基于“卓越计划”的《机械设计基础》实验教学改革探索

徐春明 周艳 孙瑛 蒋国璋 熊禾根 李公法

摘要：机械设计基础实验是我国工科类院校机械类专业必开的基础性实验课程，旨在帮助学生深入了解常见机械结构的组成原理与结构形式等，培养学生的创新能力。随着近年来各大院校的扩招，加之受传统实验教学的影响，机械设计基础实验并没有达到预期的实验教学效果。为加强我国机械类人才培养的力度，本文首先对机械设计基础实验教学现状进行了充分的分析；其次，对实验教学模式改革提出了综合措施，完善实验内容体系，以此推动学生创新能力以及动手实践能力的发展，从而进一步推动“卓越工程师教育培养计划”的实施；最后，本文提出的实验改革在我校国家机械实验教学示范中心实行，通过实践表明，以上举措对于机械设计基础实验教学效果显著。

关键词：卓越计划；机械设计基础实验；实验教学改革；实验教学体系

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）05-0269-04

一、引言

众多学者认为，当下教育最普遍的问题就是大学生创新设计能力不足以及缺乏实践的问题。与此同时，我国工科类学生与欧美等教育发达国家的学生相比，实践动手能力以及创新设计能力有着明显的差距[1]。因此，为适应新形势发展，满足社会行业的需求和社会经济发展的需要，培養更多的技术型人才，我国在2010年提出“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）[2]。该计划实施的目的是为了提升学生的综合创新能力，培养一批具有独立自主创新设计能力的高质量高技术的工程技术人才。

机械设计基础课程是我国工科类院校机械类专业的必修课程之一。该课程的主要目的是让学生掌握对机械结构原理的认知，培养学生的创新思维以及分析、解决实际工程问题的能力，为机械设计基础实验教学的顺利开展提供重要保障。众所周知，机械设计基础实验教学在机械设计基础课中扮演着重要的角色，实验教学是该课程的有效实践手段。机械设计基础实验教学不仅能够使学生深入了解机械零件的组成原理和结构形式，而且还是培养学生实践动手能力、创新设计能力的重要载体，因此，加强机械设计基础课程的实践环节尤其重要。文章结合我校实验教学的现实情况，从目前我校工科类专业实验教学所存在的问题出发，以机械设计基础实验为例，对机械设计基础实验教学提出了改革思路以及新举措。

二、机械设计基础实验现状分析

众所周知，机械设计基础实验是包含了机械原理、机械制图以及机械设计等三门机械类学生必须掌握的必修课程的系列实验[3]，它对学生后续课程的学习，诸如机械制造基础课、机械设计课程设计、其他专业课程实践以及学生的毕业设计尤为重要。

1.实验教学目标不明确。机械设计基础实验教学实践与机械专业学生课程教学实践有着十分密切的关系，它对学生的毕业设计乃至以后从事社会工作发挥着重要的作用。近年来，随着各高校不断地扩招，各教学单位为了快速完成教学任务，机械设计基础实验教学的课时不断被压缩。加之受传统教学的影响，教学目标不明确等问题，授课教师只是要求学生粗略地掌握机械零部件的结构以及相关原理，对学生后期如何运用以及拓展并不是十分的重视，这也是为什么机械设计基础实验教学多年来教学效果不理想的重要原因之一，也是导致学生解决实际工程问题能力以及创新思维能力不足的关键因素。

2.实验教学内容单一。国内大多数工科院校的机械设计基础实验教学内容都是依托于自身学院所开展的机械设计基础的理论课程，学院并没有建立良好的实验教学体系。实验教学体系不完善是导致实验教学质量不佳的主要原因。同时，教学单位也没有制定系统的实验教学内容，开展的教学内容与社会工程需求严重不符，学生根本无法有效地掌握机械设计基础实验的精髓，不能独立设计实验、清晰地认识机械零部件以及完成实验，更别说让学生在实验过程中创新。更为严重的是机械设计基础实验教学内容并没有独立开来，没有成文的实验教材，只是简单地被安排在机械设计基础的理论课教学当中，依附于课堂教学，实验教学仅仅服务于机械设计基础课程的单个理论知识点，侧重于对某一个独立的理论知识点的验证，而忽略了实验内容之间本身的相关性，课后实验课时甚少。因此，按照这样的实验教学内容开展教学，学生对于机械设计基础实验的常见方法和手段无法形成一个系统性的认识，实验的一般理论与方法更是无法掌握。

3.实验教学模式陈旧。机械设计基础是一门传统的课程。由于它开课时间较早，一直还是沿用传统的教材以及教学模式，教育思想保守，教师依旧无法摆脱传统的教学观念[4]。在现有的实验教学过程中，实验教学的主体是老师，教学内容的制定、教学模式、教学计划、教学评价以及后期考核等众多事项都掌握在教师手里。学生只能在教师的指导下完成实验，完全处于被动状态，以此教学根本激发不了学生主动参与实验过程的积极性。学生无法将所学的机械设计基础理论知识点与机械设计基础实验项目有效结合起来，在整个实验教学中，教学方法不具备创新性。学生更是没有机会开展自主探究式学习，这样的教学模式，对培养学生的综合创新设计能力并没有实质性的帮助。

4.实验教学资源不足。受地域限制、区域经济发展的影响，教育资源不平衡发展，众多地方高校出现实验设备老旧和实验设备不足等问题[5]，高校没有实力为学生提供有效的实践平台。在现有的实验条件下，常常出现十多个人一起做实验，很多学生并没有亲身参与实践，只是单纯地站在一旁观摩，严重影响了实验教学的效果。

三、机械设计基础实验教学改革

在大众教育进一步走向普及教育的形势下，高等工程教育培养模式的相似和工程性与创新性的缺位[6]，阻碍了工程技术类人才的培养，特别是对于招生规模大的综合类理工科高校和行业高校，问题尤为突出。工科类专业人才的培养必然离不开实践，高校只有让学生将所学的理论知识充分拓展，与实验实践有机结合起来，通过理论教学—实践—项目驱动的方式，才能更好地提高学生的创新能力和自主探究问题的能力，才能更好地适应21世纪“卓越计划”的发展需求。

面对当前大学基础实验教学的现状，为进一步加强各大院校机械设计基础实验教学的效果，适应新形势的发展，培养21世纪的高层次应用性人才，机械设计基础实验教学的改革迫在眉睫。

1.建立多层次的实验教学体系。传统的实验教学内容相对独立，并未将相关理论知识点结合起来，这样的实验项目设置对学生掌握实验的一般性方法十分不利，对全面培养学生的创新思维能力更为困难。众所周知，良好的实验教学质量需要合理的实验教学体系来支撑，因此，本文在机械设计基础实验改革中首先将实验内容层次化。在现有的教学基础上，建立“多层次、循序渐进”的实验教学体系[7]，体现机械设计基础实验项目的相关性，在实验项目设置上，变单一理论知识点实验证明为基础型实验、综合分析型实验和创新设计型实验三个阶段，通过三阶段教学实践的连续培养，逐步实现机械设计基础实验由理论知识点到工程运用实践的过渡[8]。第一阶段是基础型实验，是整个机械设计基础实验教学体系的基础，本阶段主要是培养学生的基本技能，掌握实验原理的一般性方法，对书本上的理论知识点进行简单运用。第二阶段是综合分析型实验，是整个实验教学体系的核心部分，该部分主要是要求学生能对书本上所学的理论知识进行拓展，能够独立完成实验，重点强化学生的动手操作能力以及解决实际工程问题的能力。第三阶段是创新设计型实验，要求同学能够独立设计实验并完成实验，主要是培养学生的创新设计能力，鼓励学生勇于创新，自主探究。三个阶段呈现出层层递进的关系，同时每个阶段都有不一样的培养目标，但目的都是为了强化学生的实践能力。

2.创新教学方法以丰富教学内容。生动有趣的实验讲授方法是吸引学生乐于参加实践的关键。改变机械设计基础实验教学中常规的以老师主讲学生听取的教学模式为以学生为主体，老师在实验教学过程中给予指导。充分发挥学生的创新思维，发挥学生的主动性以及探究精神，这是提高机械设计基础实验教学效果，学生学以致用的关键。因此，实验指导教师在实验过程中的每一阶段都要引导好学生。此外，机械设计基础实验涉及的实验项目多，学生也多，针对该现象，改革中提出不同类型实验用不同的方法实施。例如，教师根据不同层次的学生，构建分层次指导，因材施教，举一反三，充分发挥学生在实验中的自主探究能力。学校要不断鼓励学生自主选修一些实验项目，开发学生对机械设计实验的敏感度，设置一些有创意性的实验项目，让学生选择自己感兴趣的实验项目，积极引导学生参与更高层次的创新型设计实验。

3.构建开放式实验室。除了机械设计基础实验正常教学，学院可以建立开放实验室，给学生提供充足的实践学时，提供工程实验和工程设计平台[9]，而不是仅仅局限于机械设计基础实验的课堂教学。建立良好的实验室开放管理机制，实验室要定期更新实验内容，设置不同的实验项目，由专任教师轮班值守，保证学生在实验室就有专任教师指导。除此之外，学校加大开放式实验室宣传力度以吸引更多的学生走进实验室，由实验室老师带头组建实验创新团队，培养学生的团队合作精神。

4.加大实验室硬件建设。机械设计基础实验教学的顺利开展固然离不开实验室硬件平台的搭建。受众多因素的影响，许多高校存在资金不足、实验设备老化、实验条件落后等问题[10]，因此，学校在搭建实验平台时应该更加充分有效利用有限的资金。学校应该严格按照教学体系，整体优化，整合相关资源，搭建能够同时满足三个不同阶段实验教学需要的硬件设施平台。在采购实验设备时，应充分考虑设备的性价比，要注重设备的功能性，尽量避免选择功能单一的实验设备。

四、机械设计基础实验改革效果

结合学生个性发展、学校特色以及满足国家“卓越工程师教育培养计划”的需求。培养学生创新设计能力、动手实践能力和解决实际工程问题能力为目的，制定了机械设计基础实验改革方案。本文提出的改革措施在我校国家机械实验教学示范中心实行，先后应用于机械类专业的48个班级的本科实验教学中，并辐射推广到12个其他工科类近机械类专业和非机械类专业共120多个班级中，取得了一系列的教学成果。（1）通过以上机械设计基础实验教学的改革措施实施后，学生参与工程实践的积极性、学生的动手能力和创新设计能力得到了明显提高。学校一系列的反馈意见显示，机械设计基础实验的实践教学改革对培养学生综合素质能力起到了决定性的作用。（2）实验教学的改革让学生的创新实践兴趣有了很大的提升，独立设计实验、个人自主探究能力得到了明显的加强。在开放式试验室，学生的创新思维得到了充分的发挥，在老师的指导下完成了多项创新创业项目，学生代表学校参加国家级创新创业训练大赛，多次取得优异的成绩。（3）实验的改革推动了学生综合能力的提升，近几年，学校的一次性就业率在原有的基础上提升了5到8個百分点，连续多年位居同类高校的前列。用人单位的反馈，普遍表明我院学生的综合素质高，创新设计能力强。（4）通过实验改革，学生在参加国家级、省级的机械设计大赛、挑战杯、机械工程训练大赛以及CAD制图大赛中获奖40余项。

五、总结

21世纪是建设创新型国家，实施科教兴国和人才强国的重要时期。机械设计基础实验教学对学生创新能力的培养极其重要，文中对机械设计基础实验教学进行了系统性的分析，同时根据实验教学存在的弊端提出了相应的改革措施，实践研究结果表明，机械设计基础实验的改革取得了一系列的成效，学生不仅能够独立解决实际工程问题，而且学生的创新设计能力也得到了很大的提升。尽管如此，对于机械设计基础实验这样一门专业的实践课程，我们应该继续考虑如何整合资源，优化现有实验条件，以进一步提高学生的创新设计能力，需要我们不断地去努力与思考。因此，各高校教师一定要树立起自己的责任感与使命感，加大对人才培养的力度，注重教学质量，为实验教学改革的研究贡献自己的一份力量。

参考文献：

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[2]颜志勇，刘靖，向东.基于“制作中学习”教学模式的《机械设计基础》课程改革研究与实践[J].考试周刊，2017，（56）：38.

[3]Ying Sun，Jiabing Hu，Gongfa Li，Guozhang Jiang，Hegen Xiong.Mechanical Design Practice Teaching Based on Romax Designer [J].Revista de la Facultad de Ingeniería U.C.V.，2017，32（10）：191-199.

[4]闫镇威.基于学生创新能力培养的高校机械设计基础课程体系改革探讨[J].时代教育，2017，（01）：186-187.

[5]王霏，刘斌.新形势下《工业设计机械基础》课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2016，（49）：85-86.

[6]Ying Sun，Wentao Cheng，Guozhang Jiang，Gongfa Li，Yongxing Guo & Hegen Xiong.Building a creative classroom system for mechanical engineering students [J].World Transactions on Engineering and Technology Education，2016，14（4）：473-476.

[7]孙瑛，等.基于校企联合协同中心的机械工程研究生培养模式创新研究[J].教育教学论坛，2018，（16）：31-33.

[8]张尧成，杨莉，戴军.应用技术型大学《机械设计基础》课程改革浅谈[J].课程教育研究，2015，（02）：226-227.

[9]陈佳立.机械设计基础课程体系改革与学生创新能力培养的探索[J].课程教育研究，2014，（01）：227.

[10]孙瑛，等.研究生创新与实践能力提升途径的研究[J].教育教学论坛，2018，（07）：41-43.