羅曉蘭 陳建義 張仕民

【摘要】OBE是一種導(dǎo)向教育或需求教育的教育理念，它對(duì)指導(dǎo)目前的“新工科”教育具有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。以工科院校必修的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程為平臺(tái)，通過融合工程設(shè)計(jì)所涉及的各門學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，以工程項(xiàng)目或真實(shí)科研項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，拓寬學(xué)生工程設(shè)計(jì)所必需的的知識(shí)面;以建立工程設(shè)計(jì)模型為主線，推出工程設(shè)計(jì)一般思路和方法，并利用多媒體等多種手段，通過簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)外推至復(fù)雜工程問題和設(shè)計(jì)類比法等措施，培養(yǎng)學(xué)生未來工作所需的工程設(shè)計(jì)思路和工程設(shè)計(jì)思維，以滿足新形勢(shì)下的機(jī)械設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)要求。

【關(guān)鍵詞】OBE?機(jī)械設(shè)計(jì)課程?專業(yè)認(rèn)證?教學(xué)方法

OBE（Outcome based education）是由Spady等在1981年提出的一種導(dǎo)向教育或需求教育的教育理念。這種教育理念很好地與《華盛頓協(xié)議》中“工程教育認(rèn)證”標(biāo)準(zhǔn)相契合，因此，OBE教育理念對(duì)工程教育具有綱領(lǐng)性的指導(dǎo)意義。

當(dāng)前，以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，以“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國(guó)制造2025”等國(guó)家戰(zhàn)略的正式實(shí)施，使得我國(guó)高等工程教育迎來了難得的發(fā)展時(shí)機(jī)且也面臨著各種挑戰(zhàn)?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)”課程是培養(yǎng)機(jī)械工程類專業(yè)學(xué)生通用機(jī)械設(shè)計(jì)能力的主干技術(shù)基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)專業(yè)課程和從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必備基礎(chǔ)，是與工程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造和機(jī)械自動(dòng)化等多門學(xué)科關(guān)聯(lián)的綜合性課程。但是，目前的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中還存在很多問題，特別是在蓬勃發(fā)展的新技術(shù)到來之時(shí)，需要學(xué)習(xí)的新知識(shí)、新科目繁多，造成“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)學(xué)時(shí)減少;而且學(xué)生在接觸“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程之前，對(duì)“機(jī)械”“機(jī)構(gòu)”“傳動(dòng)”等概念非常陌生，使得學(xué)生對(duì)“機(jī)械”或“機(jī)構(gòu)”的運(yùn)動(dòng)分析難以理解;同時(shí)，欠缺的工程意識(shí)和工程思維，使得第一次接觸繁雜的設(shè)計(jì)公式和眾多的設(shè)計(jì)圖表感到束手無策，等等。這些問題都為“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)質(zhì)量帶來了挑戰(zhàn)。為此，開展基于OBE的以工作需求為導(dǎo)向的“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)方法研究，達(dá)到滿足“工程教育認(rèn)證”標(biāo)準(zhǔn)的人才培養(yǎng)要求具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

一、打破學(xué)科界限，融合工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

“機(jī)械設(shè)計(jì)”肩負(fù)著為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和促進(jìn)技術(shù)改造的重任。深海水下石油開采所用的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、新材料新裝備的高端制造機(jī)床的設(shè)計(jì)制造等高科技產(chǎn)品，無一能離開機(jī)械設(shè)計(jì)。由此可見，在新形勢(shì)、新工科培養(yǎng)中，“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程仍然具有非常重要的地位。然而，“機(jī)械設(shè)計(jì)”又不是一門獨(dú)立的課程，它與“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“機(jī)械制造”“公差配合”“工程材料”等諸學(xué)科有著密切的聯(lián)系。因此，要培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力，首先培養(yǎng)學(xué)生工程思維和工程意識(shí)，建立能夠通過設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)圖表完成滿足傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的工程設(shè)計(jì)能力。為此，必須在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中，打破學(xué)科界限，一方面，補(bǔ)充工程材料相關(guān)知識(shí)，特別是新標(biāo)準(zhǔn)下工程材料知識(shí);另一方面，將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與“材料力學(xué)”“公差配合”等知識(shí)緊密融合，并強(qiáng)調(diào)工程制造在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性，突出設(shè)計(jì)無止境，設(shè)計(jì)無標(biāo)準(zhǔn)答案的工程思維。

由此，“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)可以通過工程案例或真實(shí)的科研項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，通過學(xué)生小組討論、老師指導(dǎo)形成設(shè)計(jì)圖紙或設(shè)計(jì)報(bào)告;或老師重點(diǎn)、難點(diǎn)講解，利用舉一反三的方式，培養(yǎng)學(xué)生通過設(shè)計(jì)條件進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力。比如，在講解齒輪設(shè)計(jì)時(shí)，引入科研項(xiàng)目“水下連接器”中的二次鎖緊螺栓的擰緊問題為驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“錐齒輪”工程應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)方法。這種教學(xué)方式，一方面，將課本知識(shí)與科研項(xiàng)目緊密結(jié)合，使學(xué)生有目的的學(xué)習(xí)課程知識(shí)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情;另一方面，可以拓寬學(xué)生的視野，形成創(chuàng)新的思維，并在“錐齒輪”的設(shè)計(jì)中，完成根據(jù)設(shè)計(jì)條件，正確選擇材料、熱處理方式的訓(xùn)練，培養(yǎng)合理應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)圖表的能力，為實(shí)現(xiàn)OBE倡導(dǎo)的以工作需求為導(dǎo)向的工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

二、構(gòu)建設(shè)計(jì)模型，培養(yǎng)通用工程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路

課程教學(xué)的終極目標(biāo)就是授人以魚不如授人以漁。面對(duì)具體的設(shè)計(jì)條件，眾多的設(shè)計(jì)公式和繁雜的設(shè)計(jì)圖表，應(yīng)該如何進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，如何應(yīng)用相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)公式，選取合適且合理的設(shè)計(jì)參數(shù)和圖表，是培養(yǎng)學(xué)生具備相關(guān)工程設(shè)計(jì)能力的關(guān)鍵，也是于OBE倡導(dǎo)的教育理念。因此，在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程這個(gè)教學(xué)平臺(tái)上，在每一機(jī)構(gòu)或零部件設(shè)計(jì)理論學(xué)習(xí)過程中，采用從機(jī)構(gòu)或零部件的失效個(gè)性分析中教會(huì)學(xué)生提煉其失效的共性問題，從而對(duì)應(yīng)找到合理的設(shè)計(jì)規(guī)范的教學(xué)方法，為學(xué)生提供工程設(shè)計(jì)的通用思路和解決問題的方法。比如，在理解“強(qiáng)度和剛度”的基本概念的前提下，通過羅列齒輪傳動(dòng)過程中可能出現(xiàn)的主要失效形式，以及失效形式與工作條件之間的關(guān)系。分析、總結(jié)出齒輪傳動(dòng)發(fā)生的各種失效形式本質(zhì)上就是“材料力學(xué)”中的“強(qiáng)度破壞”形式，由此推出齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)該是“強(qiáng)度設(shè)計(jì)”準(zhǔn)則。并在齒輪傳動(dòng)是發(fā)生“強(qiáng)度破壞”這個(gè)原則下，講解常用齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)該采用的材料及熱處理方法，最后再結(jié)合齒輪傳動(dòng)的受力分析，得到齒輪設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)公式，明確設(shè)計(jì)公式中參數(shù)的合理選取方法。這是一種以工程設(shè)計(jì)模型為主線，推出工程設(shè)計(jì)一般思路和方法的教學(xué)方法。這種教學(xué)理念，不僅讓學(xué)生學(xué)會(huì)了具體機(jī)構(gòu)或部件的設(shè)計(jì)方法，而且讓學(xué)生知道了為什么采用這種設(shè)計(jì)方法的原因，以及如何正確合理選擇材料、設(shè)計(jì)參數(shù)的方法。并通過課程教學(xué)中的“舉一反三”的強(qiáng)化訓(xùn)練，真正學(xué)會(huì)工程設(shè)計(jì)中分析問題的方法，切實(shí)掌握通過機(jī)構(gòu)或零部件工作條件獲取設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)公式的工程設(shè)計(jì)思路，為工作后面臨的各類工程設(shè)計(jì)問題提供解決問題的思路和方法。

三、突出工程意識(shí)，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)思維

工程技術(shù)問題是綜合的、復(fù)雜的，往往涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科，同時(shí)還要考慮諸如經(jīng)濟(jì)的，管理的，法律法規(guī)等非技術(shù)方面的因素。現(xiàn)代工程的這些特點(diǎn)，使得工程教育必須著力加強(qiáng)對(duì)學(xué)生工程意識(shí)、工程思維能力的培養(yǎng)以及工程實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程這個(gè)教學(xué)平臺(tái)就能夠很好的展示培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)思維的功能。

首先，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常采用由簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法向復(fù)雜的相似的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法推廣的設(shè)計(jì)思路。比如，由直齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì)方法，推廣應(yīng)用于解決斜齒輪，錐齒輪和蝸桿蝸輪的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，這種推廣不是簡(jiǎn)單的應(yīng)用，而是建立當(dāng)量的直齒圓柱齒輪模型，進(jìn)行有條件的轉(zhuǎn)化。將復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)計(jì)算，化繁為簡(jiǎn)。一方面，解決難以完成的設(shè)計(jì)計(jì)算;另一方面，提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)還能滿足工程實(shí)踐的要求。這種設(shè)計(jì)思路的講解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也迫使學(xué)生開動(dòng)腦筋，在融合相關(guān)學(xué)科知識(shí)的前提下，獲得解決問題的快感。

其次，可以通過講解類比的設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)思維。比如，螺栓組設(shè)計(jì)時(shí)，通過單個(gè)螺栓聯(lián)接時(shí)的受力分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，通過進(jìn)行條件假設(shè)，進(jìn)而類比獲得螺栓組的設(shè)計(jì)方法。并通過分析這些假設(shè)條件，得出為滿足假設(shè)條件，工程安裝等要求的螺栓組聯(lián)接正確結(jié)構(gòu)、正確的安裝及操作步驟，等等。這種類比的工程設(shè)計(jì)思路，為學(xué)生在今后的工作和科研中解決復(fù)雜工程問題，提供了一種新的思路。

最后，在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程學(xué)習(xí)中，應(yīng)始終強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)必須與制造、安裝、維護(hù)緊密結(jié)合，必須考慮經(jīng)濟(jì)的、管理的、法律法規(guī)等非技術(shù)方面因素的工程設(shè)計(jì)思維。應(yīng)始終強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)必須細(xì)心、不畏繁瑣和重復(fù)，且牢記設(shè)計(jì)無小事，設(shè)計(jì)結(jié)果無標(biāo)準(zhǔn)答案的工程設(shè)計(jì)理念，為“新工科”下人才的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

四、應(yīng)用多媒體等教學(xué)手段，強(qiáng)化解決復(fù)雜工程問題的能力

“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程內(nèi)容中包含大量的設(shè)計(jì)公式、眾多的設(shè)計(jì)圖表，以及具有設(shè)計(jì)的機(jī)械或機(jī)構(gòu)具有各種運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)方向的特點(diǎn)。這些問題如果僅是通過教師的語言描述和板書的講解，則難以表達(dá)準(zhǔn)確并使學(xué)生聽懂。為此，將“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程重點(diǎn)內(nèi)容與快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等多媒體技術(shù)結(jié)合，形成具有補(bǔ)充作用的多媒體教學(xué)方式。

第一，可以通過多媒體動(dòng)畫，演示復(fù)雜機(jī)械和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)型式，清晰、直觀地展示出機(jī)械或機(jī)構(gòu)的各種運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)方向的特點(diǎn)。比如，用多媒體動(dòng)畫展示“凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)”和“齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)”，使兩種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)方向一目了然。并在此基礎(chǔ)上，說明兩種機(jī)構(gòu)的不同運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，使學(xué)生直觀地理解兩種機(jī)構(gòu)的用途及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并以動(dòng)畫的直觀性讓知識(shí)點(diǎn)在學(xué)生頭腦中形成影像，也強(qiáng)化了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，同時(shí)加強(qiáng)了課程教學(xué)的趣味性。

第二，可以利用多媒體準(zhǔn)確地展示大量的設(shè)計(jì)公式和眾多的設(shè)計(jì)圖表。一方面，節(jié)約板書或繪制重要設(shè)計(jì)公式及圖表的時(shí)間;另一方面，可以通過多媒體制作，教會(huì)學(xué)生查找相關(guān)圖表的方法，使學(xué)生準(zhǔn)確理解公式或圖表中各參數(shù)的物理意義，并掌握繁雜的設(shè)計(jì)公式和設(shè)計(jì)圖表使用方法。

最后，可以利用多媒體軟件建立良好的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺(tái)，將完整的課程教學(xué)基本要求、授課教案、習(xí)題集、試題集等基本信息公布在網(wǎng)上，使學(xué)生明確教學(xué)目的和學(xué)習(xí)要求。同時(shí)，通過網(wǎng)上答疑、網(wǎng)上討論等師生互動(dòng)，節(jié)約課堂教學(xué)時(shí)間，將“教與學(xué)”同步進(jìn)行，極大地體現(xiàn)出以學(xué)生為主的教學(xué)理念。加強(qiáng)師生和同學(xué)之間的溝通，使“機(jī)械設(shè)計(jì)”教學(xué)取得更為理想的教學(xué)效果，為培養(yǎng)學(xué)生獲得解決復(fù)雜工程問題的能力提供有效地幫助。

五、結(jié)束語

“機(jī)械設(shè)計(jì)”是高等工科院校中的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，而現(xiàn)有的課程教學(xué)方式和教學(xué)理念已經(jīng)不足以滿足快速發(fā)展的工業(yè)發(fā)展要求。為培養(yǎng)“中國(guó)制造2025”和“一帶一路”新形勢(shì)下的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)人才，迎接已經(jīng)到來的第四次工業(yè)革命，必須開展“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)方法的研究。為此，以O(shè)BE為教學(xué)模式，以突出培養(yǎng)工程意識(shí)，形成工程設(shè)計(jì)思維，獲得解決復(fù)雜工程問題能力為目的的教學(xué)方法及教學(xué)實(shí)踐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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