基于两性一度的机械设计课程教学改革*

◆王荣先 张旦闻 王定保

0 引言

在2018年6月召开的“新时代全国高等学校本科教育工作会议”上，教育部提出“两性一度”的金课标准[1]。“两性一度”即高阶性、创新性和挑战度：高阶性要求重视知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维；创新性要求课程内容反映前沿性和时代性，教学形式呈现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化；挑战度要求课程有一定难度，需要跳一跳才能够得着。

机械设计课程是机械类、近机类专业的主干课程，介绍机械通用零部件的结构原理及设计方法，培养学生综合运用所学知识研究开发新的零部件及设计机械装置[2]。教学内容涉及机械制图、工程材料、理论力学、材料力学等基础课程，具有理论性强、创新要求高、教学难度大等特点。教学模式以课堂讲授（56 ～64 学时）为主，实验课（8 ～10学时）和课程设计（2周）为辅。随着计算机仿真技术的发展，以CAD、SolidWorks、MATLAB等为代表的功能强大的现代设计分析软件已被广泛应用于机械工程领域。机械设计的理论和研究方法发展迅速，机械设计课程研究对象、教学内容也随之发生变化[3]：研究对象从传统机械转向现代机械；研究方法由静态理论分析到动态仿真分析，由经验设计到计算机优化设计。这些变化丰富了机械设计课程的教学内容，也增加了教学难度。为适应这种变化，进行“两性一度”的机械设计课程教学改革显得十分必要。

本研究基于“两性一度”金课标准对机械设计理论课和实践课进行教学改革，通过重构机械设计课程体系，将现代科技教学和课程思政内容引入教学环节，开发创新性实验，丰富理论教学和实践教学内容；立德树人，提升教学目标的高阶性；建设在线课程，进行线上和线下、过程性评价与终结性评价相结合的混合式教学模式改革，促进机械设计课程达到“两性一度”的金课标准。

1 机械设计教学模式现状

机械设计为机械类专业的专业基础课，当前教学过程中普遍存在下面一些问题。

1）教学内容固化，以传统的通用机械零部件为研究对象，如螺栓、齿轮、轴承等标准件，课程体系以理论知识为主，不利于培养学生的创新意识。教学内容与工程实际结合不紧密，没有体现当代先进的机械设计成果，与高速发展的现代科学技术衔接不紧密，不利于体现课程目标的高阶性。

2）教学模式固化。教师课堂教学形式单一，讲解基本概念，进行公式推导，使学生处于被动接受的状态，参与教学活动的机会少，缺乏工程实践经验，分析理解能力有限，不利于培养学生的发散性思维和创造性思维[4]。

3）实验内容少。实验装置落后，学生操作对象多为模型；实验项目少、步骤固化且均为验证性实验，缺乏创新实验项目。学生按套路进行实验，实验结果雷同，缺乏挑战度，不利于培养解决复杂问题的综合能力。

2 机械设计课程教学改革内容

基于“两性一度”的机械设计教学改革内容及步骤如图1所示，教学环节包括：将现代科技成果引入课堂，导入课程思政元素，重构课程体系，课程内容反映前沿性和时代性；建设机械设计在线课程，丰富教学资源，开发创新性实验项目，重视知识能力素质的有机融合；创新教学模式，进行线上、线下混合式教学和开展虚拟仿真实验，教学形式多样化，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维；改革考核评价方式，提升课程教学要求的挑战度。

图1 教学改革内容及步骤

2.1 重构课程体系

按照“两性一度”的标准，提升教学目标，增加教学内容，将机械设计在线课程线上资源和线下教学内容相结合，重构课程体系。

2.1.1 根据学科优势导入课程思政元素，强化育人意识，提升育人能力，使机械设计课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应 在教学过程中，让学生了解我国机械设计发展史，学习奋战在科研一线的科技工作者的爱国奉献精神；让学生了解我国机械工业与世界先进国家的差距，坚信通过科技创新实现中华民族的伟大复兴；培养学生具有良好的职业道德，弘扬大国工匠精神，激发科技报国的家国情怀和使命担当。

2.1.2 将现代科技发展的新技术融入日常教学中 介绍我国月球车、高铁等先进的机械装备，加强有关零件设计的新方法、新技术学习，强调创新设计。由于课时有限，将拓展的教学内容放在线上教学平台，供学生自学。

2.1.3 增加实验内容，丰富实验形式 基于机械设计课程理论教学的基本内容，通过开发新的实验装置，增加实验内容，扩大对理论知识点的覆盖面。实验项目由过去的四个增加到五大类18 项，涉及机械设计常见的通用零件，如螺栓连接、键连接、带传动、齿轮传动等。实验类别由过去单一的验证型实验扩展为创新型、测量分析型与验证型实验相结合的混合式实验，增强学生的实践能力。基于机械工程学科虚拟仿真实验教学共享平台，进行多种形式实验教学，提升实验教学的高阶性、创新性和挑战度。

2.1.4 课程设计与创新项目相结合 课程设计环节是在理论课、实验课的基础上开展的实践教学活动。根据学生学习情况，将课程设计题目由过去的统一进行带式输送机减速器的设计改为自主选题，鼓励学生以创新设计为目的，结合挑战杯、“互联网+”大学生创新创业大赛等创新活动自主命题，解决课程设计题目单一、内容雷同的问题。学生通过使用SolidWorks、UG、MATLAB和ANSYS等设计分析软件，进行机械设计课程设计，参加机械设计创新大赛，提高创新实践能力，普遍感到新颖，有挑战度。

2.2 创新教学模式

采用先进的现代教学手段，在智慧教室开展以学生为中心的线上、线下混合式教学实践。重视学生创新意识的培养，开展以创新实验为主、验证实验为辅的实验教学实践。

搭建机械设计在线课程，基于超星学习通、手机学习通APP平台建设机械设计课程线上教学资源，线上教学资源丰富，形式丰富，使用方便，内容包括授课视频、电子教案、课件、动画、习题、试题库、实验视频、课程设计展示、学生创新作品展示、考研教学资料、科技论文等。超星学习通平台功能强大，具有提交批改作业、讨论、通知、测试、答疑功能，为学生线上、线下学习提供便利。学生按照教学计划，自由安排时间观看授课视频，参与网上互动，完成章节测试和作业。

课堂教学在学校智慧教室进行，教师每周排四小时见面课，根据学生学习情况，围绕知识点进行学习任务与活动设计，采用案例式、探究式等多种教学方式进行线上、线下混合式教学实践，促进师生之间、学生之间的交流，激发学生学习兴趣。

改革前的机械课程设计通常安排在理论课结束以后进行，学生在两周的时间内完成带式输送机减速器的设计，绘制装配图和零件图，撰写设计说明书。改革后的机械设计课程设计和理论课同步进行，学生提前准备题目，有较充分的时间进行设计前的准备，有助于创新能力培养。

对学生成绩的考核评价方式由过去单一的终结性评价变为多元化考核综合评价，其中线上学习成绩占10%，实验、线下平时成绩占20%，期末测试成绩占70%。过程性评价基于大数据，记录学生的学习过程，掌握学生的学习情况，促进学生自主学习，促进教学质量的持续发展。

2.3 重视实践教学

针对课程中的重点、难点，结合学校办学定位和人才培养目标，学校教学团队将先进技术引入实践教学环节，创新实验装置，增加实验教学内容，创新实验教学方法，重视对学生工程实践能力的培养。基于机器视觉技术研发多种机械设计实验装备，包括齿轮传动综合实验系统[5]、螺栓连接实验系统、键连接实验系统、带传动实验系统等。实验类别由原来的验证性实验扩展为以测试分析为主、验证性实验与创新型实验相结合的多类型实验。改革后的机械设计实验内容如表1所示。

表1 机械设计实验项目及类别

教学实践表明：上述实验教学项目增加了实践教学对理论知识点的覆盖，解决了实验技术落后、实验方法单一、实验内容简单、缺乏创新实验等问题，提高了实验教学目标的高阶性、创新性和挑战度，教学效果良好，有助于培养学生的创新应用能力。其中创新性实验装置不仅可以用于实验教学，指导学生进行机械设计课程设计，还可用于实际工程检测。

在课程学习期间，教学团队教师指导学生参加挑战杯、“互联网+”大学生创新创业大赛、机械设计创新大赛等多种学科创新竞赛，获得多项奖励。这种项目式学习有助于培养学生的科研能力和创新能力，为其未来从事机械设计工作、解决实际工程技术问题奠定基础。

3 结束语

本研究基于“两性一度”金课标准，通过重构机械设计课程体系，导入课程思政元素，在超星学习通教学平台建设在线课程，改革教学模式，在智慧教室进行线上、线下混合式教学实践，基于机器视觉技术开发创新性实验项目，指导学生参加机械创新大赛等多项教学改革，使机械设计课程教学具有高阶性、创新性和挑战度。改革后的机械设计教学内容丰富，教学形式多样，激发了学生学习的积极性，在培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维方面发挥了积极作用。