基于工程教育专业认证的专业综合创新设计课程教学研究

丁淑辉　魏军英　孟晓军

[摘 要]工程教育专业认证需要建立课程目标对毕业要求指标点的支撑关系，专业综合创新设计作为机设专业重要的实践类课程，对多个技术类和非技术类毕业要求指标点形成支撑。文章分析了课程对各毕业要求指标点的支撑关系以及任务驱动式教学对课程的适应性，建立了以解决复杂工程问题为驱动的课程任务设置方式，设计了包含学生选题、系统方案设计、过程细节设计、课程总结与成绩评定等四个步骤的教学过程，有利于工程教育专业认证背景下创新型人才的培养。

[关键词]工程教育专业认证;复杂工程问题;专业综合创新设计;任务驱动式教学

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）06-0065-03

一、工程教育专业认证理念与专业综合创新设计课程

工程教育专业认证的核心理念是，以学生为中心建立一套面向产出的教学活动与学生培养机制，通过教学活动的“评价—反馈—改进”闭环循环，在对教学活动进行全方位、全过程评价的基础上，将评价结果应用于教学改进，使专业教学活动得到持续改进 [1-2]。

国家发展与行业需求决定了专业培养目标，工程教育专业认证的目的就是以其核心理念为支撑，保证培养的学生能够达到专业培养目标，为社会输送合格人才。培养目标的达成是以毕业要求达成作为支撑的，而课程体系又支撑毕业要求的达成。可见，课程目标的达成是毕业要求达成和培养目标达成的基础。

为了适应社会和行业发展的需要，山东科技大学（以下简称“我校”）机设专业在新的课程体系中设立了专业综合创新设计课程。该课程属于数字化设计课程体系，是在数字化设计、有限单元法与ANSYS分析、数控技术等理论课程后开设的综合性实践课程，其目的是通过该课程的综合训练，培养学生的专业综合创新设计能力，使学生具有综合应用所学专业课程完成机电一体化产品的创新设计能力。该课程开设在第七学期，总课时为3周。

专业综合创新设计课程采用任务驱动式教学模式，在实际执行过程中学生可从第五学期开始规划该课程，在后期的教学进程中随着相关理论课程的开设完成该课程所涉及的任务，最终在第七学期提交设计结果，完成课程目标。

二、专业综合创新设计对工程教育专业认证毕业要求的支撑关系

对毕业要求指标点的直接评价，是毕业要求达成情况评价的主要内容。在12个毕业要求指标点中，前5个为技术类指标点，后7个为非技术类指标点。专业综合创新设计课程作为机设专业重要的实践类课程，除了能够完成对“设计/开发解决方案”“使用现代工具”等技术类指标点的支撑外，还对“个人和团队”“沟通”以及“终身学习”等非技术类指标构成重要支撑关系。

（一）课程对“设计/开发解决方案”指标点的支撑

专业综合创新设计课程的主要任务是在已修的数字化设计等理论课程的基础上，以复杂工程问题作为驱动任务，完成机电一体化产品的创新设计与分析优化，以锻炼学生的综合创新能力。课程的主要内容，是学生根据用户对复杂产品的功能需求，进行产品的系统设计、结构设计、尺寸与公差设计以及制造工艺流程设计等功能设计。

在以上的功能设计中，学生要充分考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等的制约因素，尽量减少产品制造、运行以及报废过程中对社会的危害，不能损害社会公众及操作人员的健康，要充分考虑产品安全问题，杜绝发生产品全生命周期中任意阶段的安全事故，遵守国家和地区的环保要求，进行安全设计、绿色设计，完成对“设计/开发解决方案”毕业设计指标点的支撑。

（二）课程对“使用现代工具”指标点的支撑

复杂工程问题的设计方案在进入物理样机测试前，需要使用计算机辅助工具对其进行模拟测试，以检验设计方案的合理性、优化产品结构。专业综合创新设计课程要求学生能够选取恰当的计算机辅助设计、辅助分析、辅助制造工具，对前期设计结果进行建模、仿真与分析。要求学生能够正确选用Creo、UG、CATIA、Solidworks等三维建模软件建立产品的三维数字模型，选用ANSYS、ABAQUS、ADAMS等辅助分析软件对模型进行运动学、力学、热学、电磁学等方面的模拟分析，正确选用SurfCAM、MasterCAM、UG等软件进行加工仿真分析。学生通过建模、模拟分析与优化，建立产品数字化模型并优化复杂工程问题的解决方案，完成对“使用现代工具”的支撑。

（三）课程对“个人与团队”指标点的支撑

复杂工程问题一般涉及多个学科、多方面的技术，需要配备多学科背景下的设计团队来建立其解决方案。专业综合创新设计课程以复杂工程问题作为设计任务，需要组建多学科团队来完成设计任务。这就需要团队成员间能够展开合作，进行有效沟通，实现各子任务间的无缝对接;且要求团队成员具有担任小组成员、团队负责人等各类角色的能力，完成对“个人和团队”指标点的支撑。

（四）课程对“沟通”指标点的支撑关系

在产品设计过程中，业界同行之间或工程师与社会公众之间的沟通能力是毕业要求指标点之一。针对产品设计中的复杂工程问题，学生要能够以报告、设计文稿、答辩等形式表达自己的观点，与业界同行以及社会公众进行有效的沟通与交流。专业综合创新设计课程通过产品的三维数字化建模、图纸生成、报告撰写、答辩等各课程环节，训练学生就复杂工程问题以口头或书面方式表述设计思路与观点的能力;同时，课程要求学生能够针对业界同行和社会公众，采用不同的表述方式，以不同深度层次表述设计内容和自己的观点，完成对“沟通”指標点的支撑。

（五）课程对“终身学习”指标点的支撑

随着社会的发展，科技不断进步，尤其是在数字化设计领域，新的理论与技术层出不穷，各类CAD/CAE/CAM工具软件更新频繁，这就要求毕业生能够意识到自身不断学习的必要性;同时，经过专业综合创新设计等课程的训练，毕业生要具备自我学习的意识和自主学习的能力，具有理解、归纳总结和提出问题的能力，适应当前学科发展，从而完成本课程对“终身学习”指标点的支撑。

三、任务驱动的专业综合创新设计教学方法

（一）任务驱动式教学

专业综合创新设计等实践类课程要求学生不仅要具有较强的动手能力，还要具有一定的自学与认知能力。传统的教学方式突出“教”的灌输作用，是以教师为主导、学生被动接受教师知识传授的过程。在这种教学模式下，学习仅仅是一个记忆正确知识的过程 [3]。可见，以讲授为主的传统教学模式对毕业要求中的工程实践能力的达成支撑不足[4]。

任务驱动式教学是建立在建构主义学习理论之上的一种教学方法[5-6]，其认为学习是学生主动构建内部心理结构的过程[7]，强调学生的主动探索，教师仅是学生学习的设计者、组织者和指导者。任务驱动式教学突出“教”的引导作用，能够激发学生自主学习的兴趣，启发学生的创新思维[8]。教师负责设计课程任务，其中要包含学生需要学习和掌握的新知识;学生进行主动探索，构建新的知识体系并形成各种解决方案，最终通过仿真与优化得到最佳设计方案，完成设计任务。

（二）课程任务设置

专业综合创新设计课程限修时间长，横跨专业课学习的大部分时间，因此可以灵活设置课程任务。采用任务驱动式教学方法，根据课程目标预先设置设计任务，这有利于充分挖掘学生在专业学习期间的创新灵感，使其在完成本课程设计任务的同时，也能促进机械制图、机械原理、机械设计、工程材料与热处理、几何量公差、机械制造等其他与设计相关课程的学习。

根据教学大纲规定的课程目标对该课程任务进行选题，要基于当前行业发展现状，结合工厂生产实践，选取实践性强的课题。课题要具有一定的复杂性，属于涉及多学科、多种知识融合的复杂工程问题，不能是功能性的单一任务。从任务解决方案上说，任务求解方法要具有多样性，以锻炼学生的发散思维，使学生能够从多方面寻找问题解决方案，且具有方案分析与优化能力。例如，在当今智能制造2025、工业4.0的大背景下，汽车钣金件的智能化冲压生产，包括分张、对中、上料、多次冲压、下料等多道工序，以及冲压工序间的物料转运、多工序间时序控制等诸多问题。其智能化连线冲压系统的设计，涉及机械系统、电气系统、数控系统、电磁系统、气动系统、视觉识别系統等多个专业门类的知识，是一个典型的复杂工程问题。将其设为专业综合创新设计的课程任务，可由3～5人组成的设计小组完成，分为方案设计、结构设计、电气系统设计、数控系统设计、控制系统设计等多个模块，建立系统的三维数字化模型，最后对各系统进行仿真与优化，完成设计任务。

同时，鼓励学生自主选题。学生可根据自己的兴趣爱好、前期的社会实践经历，或是前期科技竞赛的积累自主设置课程任务，然后交由任课教师审查。教师根据课程目标审查学生的自主选题，对其课程任务进行修改、添加或删除，以满足课程内容支撑课程目标的要求，从而能够支撑相应毕业要求指标点的达成。

（三）课程教学过程与评价

专业综合创新设计课程虽然设置在第七学期，但鉴于其课程周期长的特点，一般需要提前开课。根据前述课程任务设置的原则，任课教师在第五学期开学前根据学生数量准备课程任务供学生选取。后续课程教学过程及课程评价如下所示。

1.学生选题。学生根据兴趣爱好、共同志向等因素自由组合设计小组，采用先到先得的原则领取设计任务，也可由教师分组并指定设计任务。我校因学生数量较多，课程授课采用导师制教学模式，由多教师分散教学、分别指导。

2.系统方案设计。根据课程任务及其设计参数，引导学生进行系统总体设计。因学生尚未进行专业课程的学习，教师需要引导学生先行熟悉相关专业课程领域，然后采用头脑风暴法集思广益，发挥小组成员的想象力来收集新思想，形成多种解决方法。经过整理、完善后进行设计方案的讨论与答辩，由任课教师参与引导确定最优设计方案。例如前面的智能化连线冲压系统的设计，可将设计组学生分成不同学科门类，分别研究各不同系统所涉及的相关知识，然后组织无约束讨论，提出多个解决方案，在任课教师引导下选择最优方案。

3.过程细节设计。根据确定的最优方案，完成各模块的设计。设计过程中学生是主导因素，任课教师只起到解答疑惑、管理引导以及监督评价等辅助作用。过程细节设计将涉及机设专业的多门核心课程，如各运动子系统结构设计涉及机械原理与机械设计课程;机电控制系统设计涉及电工电子技术、PLC、传感器、机电一体化、数控技术等多门课程;运动部件的轨迹与干涉分析，速度、加速度与时间分析，结构件的受力变形及破坏分析，悬臂梁的挠度分析，磁力分张器的磁场分析，工件的运动轨迹分析与优化等涉及机构仿真与有限元分析的相关课程; 零件材料牌号选取及热处理状态定义等内容涉及材料学与热处理课程;零件加工表面粗糙度及公差的定义涉及几何量公差课程;产品三维数字化建模涉及数字化设计课程。

4.课程总结与成绩评定。第七学期进行课程总结与成绩评定，小组负责人组织所有成员撰写各类文档、整理图纸并制作答辩课件。在答辩过程中，由负责人主讲、各小组成员介绍自己完成的工作，并回答任课教师及其他同学的提问。任课教师结合前期各项工作过程中各位学生的表现、提交的文档以及答辩情况，综合评定每位学生的成绩、判定其课程目标的达成情况。鼓励学生以设计结果参加校内外各类科技竞赛、申报国家专利或各类奖励，并根据获奖或申报专利情况提高学生的成绩评定等级。

四、结语

传统教学以掌握既有内容为主，重点培养应用型人才，长期的灌输式教育不利于学生创新性思维的发展，而任务驱动式教学突出了在发现新方法、新思路方面的引导作用，重点启发了学生的创新思维，有利于培养创新型人才。在该课程的学习中，教师的作用主要体现在激发学生学习动机和学习兴趣等方面，并承担学习过程的帮助者和协作者的角色。

本课程学习过程中，学生通过讨论与交流，锻炼了沟通能力，对毕业要求指标点“沟通”形成有效支撑;以复杂工程问题作为设计题目，涉及多学科知识，需要多人协作建立多学科设计团队，且设计过程中需要有团队负责人的组织协调与团队成员的分工合作，这对毕业要求指标点“个人与团队”形成有力支撑;在课程完成过程中，教师只起到帮助和协作的作用，对新知识点的学习教师并不深入介入，以锻炼学生自学能力;同时，学生在自学过程中意识到终身学习的重要性，建立终身学习意识，完成对毕业要求指标点“终身学习”的支撑。以上是针对工程教育专业认证中“沟通”等三个毕业要求非技术类指标点的支撑关系，而设计过程本身就是一个形成解决方案的安全设计、绿色设计的过程，同时也是使用现代设计工具进行设计的过程，建立了对“设计/开发解决方案”和“使用现代工具”毕业要求技术类指标点的支撑关系。综上所述，该课程教学方法可以完成本课程教学目标，建立对工程教育认证毕业要求相应指标点的支撑关系。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 刘宝，李贞刚，阮伯兴.基于工程教育专业认证的大学课堂教学模式改革[J].黑龙江高教研究，2017（4）：157-160.

[2] 范功端，李中圣.基于工程教育理念的给排水科学与工程专业建设[J].教育现代化，2019（11）：94-96+112.

[3] 钟祖良，王婷，刘新荣，等.地下建筑结构课程教学模式探讨[J].科教文汇（下旬刊），2018（9）：75-76.

[4] 教育部高等教育教学评估中心.中国工程教育质量报告[J].MT机械工程导报，2015（1）：45-49.

[5] 周祥.任务驱动法在高职院校电子技术教学中的应用[J].教育现代化，2019（64）：248-249.

[6] 吴爱萍.基于任务驱动的单片机教学方法改革[J].中国现代教育装备，2018（11）：64-66.

[7] 杨洪雪.任务驱动式教学方法的特点及过程设计[J].教学与管理，2006（30）：129-130.

[8] 曲凌.任务驱动的小组教学法在实践教学中应用[J].实验室研究与探索，2014（6）：200-203.

[责任编辑：陈 明]