机械类课程实践教学体系贯通式重构的探索与实践

［摘 要］课程实践教学是培养人才解决复杂工程问题能力的重要环节。新工科背景下，机械工程教育亟须改革现有的实践教学体系，以适应新经济发展对人才的需求。文章以新疆农业大学机械制图、机械原理、机械设计及机械制造共4门机械类课程的实践教学体系为例，详细分析了机械类课程实践教学体系中的传统教学方法及存在的问题，提出通过科教融合，将科研项目案例贯通整个课程教学体系，实现教学体系的重构。基于PBL教学模式开展以学生为中心的教学方法改革，为推动传统工科专业实践教学环节的改造升级提供借鉴和参考。

［关键词］新工科；机械类课程；实践教学；PBL；重构

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）23-0028-05

目前，世界正经历百年未有之大变局，新一轮产业变革和科技革命持续演进，国家推动创新驱动发展，实施“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等。新时代，教育部提出了开展新工科建设，并发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》《教育部办公厅关于推荐新工科研究与实践项目的通知》，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，旨在探索形成领跑全球工程教育的中国模式和方案，助力高等教育强国建设[1-2]。

新工科建设的重要内容之一就是要积极推动机械工程等传统工科专业教育的改造升级和边界再设计，使学生具备“新素养”，主动适应以新技术、新模式、新业态、新产业为代表的新经济发展模式，解决装备制造业等行业在不断向智能化和高端化迭代演进中面临的复杂工程问题[3-6]。要培养能够解决复杂机械工程问题的专业人才，就要按照“学生中心、产出导向、持续改进”的工程教育专业认证要求重构机械工程专业人才培养方案和课程体系[7-11]。机械制图等机械类课程实践教学是培养学生机械工程素养和实践能力的重要抓手[12-13]。本文以新疆农业大学机械设计制造及其自动化专业、农业机械及其自动化专业开设的机械制图、机械原理、机械设计及机械制造共4门机械类课程的实践教学体系为研究对象，按照一流本科专业的建设目标及机械工程专业认证要求，以培养学生综合运用知识解决复杂工程问题的能力为目的，以项目案例为牵引，从顶层设计出发，对四门机械类课程的实践教学体系进行贯通式重构，并介绍具体实施方案，为地方兄弟院校传统工科专业改革提供借鉴。

一、传统机械类课程实践教学体系存在的问题

机械设计制造及其自动化专业、农业机械及其自动化专业机械类课程的传统实践教学主要包括机械制图中的机械制图工程测绘等2个实践环节，机械原理中的机构运动简图测绘等3个实验环节，机械设计中的轴系部件设计与分析等2个实验环节和课程设计环节，机械制造中的机械制造生产实习、课程实习及课程设计环节（见图1）。该教学体系存在以下问题。

（一）教育理念相对落后，前后实践环节之间的关联不够紧密，对照新工科建设要求有差距

机械制图、机械原理、机械设计、机械制造作为机械类专业的核心骨干课程，经过多年发展，各课程理论知识体系有着严密的逻辑递进关系。但是，通过对现有的机械类实践教学体系进行分析后不难发现，实践教学环节中不同课程的实践对象不同，导致前后课程实践环节关联不够紧密，各部分缺乏贯通和叠加。比如，机械制图中工程测绘的绘图对象是一级减速器、齿轮油泵，三维造型设计的对象则是制图教材的案例；机械原理中的实验对象是其他齿轮减速器；机械设计中课程设计的实验对象则是教师虚拟的没有应用工程背景的二级齿轮减速器（蜗轮蜗杆减速器），学生每上一门课都要重新适应新的实践对象再进行实践，前后实践环节缺少紧密的联系，这不利于培养学生的逻辑思维能力。

（二）理论和实践脱节，科教融合度较低，实践对象的工程应用背景体现较少

传统的机械类基础实践课内容基本都是围绕验证、巩固课程理论知识而设置的，缺乏科研（工程）项目背景，比如零部件强度设计中仍沿用传统的手工计算，而非实际科研工程项目中采用的数值仿真和试验校核，实践教学的设计与工程实际应用脱节，难以激发学生学习兴趣。很多学生的学习经历都是连续的，即从高中直接进入大学，接触社会实践的机会较少，对机械的了解主要限于生活中接触的范围，缺乏科研（工程）观念，难以将理论知识和工程实际相结合。同时，由于实践课内容较偏重理论验证，其设计理论性也较强，容易使学生觉得实践距离生活和工作实际较远，难以调动学生参加实践的积极性，也难以激发学生创造、创新的热情。

（三）教学内容滞后，课程思政浸润度不足

机械类课程中，能够体现大国工匠精神的科研（工程）项目实践教学内容是课程思政融入的有利载体，以科研（工程）应用实例为原型进行案例教学，能充分发挥教学引领性、启发性、实践性，培养学生思维能力、判断能力、决策能力、创新能力和综合素质，以润物细无声的方式培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技创新报国的爱国主义情怀和使命担当。机械制图等4门课程的传统实践教学大纲、方案由任课教师按专业培养方案里所要求的知识点进行编制，缺乏现实科研（工程）项目的支撑，可以讲的“故事”较少，思政与实践内容结合比较少。

二、机械类课程实践教学体系重构策略

教学团队结合专业培养方案中机械类基础课程及实践课的培养目标、毕业要求，将传统课程中相对独立的、碎片化的实践教学环节进行有机整合，关注课程思政与实践教学环节的引领关系、课程理论与实践教学环节的映射关系、前置课程实践教学环节与后续课程实践教学环节的递进关系，以及实践教学环节与知识、能力、素养的支撑关系，制订了以创新实践能力培养为主的机械基础实验教学总体目标和大纲，构建了具有“两性一度”（高阶性、创新性、挑战度）的贯通式机械类课程实践教学体系（见图2）。

（一）按照科教深度融合的要求，挖掘机械类课程实践教学案例

以课程及实践教学的培养目标、毕业要求为依据，充分收集、挖掘已有的科研（工程）成果以及学校以往各类竞赛获奖作品，提取能够用于机械类课程实践教学的案例，特别是将能够贯通机械制图、机械原理、机械设计及机械制造课程实践教学环节的案例作为实践教学对象，实现理论知识与工程实际的深度融合，提高课程教学内容高阶性，以调动学生参加实践的积极性，激发学生创新热情，提高学生创新能力。

（二）按照课程思政建设的要求，重构机械基础类课程实践教学内容

依据实践教学总体目标和要求，与相关企业积极协调，以科研（工程）实物或等效模型作为实践课实践对象，充分挖掘科研（工程）案例背后蕴含的马克思主义观点与科学精神，弘扬大国工匠精神、科技报国的家国情怀和使命，按照其在不同实践课的体现程度进行有效分解并融入对应的实践课各个环节中，将其纳入实践课教学目标、教学大纲、教学方案、实践课指导教材等各方面，贯穿现场实验指导、课程设计指导、生产实习各环节。

（三）按照新工科建设要求，改革机械类课程实践教学环节

按照新工科建设的目标要求和新修订的培养方案中有关机械类基础课程实践教学的培养目标、毕业要求，以机械工程实践创新能力培养为目标，围绕科研（工程）成果中的典型案例，从机械制图、机械原理、机械设计及机械制造等课程培养目标维度进行剖析，重构实践教学环节，实现机械类课程实践教学从“碎片化实践教学”向“贯通式实践教学”转变[14]。

通过重构，实现机械类课程实践教学体系“一根红线串到底”，使完整案例贯通整个实践环节，将不同课程实践教学环节所要达成的知识、能力、素养及思政目标融入其中，让学生在实践教学中实现对课程知识的运用，进一步加深对课程理论知识的理解。同时，通过对案例的剖析，培养学生的创新能力，构建以理论指导应用、在应用中实现创新的螺旋式上升能力培养为主线的实践教学体系，让学生将举一反三中的“一”学懂弄通悟透，触类旁通，把“一”真正“举”起来，最终达到学生自己可以反“三”的培养目的。

三、机械类课程PBL教学模式

PBL教学法是一种基于现实世界的以学生为中心、以问题（或项目）为导向的教学方法，在每门课程中把理论知识与实际科研项目进行有机结合，充分发掘学生的主观能动性和创造潜能，以提高学生解决工程实际问题的综合能力。PBL教学法颠覆了传统教学中以教师为中心、学生被动灌输知识的教学模式。近年来，该方法不断被应用于理工科及经济管理等专业教学，并取得了良好的效果[15-19]。

PBL教学法是一种新型教学模式，在不同国家和地区、不同行业和领域可以有不同的表现形式和设计方法，但其核心主要在于设计问题、解决问题、评估问题[20]三个方面。根据机械类课程实践教学特点，其PBL教学法设计主要按以下三个阶段来完成。

（一）基于现有科研项目，凝练问题

提出合适的问题是实施PBL教学的首要环节。提出的问题既要有现实工程意义，也要满足当前理论教学需要。每年，实践教学团队要结合现有科研（工程）项目，根据课程内容进行问题凝练和设计，使学生能够在现实的、具体的问题中，锻炼个人利用所学理论知识解决问题的能力。此外，针对同一个理论问题，设计的问题要尽可能多，以满足不同学生的不同兴趣爱好。

（二）基于团队分工合作，解决问题

每门实践教学课开课前，要求每4～6名学生自由组合成1个项目小组。小组选举推荐1名综合协调能力强、学习认真、工作负责的成员作为小组组长，负责选择问题并根据问题具体情况给各位成员分配任务、记录讨论情况、收集整理小组资料等。项目小组在接到任务后，即可开始结合在理论课、实践课上学习到的知识，通过查阅线上线下文献、现场调研等多种途径和方法，提出解决问题的思路和办法，形成一份完整报告并提交给教师。

（三）基于师生综合分析，评价效果

客观公正地评价学生提交的报告，是PBL教学模式的关键环节。课程结束后，首先，实施小组内成员自评，即小组成员根据各自的工作情况进行自我评价（占考核成绩的30%）；然后，实施各小组互评，即每个小组对其他小组提交的报告进行客观评价（占考核成绩的30%）；最后，教师点评，即教师站在专业的角度对各小组的报告进行总体评价（占考核成绩的40%），综合得出每名学生的成绩。

四、机械类课程实践教学体系重构示例

将教学团队教师主持参与的自治区科技重大攻关和重点项目“3兆瓦风力发电机组的研制及1.5兆瓦风电机组的产业化”子课题中某风电机组齿轮增速箱的设计成果作为项目案例，把其转化为机械类课程实践教学对象（见图3），以此来说明基于PBL教学模式实现机械类课程实践教学体系贯通式重构的思路和方法。

在机械制图中的机械制图测绘实践教学中，学生先前往新疆农业大学的新疆智能农业装备重点实验室参观风力发电机组，如图3（a）所示，由教师介绍风力发电原理，教师在此过程中结合国家风电产业发展史培养学生的大国工匠精神、科技报国的家国情怀和使命。随后进行风力发电机变速箱拆装、测绘，如图3（b）所示，在后续的计算机绘图中据此结构按照给定参数进行三维造型设计，如图3（c）所示。在此阶段可提出问题，如从多维度分析为什么要大力发展风力发电、齿轮传动有何特点、如何表达齿轮等机械机构。此阶段可以让学生自主进行拆装测绘，各小组可根据其选题的参数进行三维建模，同时自主选择感兴趣的其他设备的机械零部件进行三维建模，并在一周后将成果进行课堂展示，最终形成课程报告。

在机械原理实验课中，让学生再次参观风力发电机齿轮箱中的齿轮，并在机械制图实践课上所制作的三维模型中选取一对齿轮，从运动学角度分析齿轮机构的运动特点，依据实物绘制出机构运动简图。在此阶段可提出问题，如从多维度分析为什么要大力发展风力发电、齿轮传动有何特点、如何表达齿轮等机械机构。让学生再次进行自主拆装测绘，各小组可根据其选题的参数进行三维建模，同时自主选择感兴趣的其他设备的机械零部件进行三维建模，并在一周后将成果进行课堂展示，最终形成课程报告。