基于新工科建设背景下的《机械设计》教材建设的几点思考

摘 要：新工科建设需要有新的教材和新的教法。本文从培养适应经济社会和产业发展需要的卓越机械类工程人才的视角出发，通过研究两本国外《机械设计》经典教材的体系和特色，并与我国现行的《机械设计》教材进行比较分析，提出了我国《机械设计》教材建设在革新教育教学理念、优化教材结构、更新教材内容以及强化与工程实际和现代信息技术融合等方面需进一步改进的几个方面，力图为新工科建设背景下的《机械设计》教材建设提供一些参考。

关键词：新工科;机械设计;教材;课程;成果导向教育

2017年，我国提出新工科教育理念和工程教育改革，旨在以立德树人为引领，通过研究和实践围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系，着力培养适应未来社会和产业发展需要的多元化、创新性卓越工程人才[1]。为此，李培根院士指出，“新工科”计划的推进关键在于对“新”的内涵的认识。而“新”的内涵首先表现在面向未来的工程人才应该具备怎样的“新素养”。为了使学生具备“新素养”，需要工程教育的新结构，其主要的着眼点应该在专业和课程的边界再设计、课程重构等。“新工科”要落地在教材和教学方法的“新”[2]，可谓一语中的。

教材是人们按照教育教学目标，遵循相应的教育教学规律而组织的教学资源，具有规范化、程序化、具体化的特点。作为教学内容的物化形态，教材是教学系统必须具有的实质性的因素，在教学中占据重要地位[3]。所以，一本优秀的教材，必须坚持正确的政治方向和价值导向，体现先进的教育教学理念，教学目标明确，教材内容应具有科学性、先进性和适用性，教材结构合理、完备且应具有一定的弹性与灵活性。具体到新工科背景下的相关教材建设，需要围绕培养解决复杂工程问题的多元化、创新性卓越工程人才的目标，在教材的教育教学理念上要进一步强化诸如OBE、CDIO等先进工程教育理念的引领，在教材内容上要进一步强化与工程实际、现代信息技术以及经济社会和产业发展新成果的深度融合，在教材体系和结构上要进一步优化，尽力满足项目化学习、案例学习、模块化学习等不同学习方式的要求。

本文從培养适应经济社会和产业发展需要的卓越机械类工程人才的视角出发，针对目前我国《机械设计》教材建设现状和存在的问题，通过研究两本国外《机械设计》经典教材的体系和特色，并与我国现行的《机械设计》教材进行分析比较，提出我国《机械设计》教材建设需进一步改进的几个方面，力图为新工科背景下的《机械设计》教材建设提供一些参考。

一、目前我国《机械设计》教材的现状分析

机械设计课程是一门培养机械类专业学生机械设计能力的技术基础课。课程教学目标是培养学生掌握通用机械零部件设计计算的基本知识、基本理论、基本方法和创新思维，以及机械创新设计构思和综合设计技能的实践能力的基本训练。通过学习，要求学生具有以下能力：（1）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有机械系统综合设计能力;（2）具有应用计算机辅助设计的能力;（3）具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力;（4）掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练;（5）树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策[4]。

目前，我国正式出版的《机械设计》教材有130余种，其中既有一批多次再版、经久不衰的经典教材，也有一批独具特色、个性鲜明的新教材。对照新工科建设的新要求，不少教材不论是在培养学生掌握最先进知识包括自然科学、工程科学等专业知识方面，还是在培养综合能力包括应用所学知识解决工程实际问题、工程创造创新创业能力、团队意识、沟通交流和领导能力、终身学习能力等核心技能和职业素养方面，都不同程度存在需要进一步改进的地方。具体体现在以下几个方面：（1）教育教学理念有待更新。在着力培养学生的综合素质尤其是学生发展的核心素养，满足学生个性化、多样化发展等需求方面的意识和理念有待提高。（2）教材结构有待优化。由于机械设计课程所涉及的内容繁杂多样，在教材结构上一方面表现出系统性、整体性、逻辑性有待进一步完善，另一方面在教材内容组织上开放性不够，一定程度上还满足不了弹性教学、分层教学的要求。（3）教材内容更新力度不够。体现学科专业新理论、行业发展新动态，反映新知识、新技术、新工艺和新规范，展现经济社会发展新成就、科技发展新成果的内容还是比较欠缺。（4）教材的适用性有待提高。按照现代教育理论，探讨进一步符合学生年龄特点、认知规律和学习特点，适应项目学习、案例学习、模块化学习等不同学习方式要求方面尚需努力。（5）与现代信息技术，尤其是计算机辅助设计、计算机辅助工程以及计算机辅助制造等方面的深度融合不够。还不能将学生从一些烦琐的常规计算中解放出来，从而使学生有更多精力专注于核心知识、技能的学习研究中去。

二、对两本国外《机械设计》经典教材的分析

他山之石，可以攻玉。现在结合两本国外机械类专业《机械设计》经典教材的特点，分析目前我国《机械设计》教材的不足，旨在对我国相关教材建设起到积极的促进作用。第一本是由德国D.穆斯等编著的《机械设计》教材（原书第16版，以下简称第一本教材）[5]，第二本是由美国罗伯特·诺顿编著的《机械设计》教材（原书第5版，以下简称第二本教材）[6]。这两本教材分别作为德国、美国的优秀经典教材，大致代表了21世纪以来国外《机械设计》教材的发展方向。

第一本教材的体系结构和内容大体和国内传统的《机械设计》教材相同，该书定位为既可以作为高等院校教材，又可用于工程实践，所以除配套专门的《机械设计习题集》外，还配套有《机械设计表格手册》，全面收录了机械设计课程教学内容所涉及的计算和设计所必需的数据、图表、标准摘要和设计经验，可以说覆盖了通用机械零部件设计的主要数据，手册结构紧凑、内容丰富、简明扼要、便于查阅。该教材紧密结合生产实际和行业发展最新情况，十分注重通用机械零部件的结构设计，并提供了大量全新的通用机械零部件的结构形式。

第二本教材的体系结构新颖，共分为2篇。第1篇为基础篇，主要围绕工程材料静动态力学性能，详细介绍了材料和工艺、应力应变和挠度、静态失效理论、疲劳失效理论和表面失效等，以及传统机械原理课程中的运动和受力分析以及有限元分析的基本方法等，所占篇幅约占全书的一半。第2篇为机械设计篇，除传统的通用机械零部件设计之外，还安排了系列设计案例研究，且将这些案例贯穿后续具体通用机械零部件设计的各章节。该书十分强调专业综合与设计能力的培养，将CAD/CAE等技术充分融入通用机械零部件设计计算的各环节。另外一个鲜明的特点就是课后习题设计独具匠心。全书886道习题中，有200道习题贯穿后续各章节，随着各教学章节的次第开展，同一主题的设计要求由易到难，把通用机械零部件设计问题的复杂性渐次展开，由简单到复杂，由单一到综合，非常符合学生的学习认知规律。

通过对上述两本国外优秀经典教材的分析可以发现，当下《机械设计》教材围绕培养学生解决复杂工程问题的能力，有以下发展趋势。

1.将通用机械零部件的设计分析与CAD/CAE技术深度融合

目前我们正处于工业化与信息化相互交织、深度融合的过渡期，如何将信息化技术深度融入课程教材，不同的《机械设计》课程教材给出了不同的回答。如第一本教材中，根据一些通用机械零部件的设计分析逻辑顺序，给出了零部件的设计计算框图，让学生据此自行编制相应的计算程序。而在第二本教材中，作者针对不同的机械零部件设计，应用SolidWorks，Mathcad，MATLAB，Excel等软件，全方位培养学生的建模、分析和计算能力，让学生既能充分体会机械设计过程的本质是一个逐步迭代、不断寻优的过程，也充分利用计算机手段，将学生从传统的、烦琐的、重复的单纯计算中解脱出来，进而培养学生在现代信息技术手段背景下解决工程实际问题的素养。比如，在轴的强度计算和设计中，通过引入奇异函数，加之计算机计算技术，可以很方便、准确地进行计算设计，把学生从受力分析、弯矩和扭矩图的计算分析等烦琐的计算中解放出来，既了解了轴的强度计算和设计的基本理论、基本方法，又进一步拓展到奇异函数法、CAE技术分析求解等方面，进一步培养学生利用现代信息技术手段解决工程实际问题的素养和能力。

2.进一步强调解决工程实际问题能力的培养

在《华盛顿协议》或中国工程教育认证标准中，有关毕业要求的第一条就是要求毕业生能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。这个要求如何具体落实在课程教材之中，也是需要我们深入思考的一个重要问题。比如，在我国传统的《机械设计》教材中，我们往往给出的是预先施加在机械零部件上的“载荷模型”，然后以此为基础教学生如何通过这些载荷按照相应的设计准则计算确定这些载荷所引起的应力和变形。且不说在实际的机械设计过程中，这些载荷除了外加载荷之外，往往还应该包括由于零部件自身的质量和运动加速度所引起的惯性力，而且这些“载荷模型”从何而来？他是面向工程实际的吗？实际上，这些“载荷模型”是已经简化的数学模型，它的前身应该来源于面向实际机器系统的物理模型，机械零部件设计中建立计算模型的次序应该是“工程实际对象—物理模型—数学模型（载荷模型）”。在第二本教材中，面向具体的机械零部件设计问题，首先要求学生在观察、分析甚至实验的基础上，对实际的工程设计问题的主要方面做出合理的简化与假设，从而建立物理模型，然后据此再进一步简化建立机械零部件设计计算所需要的数学模型，即“载荷模型”。这样的建模方法和过程才是真正面向工程实际问题，符合机械设计课程教学目标的。事实上，不但是第二本教材如此，许多美国版《机械设计》教材都是这样做的[7-8]。但我国传统的《机械设计》教材在这方面明显是一个弱项。

3.进一步强调采用系统集成的方法来培养学生的综合设计能力

教材凝结了教学目标、教学内容及教学模式。教材既是师生教学活动的基本依据，也是师生教学活动的对象和客体，它作为教学目标的物化形态并通过师生的教学活动来求得教学目标的实现[3]。机械设计课程主要讲授通用机械零部件的设计理论、设计方法，一门课程涉及十几类典型的通用机械零部件，这些通用机械零部件所履行的功能不同、所依据的设计计算方法各异，极易给初学者造成课程就是一个“食品拼盘”的错误印象。如何在这些看似分散、功能各异的通用机械零部件设计的背后发现工程设计的基本思想、基本方法，教材内容的构造和教学模式的选择在教材中间应有明确的体现。比如，在第一本教材中，作者从所设计的零部件必须满足规定功能的前提出发，从零部件材料的可选择性、设计的可靠性（包括应力分析和结构设计）以及零部件加工的可能性三方面入手，来开展教学内容的组织，以此培養学生的综合设计能力。而第二本教材则试图采用系列案例研究的方法，来实现递进培养学生综合设计能力的目标。这些系列案例给出同一设计问题的不同方面的目标要求，覆盖了课程所涉及的各类通用机械零部件的设计，以此为学习者提供整体工程设计的训练，且为后续的项目教学提供素材，以进一步巩固学生对课程中分析设计知识、技能和团队合作精神的培养。

4.进一步强调教材内容与新知识、新技术、新产品的融合

一本优秀的教材，其内容必须具有适用性、科学性、先进性。所谓适用性，就是教材必须与经济建设和社会发展相适应，与学生的知识基础和认知规律相适应，教材的深度广度同课程学习目标和专业人才培养目标相适应，同时要充分吸收现代学习理论的新成果，适应项目化学习、案例学习、模块化学习等不同学习方式的要求。所谓科学性，是指教材内容必须经过实践检验或者科学实验证明是正确的，不能把一些无定论、猜测性、主观臆想的内容引入教材。所谓先进性，就是教材要及时展现经济社会发展新成就和科技领域新成果，及时吸纳学科专业新理论，反映新知识、新技术、新工艺和新规范，实现教材内容成熟与创新的有机统一，使学生通过学习，体会到工程设计领域的综合性和创新性，同时也要为学生提供进一步自主学习的空间。比如，在第一本教材中，一方面，每章最后提供的参考文献、设计标准、专利等共有约400篇，且所引用的最新资料时间截至原文版教材出版的前一年;另一方面，还特别强调读者在使用该教材进行工程实践时，一定要有结合最新的和完整的德国标准和供货商提供的最新设计资料进行设计计算和选型的意识;而第二本教材在每章的最后，分别以参考文献、参考书目和网上资料的形式提供了共约380篇文献资料，且所引用的最新资料时间截至原文版教材出版的前两年。这些丰富翔实的资料为学生进行自主学习、研究性学习提供了广阔的空间。在这方面，我国传统的《机械设计》教材也存在需要进一步改进的空间。

5.注重课后习题的系统设计

习题是教材的重要组成部分，是学习过程中不可或缺的重要环节，是学生掌握知识、形成技能、培养运用知识解决工程实际问题能力的主要载体和有效工具。习题作为学生学习成果的具体体现，通过学生大量习题的演练和任课教师批改作业，可以部分回答引导工程教育改革理念的成果导向教育（OBE）所强调的：（1）我们想让学生取得的学习成果是什么？（2）我们为什么要让学生取得这样的学习成果？（3）我们如何有效地帮助学生取得这些学习成果？（4）我们如何知道学生已经取得了这些学习成果？同时，恰当的习题还有助于学生建立学习自信心，提高用专业语言进行表达和交流的能力，感受课程的严谨性和确定性，进而形成正确的工程设计思维和工程价值观。在这方面，第二本教材做了比较深入的研究探索，它基于以学习者为核心的建构主义学习理论，构建了一套比较科学的课后习题体系。比如，围绕拖车挂接装置的设计，习题3-4要求学生运用所学的运动与受力分析方法，对拖车挂接装置进行静态受力分析;习题4-4要求学生基于习题3-4的计算结果进行挂接装置的应力分析;习题5-4则要求学生用习题4-4计算得到的应力进一步计算静态安全系数;习题6-4则进一步要求学生结合本章学习的疲劳失效理论对同一挂接装置进行疲劳失效分析;习题7-4则要求学生对该挂接装置进行接触应力分析;而在第八章，作为案例研究内容，对该挂接装置进行了有限元分析。这样的习题设计与安排，通过不断引入新的设计要求，将工程设计问题的复杂性梯次展开，接续培养和检验学生解决工程问题的能力。对照这样的课后习题设计思想，无须讳言，近年来我国机械设计课程与教材的建设和改革，还缺乏基于OBE教育理念对教材习题的系统设计和深入研究，而且由于多方面的原因，布置学生演练的习题量较少，导致学生得不到全方位递进的、严格规范的、艰苦的基本技能和创新思维的训练。

三、结束语

机械设计课程作为机械类专业的一门技术基础课，在机械类专业的课程体系中起着承前启后的重要作用。对于未来机械设计课程的教材建设，我们应围绕新工科建设的新要求和培养适应未来社会和产业发展需要的多元化、创新性卓越工程人才的目标，要进一步创新和吸收先进教育教学理念，广泛吸收当下先进学习理论和学科、专业以及行业发展的新知识、新技术、新工藝和新规范，基于培养学生面向解决复杂工程问题能力进一步优化教材结构体系和内容，进一步与工程实际和现代信息技术相融合，真正打造出一批“中国特色，世界水平”的优秀的《机械设计》教材。

参考文献：

[1]钟登华. 新工科建设的内涵与行动[J]. 高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]李培根. 工科何以为新？[J]. 高等工程教育研究，2017（4）：1-4，15.

[3]曾天山. 论教材在教学中的地位与功能[J]. 现代中小学教育，1995（5）：25-27.

[4]教育部高等学校机械基础课程教学指导分委员会.高等学校机械基础系列课程现状调查分析报告暨机械基础系列课程教学基本要求[M].北京：高等教育出版社，2012.

[5]穆斯，等.机械设计：第16版[M].孔建益，译. 北京：机械工业出版社，2011.

[6]诺顿.机械设计：第5版[M].黄平，等译. 北京：机械工业出版社，2015.

[7]希格利，米施克.机械工程设计：第6版[M].北京：机械工业出版社，2008.

[8]莫特.机械设计中的机械零件：第3版[M].北京：机械工业出版社，2004.

武宝林，天津工业大学机械工程学院教授。