯（1983—），男，山东菏泽人，博士，江苏理工学院机械工程学院副教授（通信作者），主要从事硬脆材料超声辅助加工技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）30-0089-04 ［收稿日期］ 2022-07-11

引言

“机械设计课程设计”是高校机械/近机械类专业本科生开设的一项实践性教学环节。在培养机械相关专业技术人才的全局中，本课程可有效增强学生对机械设计类工作的适应性，并初步培养其开发创新能力［1-2］。近年来，随着“中国制造2025”战略的提出、“互联网+”与传统制造业全面融合，社会对高校应用型人才产品设计能力的要求越来越高［3-4］。然而，对于地方应用型本科院校而言，由于课程设置顺序、学生自身综合素质等方面的问题，使得在传统教学模式下开展的“机械设计课程设计”教学质量往往不尽如人意，从而导致本课程对学生培养目标的支撑作用不强。因此，积极开展“机械设计课程设计”教学改革探索，对提升本科院校应用型人才培养质量从而满足用人单位需求具有重要的现实意义。

一、“机械设计课程设计”教学过程中的典型问题

“机械设计课程设计”是综合运用“机械制图”“材料力学”“工程材料及热处理”“机械设计”（基础）、“机械精度设计与检测”等课程的理论知识，解决常用机械传动部件设计共性问题的实践教学环节。由于涉及理论课程多、时间跨度长、对学生的综合素质要求较高，学生在“机械设计课程设计”开展过程中往往存在诸多问题，现以笔者所在单位为例，将最典型的几类问题列举如下。

（一）理论教学与实践环节脱节

作为与“机械设计”（基础）理论课程相配套的实践教学环节，“机械设计课程设计”安排在上述两门理论课程结束后进行。对于课程设计核心的设计计算内容，如带传动设计、齿轮传动设计、轴的设计等，在理论课上会从工作原理、设计思想及方法等方面进行讲解。但由于理论课教学过程中缺乏明确的设计对象实例，许多学生无法深刻理解设计思想与过程，难以做到学以致用。在课程设计过程中，学生往往机械地模仿甚至照抄计算实例，这种做法虽然可以让学生“知其然”，但不能“知其所以然”。究其原因，出现这种结果的关键在于理论教学与实践环节之间出现了脱节现象。

（二）先修课程基础知识遗忘严重

“机械设计课程设计”的先修课程多数与“机械设计课程设计”安排在不同学期，与课程设计开展时间之间存在长短不等的时间差。以笔者学校2019级机电专业人才培养方案为例，“机械制图”“机械精度设计与检测”“理论/材料力学”等课程在第1～4学期开设，而“机械设计课程设计”在第5学期开设。由于时间关系，等到学生开展课程设计时，很多基础知遗忘严重。且对于地方应用型本科院校的学生而言，基础相对薄弱、主动学习能力相对较差，上述问题更为严重。

（三）设计思想缺失，标准与规范意识淡薄

通过理论教学及实践环节的训练促使学生树立正确的设计思想是“机械设计”（基础）及其课程设计环节最为重要的教学目标之一。在“机械设计”（基础）理论课教学环节，教师会结合具体教学内容对机械设计思想及一般过程进行讲授，但由于学时数的限制，一般难以结合具体案例进行讲解。这就导致多数学生难以真正理解掌握技术设计的思路与方法，进行课程设计时面对题目感到茫然无措、无从下手，往往需要较长时间回顾复习才能进入状态，从而导致效率低下。

另外，在先修课程教学过程中均涉及大量标准与规范的学习。但由于在“机械设计课程设计”开展之前，学生并没有经历可以充分训练其遵守标准与规范意识的实践环节，导致很多学生在课程设计成果中展现出的标准与规范性极差，最终导致人才培养质量受到明显影响。

（四）缺乏严谨、敬业、负责的工匠精神

在两周的时间内，学生要完成设计计算、图纸绘制及设计说明书的编写，工作量较大。有部分学生为加快设计进度，对设计过程敷衍应付，一味地模仿甚至抄袭各类参考资料中的计算实例，全然不顾自己设计内容的实际情况，导致设计成果漏洞百出。更有甚者直接从网上购买课程设计成果充为己用。上述现象均表明有部分学生不能用正确的态度对待学习，设计过程中缺乏严谨、敬业、负责的工匠精神。

综上所述可以看出，对于地方应用型本科院校学生而言，其在“机械设计课程设计”教学过程中存在显著的问题，而这些问题将直接影响本课程教学目标的达成，进而影响人才培养质量。以上述问题为导向，笔者开展了“机械设计课程设计”教学改革研究。具体而言，研究内容主要聚焦于两方面：其一，开展“机械设计课程设计”与“机械设计”（基础）理论课程嵌入式教学，以克服理论教学与实践环节脱节、先修课程基础知识遗忘严重、设计思想缺失、标准与规范意识淡薄等问题；其二，基于理论课程与实践环节嵌合教学过程，融入课程思政教育，帮助学生树立正确的设计思想，培养其严谨、敬业、负责的工作作风与工匠精神，为提高人才培养质量奠定基础。

二、理论教学与实践环节嵌入式教学方法探讨

目前国内已有一些学者开展了“机械设计课程设计”与“机械设计”（基础）理论课程相结合进行教学的探索。但整体而言，目前对“机械设计课程设计”与“机械设计”（基础）理论课程嵌入教学的方法尚没有公认的合理方案，有待深入研究。

（一）“机械设计课程设计”任务分解及其与理论课程教学内容的合理编排

开展“机械设计课程设计”与“机械设计”（基础）理论课程嵌入式教学方法研究，关键在于充分考虑课程设计的核心设计计算内容与理论教学内容各章节的关联性，结合理论课教学内容顺序递进关系，对课程设计任务分解嵌入编排至理论教学过程中开展，做到理论联系实际，使得学生“知其然，知其所以然”。

基于上述理念，理论课以“机械设计基础”为例，课程设计则以“单级直齿圆柱齿轮减速器设计”为例，首先按照“机械设计课程设计”步骤统筹考虑理论课教学内容安排，制订“机械设计课程设计”任务分解方案及其与理论课程教学内容的先后顺序。对于课程设计而言，需要与理论教学相嵌合的内容为设计计算部分。开展理论计算之前首先对设计任务及减速器工作原理进行讲解，然后将课程设计核心理论计算内容分解为电机选择、运动与动力参数计算、带传动设计计算、齿轮传动设计计算、轴系零部件设计及选型、连接、箱体、润滑与密封、附件等任务模块。进一步，将“机械设计”（基础）教学内容分解为以下部分并依次开展教学：绪论、平面机构运动分析&平面连杆机构&凸轮机构等、带传动、齿轮机构、机械连接、轴系（包括轴、滚动轴承、联轴器）、其他部分（包括蜗杆传动、轮系、滑动轴承及其他内容）。

基于上述分解情况，考虑理论计算的步骤，将课程设计各任务模块与理论教学内容进行嵌入编排。为让学生尽快了解减速器、熟悉设计任务，首先，将课程设计任务、减速器工作原理介绍、带传动及齿轮传动特点、传动比基本概念及分配方法嵌入绪论部分进行讲授，并以减速器为例讲授设计方法与思路。其次，将设计任务下发给每名学生开始设计计算。再次，理论教学讲授平面机构运动分析、平面连杆机构、凸轮机构等内容。这样安排的目的在于：上述内容的教学时间将持续大约3周，学生可利用这一时间段充分掌握课程设计任务、减速器工作原理、带传动及齿轮传动，并完成带传动与齿轮传动的传动比分配，然后完成电机选择、运动及动力参数的计算。最后，“机械设计”（基础）理论教学内容按照带传动、齿轮机构、轴系、机械连接的顺序依次进行，课程设计各任务模块则嵌入相应的理论教学内容后完成。

上述将课程设计任务分解并嵌入理论教学过程的方法，一方面可以将课程设计的理论计算内容分散至平时教学过程中完成，从而可以让学生有更充足的时间和精力进行图纸绘制；另一方面可以实现理实一体化教学，有助于学生对机械系统工作原理的理解、相关设计方法的掌握，同时树立正确的设计思想。

（二）进行先修基础知识唤醒式强化训练，强化提升标准与规范意识

如前所述，先修知识遗忘是导致部分学生课程设计完成质量不高的关键原因之一。针对这一问题，结合课程设计与理论教学嵌入式教学方案，将每一分解模块的理论计算内容作为相应理论教学的平时大作业。进一步，对理论计算结果的表达开展基础知识唤醒式强化训练，即产生图纸的设计内容必须手工绘制零件图，为后期集中绘图环节做好准备。这些强化训练与理论教学内容紧密结合，但数据要求均由每个学生的课程设计任务原始数据计算得来。完成这些强化训练，学生就相当于同时完成了理论课的课后作业及课程设计相应的计算内容，可谓一举双得。

需要强调的是，对于上述强化训练，必须执行严格的过程考核。具体而言，这一过程中涉及的设计计算内容，需要将完整的设计过程记录在专用作业本上；而重要的设计结果如齿轮、轴等，则必须按照课程设计图纸绘制要求，将零件图绘制在标准A3或A4图纸上，且要严格遵守机械制图中的各项标准与规范。上述设计计算结果、图纸每次均要给出成绩，最后同时计入理论课程的平时作业成绩、课程设计的设计计算说明书成绩及图纸规范性成绩。

（三）依托保留的集中实践教学环节强化提升学生综合素质

课程设计主要计算内容分解嵌入理论教学过程后，集中实践教学环节主要开展装配图草图及正式图纸、零件图的绘制。在此环节中，指导教师应加强过程监控力度，采用共性问题共性辅导、个性问题单独指导的方法，力求让所有学生明白画的是什么、为什么这么画，杜绝一味地模仿、抄袭。从图面布局、线型运用、视图表达、尺寸标注等方面开展精细化指导，进一步夯实学生的基本功、强化标准与规范意识，提升设计能力与素养，重点培养学生具备严谨、负责的职业素养、道德与规范。

此外，在集中实践环节中，可根据学生绘图进度，选择合适时间开展答辩。答辩内容主要针对学生在课程设计过程中所暴露出来的问题，促使学生对课程设计真正重视起来，帮助其树立基本的机械设计思想、掌握基本的设计方法，全面提升其综合素质。

（四）成绩评定

对于上述理论教学与实践教学环节，加强全周期过程考核，时刻灌输“态度决定一切”的成绩评定理念。由于任务分解后的理论计算内容及相匹配的基础知识唤醒式训练的重要性，将其作为平时成绩并适当提高比例。对于缺乏诚信、投机取巧的学生（如购买设计成果）采用一票否决制，直接取消成绩，再一次强化培养学生敬业、严谨、负责的工匠精神和职业道德以及杜绝抄袭、恪守诚信的行为准则。综上所述，最终的成绩评定公式为：总成绩=说明书（25%）+图纸（30%）+规范性（15%）+经济性分析报告（10%）+答辩（20%）。

三、机械设计课程设计课程思政教学研究

广泛开展课程思政教学是推进“三全育人”、落实立德树人根本任务的重要途径［5］。对于“机械设计课程设计”这一实践教学环节，强化课程思政建设，并与理论课教学课程思政建设相互支撑，对于全面提升学生的综合素质具有较强的现实意义。