新工科背景下机械类课程设计实践教学“四能力”培养模式构建

李 贵，王兴东，邹光明，刘怀广

（武汉科技大学a.机械国家级实验教学示范中心；b.机械自动化学院，武汉 430081）

0 引言

机械类专业的实践课程设计主要包括机械原理、机械设计和专业课程设计等，使学生能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的机械系统，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑多种非技术因素，为培养学生解决复杂工程问题的能力形成有效支撑。通过课程设计，可使学生较全面地应用工程知识解决复杂工程问题，独立完成一项机械传动装置或设备的设计任务。如机械原理课程的“飞剪机构设计”、机械设计课程的“传动装置齿轮减速器设计”、专业课程的“起重机设计”等均是复杂的工程系统。

随着“中国制造2025”“人工智能2.0”“一带一路战略”以及“互联网+”与传统制造业全面融合，需要更多和更新型工科制造人才的支撑，迫切需要创新工程教育理念，发展新工科教育［1］。通过工程教育专业认证，改革工程专业教育的人才培养模式，对传统工科专业的升级改造，实施个性化一专多能复合型人才的培养，这些都离不开新工科的机械类［2］。而课程设计实践教学改革是机械类专业新工科建设的一个重要突破口，可以成为新工科建设试验田，通过传统制造业和现代先进技术跨界融合式发展，实质性推进知识与能力并重的一专多能的复合型创新人才培养进程。

那么，在实施课程设计实践教学的新工科建设过程中，通过课堂教学、现场指导与自主学习相结合，除了进一步巩固和强化课程设计的工程知识、设计计算，同时还融合数字化、可视化和智能化设计技术，使学生能够对复杂工程设计全周期、全流程的基本方法和步骤了解并逐渐掌握，了解影响设计目标和技术方案的各种实践因素，并运用现代工具和科学方法对多种创新设计方案进行比较和综合。通过实施课程设计的新工科建设，在解决课程设计复杂工程问题的全流程中培养学生的工程能力、实践能力、创新能力和自主学习能力，为学生进入工程实践工作夯实基础。

1 课程设计实践教学现状与发展趋势

机械类专业的课程设计包括基于理论课程的课程设计和基于专业培养方向的课程设计，基本分布在大三至大四学年的各个学期，并与最后的毕业设计相衔接，是实践教学体系的重要组成部分。当前的课程设计实践教学的现状归纳起来主要有以下几方面：

（1）机械类课程设计实践教学普遍都只注重对于理论课程知识的学习，对于实际机械装备或机器的结构、尺寸和装配工艺认识不深入，缺乏与工程知识的结合和对复杂工程设计方案的创新设计，使得工程能力得不到提高。

（2）课程设计题目及任务单一，设计过程完全规范化甚至模板化，导致课程设计的结果千篇一律，虽然可以培养学生课程设计的理论计算能力。但解决复杂工程问题的实践能力得不到提高，难以体现学生的个性化和差异化的设计理念。

（3）课程设计学时分布不合理，设计学时紧张，一般设计周期都是固定的2～3 周时间，每个学生独立完成设计计算，尺笔绘图和撰写设计说明书。只能是按流程完成上述内容，没有多余的时间留给学生进行自主学习，自主探索并进行方案的创新设计，限制了学生的创新思维发挥，抑制了自主学习能力和创新能力的培养。

（4）课程设计依旧突出传统课程设计的手工计算、尺笔绘图等，并没有强化培养学生利用现代工具解决复杂工程问题的能力，难以满足数字化、信息化和智能化技术时代机械制造企业对复合型创新人才的需求。

（5）在课程设计过程中，方案设计相关联的非技术因素考虑的极少，包括社会、健康、安全、法律文化、环境、经济以及项目管理等方面的制约因素。缺乏能够根据设计任务分析工程问题的实施背景，不能针对性应用相关知识评价这些因素对设计方案的影响。

针对上述问题，早期研究主要集中在实践课程教学体系的建设、课程设计的内容及其教学方法等［3-8］。而过渡到根据新工科建设和工程教育专业认证要求对机械类专业的课程设计进行了相对比较全面的改革探索，提出了很多具有普适性的方案。主要是将先进的设计方法、技术和工具引入课程设计中［9-13］。还有一些学者，将课程设计与工程项目、学科竞赛等结合来改变传统课程设计任务单一的问题［14-16］。更重要的是希望通过课程设计能够培养学生的创新理念、创新思维、创新能力以及能够综合运用工程知识解决复杂工程问题的能力［17-21］。

因此，课程设计实践环节对于培养学生的工程能力、实践能力、创新能力和自主学习能力具有重要作用。机械类专业的教育教学改革必须与制造业的转型升级深度融合，遵循新工科的发展方向和需求，以市场和企业需求为导向，推进产教融合，突出专业特色，培养更多的工程实践能力强的个性化创新型人才。

2 课程设计实践教学四能力培养模式构建

机械类课程设计实践教学工程能力、实践能力、创新能力和自主学习能力（简称四能力）培养模式如图1所示。主要从机械类课程设计实践教学内容的优化设计、实践教学方法等方面进行综合改革，提出通过解决课程设计的复杂工程问题，面向以个性化培养学生的工程能力、实践能力、创新能力和自主学习能力的实践教学方法。

图1 课程设计实践教学四能力培养模式

（1）对机械类课程设计的教学内容进行丰富和优化，首先从工程专业教育认证要求对课程设计任务中的复杂工程问题内容进行具体化设计，丰富选题范围、突出专业冶金特色，并结合专业特色与个人兴趣扩展至自主选题。改革课程设计的教学内容，以面向工程设计和产品开发全周期、全流程设计/开发解决方案为核心，在实践过程中以培养工程能力，实践能力和创新能力为导向，突出方案的创新设计和优化设计。

（2）对机械类课程设计的教学方法进行改革，着重探索提高学生自主学习能力、创新设计能力和团队协作能力的培养途径和方法。改变传统的多人同一设计任务的单独设计的教学方法，实施多人组团，一团一题多方案优化设计的教学方法。首先通过团队成员的自主大胆创新设计得到多种设计方案，团队协作对多方案进行研讨、论证、比较与综合后确定最佳设计方案，团队成员合力完成最佳方案的优化设计。以提高课程设计广度和深度，促进学生个性化人才培养及解决复杂工程问题能力和创新能力的达成。

3 突出四能力培养的教学内容优化设计

合理地选择课程设计任务十分重要，以机械设计课程设计为例说明丰富选题和突出创新性的实践举措。机械设计课程设计一直以传统的适用于冶金矿山机械的普通减速器作为设计题目，虽然是适用于冶金矿山传输设备，但是与普通的减速器设计并没有较大区别，无法体现专业冶金特色。设计题目和任务单一，理论和实际联系不够紧密，学生的创新设计能力和思维得不到有效的发挥。而且与减速器设计相关的参考资料非常丰富，在图书馆、网络上可以找到许多相关资料，只要按照资料上的步骤按部就班地做，就能顺利完成课程设计任务，其计算内容也大多完全一致，而且所绘制的方案图纸也完全参考设计教材，基本上无创新性设计。这种传统的课程设计重点在于培养学生的计算能力和尺笔绘图能力，并没有涉及解决复杂的工程问题，这不能满足当前工程教育认证和新工科建设的要求。相应地在解决复杂工程问题所需要的工程能力、实践能力、创新能力和自主学习能力得不到提高。

通过丰富机械设计课程设计选题及任务（见图2），突出专业的冶金特色，紧密联系冶金装备的工程实际，即冶金行业的高温、高速、重载的工作环境。由此，在传统课程设计任务的基础上，引入机械相关领域的传动装置设计任务，如冶金设备中的转炉倾动机构驱动装置、烧结机驱动装置等冶金工程装备的复杂工程设计问题。同时，与机械类学科竞赛实现无缝对接，将历年的各类机械学科竞赛选题也纳入课程设计中。此外，还可以引导学生进行自主创新选题，进一步丰富选题类型及设计任务。如此，学生可以在多任务之间根据个人的兴趣进行差异化选题，实现多任务个性化设计，而且不提供参考模板，完全由学生自主创新设计。因此，通过丰富课程设计选题范围，优化课程设计内容，将课程设计与专业冶金特色和工程实际相结合，突出方案的创新设计，提高学习兴趣和效果，促进学生四能力培养目标的达成。

图2 丰富机械类课程设计选题及任务

4 多成员团队协同自主创新设计实践教学方法

在基于多任务选题的前提下，突出学生解决复杂冶金装备设计任务相关问题能力培养的基础上，提出一种基于团队创新设计的“分享式”实践教学方法，如图3 所示。该教学方法充分利用学生的团队合作设计能力，分组开展课程设计，小组成员自主确定设计目标。基于设计性能、创新性、经济等方面确定各自的设计目标。在此目标的基础上，各团队成员自主通过资料检索查阅，企业调研等方法确定各自的创新设计方案，并对比和分析所设计方案对环境、社会、法律等方面的影响，形成方案设计可行性分析及设计报告。针对团队成员提出的多种设计方案，基于确定的设计目标来比较综合各设计方案的优缺点，并综合各方面的因素，共同确定最终的创新设计方案。团队成员间再次协作，完成优化设计方案计算、分析、图纸绘制及撰写说明书等。所完成的成果也不局限于说明书和图纸，可以多样化。另外，课程设计还可将机械类创新设计竞赛纳入课程设计任务中同步实施。

图3 多成员团队协同自主创新设计实践教学方法

该教学方法同时还改革教学过程，将课程设计任务与所对应的理论课同步实施，如机械设计课程设计任务在机械设计理论课开课前布置到位，明确课程设计的基本目标、创新设计要求和评价标准。使学生带着设计任务学习，与理论课学习保持同步，加大课程设计的周期，使学生有足够多的时间进行调研、查阅文献来支撑方案的自主创新设计。并在正常教学规定的集中时间、固定地点进行设计成果的展示与汇报。一方面可以激励其他学生上进，激励被展示学生再接再厉；另一方面，可以起启发作用，为其他学生提供创新思路，是一种全员参与的“分享式”课程设计过程。

5 结语

以解决课程设计的复杂工程实践问题为切入点，结合冶金机械装备的核心前沿技术，将课程设计与专业特色及学科竞赛等相结合，丰富了课程设计选题及教学内容，允许学生自主选题，突出了个性化人才的培养，提高了学习兴趣与创新设计效果。提出了多成员团队协同自主创新设计实践教学方法，由团队自主确定设计目标，进行多方案创新设计，并将课程设计与理论课程同步实施，加大课程设计的调研、查阅文献等周期。因此，可以探索通过优化和丰富课程设计实践教学内容，改革课程设计实践教学方法等来实现在新时代、新工科和工程教育认证背景下个性化培养学生四能力的新途径。