校企协同下的机械设计课程教学变革与实践*

魏玉兰,李 兵,王培良,王荣德,张清珠

(湖州师范学院 工学院，浙江 湖州 313000)

一、简介与问题分析

随着经济技术的高速发展，中国正在从一个制造业大国转变为一个制造业强国，为了适应国家的高速发展，高校培养出的工程技术人才必须满足社会需求。然而中国传统的工程教育方法与社会脱节严重，高校与企业之间的合作不够密切，企业用工缺，学生就业难的现象越来越严重[1]。高校“协同创新中心”建设是解决此问题的有效途径之一[2]。高校“协同创新中心”通过与地方企业紧密合作，开展校企协同创新，结合学校与地方的优势资源，以“服务地方经济，向社会输入合格的应用性人才”为目标。而专业课程的建设与改革是应用型人才培养的重要环节，依托校级协同创新中心已展开了一系列的人才培养模式和课堂教学改革研究工作。

在“协同创新中心”建设过程中，为了提高机械专业人才培养质量，必须重视专业课程的建设与改革。《机械设计》是机械专业课程群的核心课程，无论是在校内还是校外对学生的影响尤其重大[3]。在校期间的各类学生科研项目、竞赛都离不开机械设计；毕业后，机械设计更是成为了一个合格的工程技术人员必不可缺的基本技能。为了培养出令企业满意的优秀毕业生，必须对课程的教学内容进行调整，对教学方法进行改革。教学内容需与地方产业特色紧密结合，教学方法应有助于全面培养学生的设计、项目管理、团队合作、交流、承压等工程设计人员应该具备的基本能力。为了达成此教学目标，在教学研究与改革过程中，逐渐形成了以项目为导向，以产品设计流程为主线的项目导向设计教学法(Project based design learning PDL)。下文将着重介绍该教学法的特点及其在《机械设计》课程中的实施，除此之外还会详细介绍考核方法及教学评价与调查问卷结果。

二、PDL教学法

工程实践的核心就是设计，在学习《机械设计》课程的过程中，让学生接触生产实际中的项目，真正参与到产品的设计过程中是非常必要的。“协同创新中心”的建设使之成为现实，学校与企业之间的紧密合作为《机械设计》课程提供了新的素材，为学生参与到企业的产品设计过程中提供了机会。强调实践的项目式教学法(Project based learning PBL)可以培养学生实际生产条件下有效设计的能力[4]，可以培养学生的自主学习能力，提高学生的沟通能力和批判性思维能力。在PBL教学法中教师与学生之间的沟通与交流更加的频繁，因此学生的学习积极性有所提高[5-7]。然而，由于PBL教学法以完成项目为目标，不同的项目所需要的知识要点不同，为了完成项目学生往往需要什么学什么，造成知识体系杂乱无章，学习内容片面，理论深度堪忧，大大降低了PBL教学法在理论教学中的应用效果。

基于课程内容的LBL教学法(lecture based learning)[8]，以教材为中心，以教师为主导，通过讲授向学生传授知识与技能。LBL教学法聚集于向学生传授理论知识，帮助学生掌握知识的细节和要点，它的最大优势是可以为学生建立系统而全面的知识理论架构[9]。然而，由于教授式教学法关注教学内容而忽略了学生的感受，使学生感到枯燥无味。除此之外，由于理论教学与实践教学没有有机结合而无法激发学生的学习主动性和积极性。

鉴于PBL教学与LBL教学法各自的优缺点，文中提出一种新的以项目为导向，以设计流程为主线，LBL和PBL相结合的PDL教学方法。PDL按照产品设计流程展开教学，学生根据设计需要提出理论知识储备需求，再由教师进行理论知识传授，因此培养了学生对专业的兴趣和好奇心，增加了学生的学习成就感和满足感。进行PDL教学法的主要目标是：通过教师讲授和学生自学建立系统而全面的知识体系，实现深入学习；通过项目实施培养团队合作能力、项目管理能力、培养学生发现问题、解决问题的能力；通过品设计的推进培养学生自我激励、独立思考的能力；最为主要的是使学习目标更加明确，学习过程更加愉悦，学习结果更加理想。

三、PDL教学法在《机械设计》课程中的应用

(一)项目设计题目确定

基于校企协同的新型PDL教学法顺利实施的第一步就是要确定合适的项目设计题目。设计的项目题目要满足两个条件。第一，项目设计的内容必须要涵盖《机械设计》课程的绝大部分教学内容；第二，项目应与地方相关企业中的支柱性产业相关。以湖州师范学院为例(以下简称湖师院)。湖师院是湖州地区唯一的地方性院校，工学院建立的一大目标为服务地方经济，向地方产业输入合格的应用性人才。因此，为确定出符合地方特色的项目设计题目，首先要与地方相关产业建立良好的校企合作关系。众所周知，湖州有电梯、物流、农机三大产业与机械行业密切相关。为了确定出合适的项目设计题目，课程组以“协同创新中心”为依托，与巨人通力电梯有限公司、湖州德马物流有限公司、浙江宜可欧环保科技有限公司等紧密合作，通过与以上企业中技术部门工程师的多次沟通与交流确定了与课程相关的五大项目设计题目，如表1所示。为了使每个学生有不同的设计参数，每个项目中都结合企业的实际应用情况设计了6-7组不同的参数供学生选择。

表1　基于地方产业的《机械设计》项目列表

(二)项目分配与工厂参观实习

在确定了课程中用到的具体的项目设计题目、设计参数与设计要求之后，先通过网络，在线课程等方式将具体项目设计相关文件下发给学生。然后学生根据自己的兴趣爱好自主选题，并由班长和学委根据学生的选题情况进行整理分组。为保证每个学生有不同的设计参数，如出现两个以上学生选择同一项目、同一参数，则学生自主沟通、协调后重新选择。完成学生自主选题后，根据项目设计题目对班级学生进行分组。在接下来的课程学习过程中，同一小组内的学生可共同讨论完成项目的设计。

考虑到学生对具体的项目设计内容和设置了解不足，为了使学生对设计的项目有更加直观、形象的认识与理解，《机械设计》课程的第一次课要首先安排为期一天的企业参观实习，企业也会安排技术人员对相关装置进行讲解，在企业的生产加工车间，学生可以了解到装置中每一个零件的加工制造工艺，装配关系和内部结构等。这些对学生后期的设计都有极大的帮助。除此之外，企业的讲解人员也会成为该项目选题学生的实践指导教师，学生在设计过程中遇到的技术难题可以直接与企业实践指导教师联系，得到符合工厂实际的技术指导。

(三)课程教学过程

在学生工厂实习之后开始正式的理论授课阶段。首先教师根据产品设计流程(而非教材目录)来制定教学计划，安排教学内容。基于PDL教学法的《机械设计》课程教学内容安排如图1中教学内容列章节出现的先后顺序进行。这样安排教学内容的目的是为了使教学进度与项目设计进度相吻合，方便学生“边学边设计”。例如，项目设计的第一步为“传动装置的总体设计”。在项目设计的此阶段需要确定总体传动方案、电机型号、各级传动的初始参数等。首先，教师采用PBL与LBL相结合的方式向学生传授方案确定的方法，电机选择方法、机械装配效率计算方法、总传动比和各级传动比的分配方法等。学生通过课程学习和课后扩展学习掌握相关设计方法，然后在规定时间内完成具体项目相关内容的设计并提交。学生提交的具体设计内容和设计结果即作为课后作业。这样有助于教师及时发现学生设计过程中的问题，及时纠正学生的设计问题，帮助学生正确掌握设计方法，同时可以有效避免现在高校教学过程中普遍存在的作业抄袭现象。后续的所有教学内容都采用这种“教授-学习-设计-教授”的循环方式实施，直到所有教学内容完成时，学生也完成了项目设计的所有内容。这种边教授、边学习、边设计的教学过程即PDL教学法的精髓。

教师的授课除了面对面的讲授之外，还利用在线网络课程为学生提供了有价值的在线学习资料，比如教师讲授的微课视频、项目相关装置的社会应用、项目设计的必要参考资料等。除此之外，每讲授完一部分教学内容，除了要求学生完成项目中相应部分的设计外，也得利用在线课程的测试环节来检验学生对理论知识的理解与掌握情况。在线课程学习的相关数据也会作为期末总成绩的一部分。

图1　项目设计流程及教学内容安排

(四)项目设计完善与答辩

在完成了《机械设计》课程的教学之后，学生同时也完成了项目设计的理论计算部分。但任何一个机械项目的设计都多包括理论计算和结构设计两大部分，因此安排一到两周的集中时间，让学生完善设计结果，整理设计说明书，并完成各个零件和装配图的绘制是十分有必要的。为了与企业生产实际接轨，同时进一步培养学生的二维和三维绘图能力，要求在集中的一到两周时间内，利用三维绘图软件完成项目中装置的三维建模，及主要零件和整个装置的二维图纸绘制。

在集中设计的最后一天安排项目设计答辩。答辩有两大目的，第一是帮助学生了解自己的问题，第二是帮助教师更加客观的掌握学生学习效果。答辩采用学生讲解和教师提问的方式，答辩教师会根据学生具体的答辩情况进行评价。这也是个人评估的重要组成部分。

四、教学考核方法

为了更加客观的得出每个学生的学习情况，采用PDL教学法的教学评价由三部分成绩组成。团队评估、人个评估和学生之间的互评。

团队评估：是对小组的整体评价。主要包括在关键时间点之前各小组及成员需交付阶段性设计说明书和设计图纸。教师会根据整个小组产品设计进度及设计内容给小组评分。

个人评估：包括理论知识学习的评估和实践结果的评估。理论知识学习效果通过平时的在线测试、在线视频学习、实验、出勤、期末考试成绩四大部分组成。实践结果的评估包括产品设计说明书、产品设计图纸、答辩三大部分。

学生互评：是指小组内成员根据贡献度给其它人评定的成绩。为了客观地得到小组中成员的贡献度，给每组100分，贡献度大的学生得分高，贡献度小的人得分低，由小组成员商定后给出评分结果。所有小组成员得分总合不超过100分。

根据以上评价方法，每个学生的最终得分可由下式计算得出：

Gfinal=WgroupGgroup+WpersonalGpersonal+WpeerGpeer

(1)

Wgroup+Wpersonal+Wpeer=1

式中，

Gpersonal=WtheoryGtheory+WpracticeGpractice

(2)

Wtheroy+Wpractice=1

Gtheory=WtextGtext+WvideoGvideo+WexpGexp+WexamGexam

(3)

Wtext+Wvideo+Wexp+Wexam=1

Gpractice=WinstructionGinstruction+WdrawingGdrawing+WpresentationGpresentation

(4)

Winstruction+Wdrawing+Wpresentation=1

(5)

式(1)中Wgroup和Ggroup为团队评估的权值和得分；Wpersonal和Gpersonal为个人评估的权值和得分，Wpeer和Gpeer为学生互评所占的比重和分数。式(2)中，Wtheory和Gtheory为个人评价中理论学习的权值和得分；Wpractice和Gpractice为个人评价中实践学习的权值和得分；在式(3)中，Wtext和Gtext为个人在线测试权值和成绩；Wvideo和Gvideo为个人在线视频学习权值和成绩；Wexperiment和Gexperiment为个人实验学习比重大小和成绩；Wtext和Gtext为个人期末考试比重大小和成绩。在式(4)中，Winstruction和Ginstruction为实践部分产品设计说明书所占的比重和得分；Wdrawing和Gdrawing为产品图纸所占的权值和成绩；Wpresentation和Gpresentation为学生答辩成绩所占的比重大小和成绩。上式中的所有成绩均采用百分制，权值可根据重要性赋予不同的百分比。

五、教学实践与评估

为了客观得出该方法的教学效果，在2013级机械制造及其自动化的两个平行班中展开教学，2013级的A班采用文中讲述的“校企协同”下的项目导向设计(PDL)教学法，B班仍采用常规的传统(LBL)教学方法，在线平台资料同时向两个班级的学生开放。期末考试采用相同的试卷，实践教学采用相同的内容。理论部分内容由同一名教师讲授，实践部分每班分配校内和企业两名指导教师。表2和3中分别给出了两个班学生期末考试和实践答辩数据分析结果。

从表2和3中的数据可以看出，采用PDL教学法的A班无论是理论考试成绩还是实践答辩成绩明显高于采用LBL教学法的B班。在PDL教学法中，理论教学与实践教学法相融合，“以理指践、以践强理”，因此学生对理论知识的掌握和理解更加深入，理论考试成绩表明PDL教学的教学效果。实践答辩成绩由五位指导教师共同评定，五位教师均认为，在答辩过程中，A班学生表现的更加自信，对知识的理解也更加深入。

表2　两种教学法理论考试成绩对比

表3　两种不同教学法实践教学答辩成绩对比

为了进一步更加客观的了解学生对此教学法的态度，对A班39名学生进行了调查问卷。为了保证问卷结果的可靠性，问卷采用不记名形式，表4为调查问卷数据统计结果。

表4　调查问卷数据统计

从调查问卷统计结果可以得出，学生对此教学法持积极的态度，参与教学的39名学生均认为此教学法帮助他们提高了设计能力。由于此教学法以项目为导向，按照项目将学生分组，因此有36名学生在团队合作能力上给出了5分，3名学生给出了4分。由于以产品设计为主线展开教学，每完成一部分教学内容要求学生同时完成相应零部件的设计，结合采用的评价方法，学生都能够积极主动的投入到学习之中，27名学生在自主学习能力培养上给出了4分的选择。

六、结　论

PDL教学法紧密结合实际需求，依托“协同创新中心”，采用企业项目管理形式，开展协同教学。首先向学生下发项目任务书，学生自主选取任务并组成项目管理小组，教师按照项目进展，以产品设计流程为教学主线，利用在线课程资源，采用PBL项目式教学和LBL教学法相结合的形式展开教学，要求学生每学完一部分内容，完成相应机械设备中相关零件的设计并绘制图纸，做到“学中做，做中学”。通过一个学期的教学实践，采用文中描述的考核办法，对学生的理论学习和实践学习效果进行了评价。教学评价结果表明，采用PDL教学法的A班学生理论成绩和实践成绩明显优于采用传统教学法的B班，A班学生对产品的设计、结构、原理的理解深度远远高于B班。除此之外调查问卷结果表明，通过此教学法，学生的自信心、团队合作意识、自主学习能力、解决问题的能力也得到了提高，这与教学初的目标设定吻合，基本达到了教学目标。在2016年5月份的机械设计竞赛和机械人竞赛中学生也取得了不错的成绩，学生的参赛积极性与前几年相比明显提高。在教学实践中也发现除教学方法本身以外，教学考核方法与标准、教师对学生提出的要求、教师对课程的态度等都对课程的教学效果有非常大的影响，因此在今后的教学中也会针对相关内容进行研究。

参考文献：

[1] 潘柏松,柴国钟,秦宝荣,陈勇.机械工程学生创新实践能力培养模式探索[J].高等工程教育研究,2008(Z).

[2] 李祖超,梁春晓.协同创新运行机制探析—基于高校创新主体的视角[J].中国高教研究.2012(7).

[3] 薛铜龙,王小林,巩琦.基于卓越工程师培养的“机械设计”课程教学改革[J].中国大学教学.2013(3).

[4] Dym, C.L.,etal., Engineering design thinking, teaching, and learning[J].JournalofEngineeringEducation, 2005(1).

[5] Palmer, S. and Hall, W., An evaluation of a project-based learning initiative in engineering education[J].EuropeanJournalofEngineeringEducation. 2011(4).

[6] Macías-Guarasa, J.,etal., A project-based learning approach to design electronic systems curricula[6].IEEETransactionsonEducation, 2006 (3).

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[9] 邱文洪，艾永循，郭凯文等.PBL-LBL 双轨教学模式在医学免疫学教学中的应用研究[J].中国高等医学教育.2013(9).