三位一体培养模式在“机械设计”课程教学中的探索实践*

王智森 ，肖 扬

（景德镇学院机械电子工程学院，江西 景德镇 333400）

0 引言

在“工业4.0”“中国制造2025”的时代背景下，应用型本科院校承担为地方经济培养工程技术人才的使命。“机械设计”课程作为工程领域一门专业核心课，内容涵盖常用机械零部件的结构原理、失效形式及设计准则等知识点，在机械设计制造及其自动化专业学生的专业课程体系中起着承上启下的作用[1]。针对本课程的学习，学生首先需要打好“机械制图”“机械原理”“理论力学”及“材料力学”等先修专业课程的基础，然后结合课程教学中机械零件强度、连接设计、传动设计及轴系零部件设计等各个模块的内容锻炼创新思维，并顺利完成后续“机械制造技术基础”“数控技术”及“机械制造工艺学”等专业课程的学习并完成本专业的毕业设计。因此，本课程的教学质量对毕业生能否快速进入工程师角色至关重要。目前，国内外高校已经将大学生工程实践能力锻炼融入“机械设计”课程，探索以项目教学、学科竞赛相结合的形式来培养学生[2]。

近年来涌现的新工科、新兴产业及新型经济等热点领域，对机械设计制造及其自动化等工科专业毕业生的工程实践能力和创新思维均提出了更高的要求。国外高校如美国的加州理工学院针对“机械设计”开设实验创新课并提出项目模块化教学理念及方法，包括结构设计与虚拟仿真加工等，组织本科学生针对性地开展科研训练，同时每年举办机器人竞赛，达到以赛促学的目的[3]。国内许多高校如清华大学、北京交通大学等积极探索让学生参与各类科技竞赛，如全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生机器人大赛、大学生“挑战杯”等，激活了实践教学环节。其中，北京交通大学机械工程及自动化专业采用教师带领本科生参与科研项目，提供场地与经费组建车队参加本田Honda 中国节能竞技大赛等模式，提高学生的学习兴趣、动手实践和创新能力，取得了显著效果，为地方性应用型本科院校提供了参考。

从当前“机械设计”课程教学实践来看，仍然以教师讲授为中心，不可避免地将学生的“学”与“用”两个重要的学习阶段人为分离，造成对理论知识的实践巩固产生滞后效应，学生学习效果大打折扣。基于前期实践积累成果，提出将“本科生开展科研训练+项目驱动+竞赛促学”三位一体培养模式融入“机械设计”课程教学中，贯穿全项目、全时域、全过程，挖掘学生创造潜能，培养学生解决实际工程问题的能力。

1 优化教学内容

1.1 研究制订课程理实融合教学大纲

景德镇学院机械电子工程学院机械设计制造及其自动化专业“机械设计”课程的探索实践以《国家中长期教育改革和发展规划纲要》《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》及《景德镇学院“十四五”发展规划纲要（修订稿）》等文件精神为指导，基于构建“本科生开展科研训练+项目驱动+竞赛促学”三位一体培养模式，按照“卓越工程师教育培养计划”的改革目标，服务于地方经济发展，培养出具有创新能力的工程实践人才。根据机械电子工程学院机械设计制造及其自动化专业的特点，参考本学院与景德镇北汽昌河汽车股份有限公司共建的“北汽昌河汽车学院”以及与北京通航江西直升机有限公司共建的“北京通航江西直升机学院”，不断加强校企合作、产教融合、协同育人，实现更高水平的理论教学与工程实践融合培养。“机械设计”课程的精髓在于过程与应用，结合地方性应用型本科院校办学特色，制订本课程理实融合教学大纲尤为重要。

基于本校的实际发展阶段，对课程教学内容进行全面探索设计，制订课程教学大纲，促进学生在理论知识、创新思维、工匠精神等维度的融合学习[4]。如图1 所示，“机械设计”课程探索实践过程主要分为教学内容、教学方式、实践体系及评价体系等方面。具体实施为打破传统章节式教学思路，实施项目模块化教学，优化教学内容，在本课程内容设计教学环节，将各章节内容与顺序重新科学整合成4 个模块化项目，量化学生在联接件设计、传动装置设计、轴系零部件设计、箱体类零部件设计4 个模块化项目学习过程中应完成的设计任务，清晰各个设计阶段设计要点[5]。结合最新技术与工程案，例如近年来工程机械行业的迅猛发展，引入多元化教学手段，如分享观看《大国工匠》《动力澎湃》及《大国重器》等节目的感受，以学生为主体分组实施，引导学生主动思考，切实提高课堂教学效果。组织学生自主参加全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛等，引导学生主动进行相关资料的收集与设计工作，培养锻炼学生学术检索的能力，对未自选题目的学生，由教师提供本专业相关课题，将科研与教学结合，用科研的氛围激发学生的学习兴趣。

图1 “机械设计”课程探索实践思路

1.2 激活课程实践教学项目

对现有文献资料进行消化、吸收和再创新，以景德镇学院机械电子工程学院机械设计制造及其自动化专业大二、大三学生为研究对象，采用问卷调查、访谈及腾讯会议等形式调研学生的学习特征，开展学生学习特征科学分析，了解学生学习的状态，构建学生学习的数据库，完善学生学习的需求。本学院本专业现有的硬件设施有机械设计综合创新实验室1 间，包括16 台机构创意组合设备、8 套机械传动效率组合实验台；减速拆装实验室1 间，包括4 类减速箱缩比实验模型；大学生机械创新设计大赛工作室1 间；3D打印室1 间，包括8 台智能型3D 打印机，这些硬件设施为激活本课程的实践教学项目提供了良好的科研场所及实践装备。

在“机械设计”课程教学中，基于理实融合教学大纲，通过激活实践教学项目，充分调动学生的主观能动性，促进学生在学习中实践、在实践中学习[6]。由于本课程总学时为64学时，其中理论部分48 学时，实验实践部分16 学时，传统章节式教学内容繁杂且知识点分散，导致课程理论讲授时间非常有限，容易出现教师追赶教学进度造成学生学习效果大打折扣的情况。实验实践部分内容是“机械设计”课程教学必不可少的一个环节，传统的实验教学由于实验设备等条件的制约，实验项目过时老旧、内容单一，主要偏向认知验证性，综合创新性欠缺，难免出现学生在实验实践课程中后期思维固化的现象，只是为了完成学分而学习，这样就很难激活学生的动手操作热情及实践创新思维[7]。根据现有的实验装备，借助机械设计综合创新实验室、大学生机械创新设计大赛工作室及3D 打印室，依托MSMEXJ-1 型机械系统创意组合实验台、MSMECX-1 型平面机构运动组合拼接实验台以及1902001S 型减速箱拆装实验台等平台在经典实验项目基础上深度开发，融入模块化项目、科研训练项目及竞赛项目。基于这些平台，学生可以将自己的可行性设计想法实现为实物模型，培养学生学习兴趣，提高学生将所学知识应用于工程实践的能力，逐步探索实践并完善课程教学大纲，提高课程实验实践学时比重。

2 改革教学方法

2.1 实施“本科生开展科研训练+项目驱动+竞赛促学”三位一体培养模式

采取分组合作学习模式，学生相互交流探究讨论。强化“机械设计”课程管理与质量监控运行机制，学生逆向提问，碰撞思想火花。组织本科生开展科研训练，参与教师科研课题，通过动手操作实践，扩充新视野，锻炼新思维，为学生提供一个考研升学的科研实践平台。鼓励学生将课程理论知识学以致用，融会贯通，让学生真真切切感受到学习的快乐，实现从被动学习到主动钻研的精神面貌转变，特别是对于大三准备考研的学生来说，提前进入科研训练，形成一个过渡期，有利于学生的后续可持续发展[8-10]。成立机械创新设计兴趣小组，以全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛为载体，对学生竞赛全过程进行理实融合教学研究。

将“本科生开展科研训练+项目驱动+竞赛促学”三位一体培养模式与“机械设计”课程教学的特点真正结合起来，即将课程内容设计成联接件设计、传动装置设计、轴系零部件设计、箱体类零部件设计4 个模块化项目，形成工程设计理念主线分段实施。根据机械设计制造及其自动化专业班级学生人数情况，按照1 组4～6 人合理组织学生成立项目学习团队，根据4 个模块化项目整合课程知识点内容，分类消化各个项目重难点，通过实验实践部分来巩固、训练及融会贯通所学理论知识，为小学期“机械设计”课程设计及后续的毕业设计项目打下坚实的基础。机械组合传动效率测量创意实验如图2所示。

图2 机械组合传动效率测量创意实验

2.2 建设“双师双能型”青年教师队伍

为了推动景德镇学院机械电子工程学院机械设计制造及其自动化专业课程探索实践，加强“双师双能型”青年教师队伍建设，需要培养既有较高理论教学水平又有熟练操作技能的“双师双能型”青年教师，更好地实现应用型人才培养目标。组织青年教师进入校企合作单位锻炼提高实操水平，同时根据每个小学期实践课程情况定期邀请高级工程师等技术人员作为技术指导，全面提升青年教师的实践教学能力。景德镇学院对专业课程教学改革建设非常重视，通过制定一系列有关规章文件和奖励措施包括《景德镇学院教师教学工作量计算及奖励办法（修订稿）》及《景德镇学院科研工作量计算办法（试行）》等，为培养“双师双能型”青年教师做好硬件支撑。

在地方性应用型本科院校的转型过程中，教师是学生的引路人，课程任课教师的转型显得尤为重要，急需大力培养更多的“双师双能型”青年教师。“机械设计”课程的教学对“双师双能型”教师的要求更高，在各个模块化项目的实施环节必须具备扎实的理论知识及实践经验，通过采取“本科生开展科研训练+项目驱动+竞赛促学”三位一体培养模式，切实提高课程教学效果。培养“双师双能型”青年教师的途径多种多样，例如，组织青年教师参加教学技能基本功比赛，在比赛中打磨，在比赛中成长，在比赛中突破；积极鼓励青年教师带领学生参加全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛等专业竞赛，激发青年教师的工作热情与昂扬斗志，培养学生的创新思维与工程实践能力。经过几年的探索实践积累成果，景德镇学院机械电子工程学院近年来通过考核认定的“双师双能型”青年教师数量逐年攀升，形成了你追我赶、争当先进的良好氛围。

3 结语

为了适应地方性应用型本科院校毕业生人才培养，面向“机械设计”课程教学实际，深入剖析探索实践过程中的痛点，融合理实教学特征，提出“本科生开展科研训练+项目驱动+竞赛促学”三位一体培养模式。基于该培养模式的实施、应用及推广，经过近几年“机械设计”课程教学摸索，学生本课程的学期综合平均成绩、学生考研升学率、学科专业竞赛获奖数每届均逐步提升，其中，以2022 年江西省大学生机械创新设计大赛获奖数目为例，取得二等奖1 项、三等奖3 项的佳绩，实现本校该项竞赛的历史突破。未来本课程探索实践过程中，教学团队将继续立足前期积累，不断扩充课程资源库，做优理论教学，做精实验实践，为培养学生的工程实践能力贡献智慧。