“目标引导任务驱动”下的课程设计与专业课教学同步的教改尝试

作者:未知

  [摘 要]文章通过分析专业课教学和相关课程设计存在的问题,指出两者时间脱节和设计题目陈旧是重要原因;提出多渠道选择合适的课程设计题目并将课程设计任务分解到每阶段的课堂教学中,两者同步进行,实现以课程设计要求为目标,以课程设计阶段任务驱动学生完成课程学习的教改模式。前期教改尝试表明,“目标引导,任务驱动”的教学效果突出,值得在工科专业课教学中推广。
  [关键词]目标引导;任务驱动;教改方案;实施计划
  [中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2019)01-0058-03
  专业课在本科教学中占有重要地位,是学生在学习过程中必须掌握的课程,能否对其学懂学透学以致用是一名学生能否向专业技术人才转变的关键。但专业课通常具有理论抽象、概念繁多、实践性较强的特点,学生在学习的过程中很难对其有一个很好的把握,而且其前后衔接课程周期长、内容容易遗忘,这就给学生理解和掌握课程内容造成困难。本项目将机械设计基础课程课堂教学和机械设计基础课程设计实践教学环节同步结合起来,开展“目标引导,任务驱动”教学模式研究与实践,以达到回归教育理念,实现学习、研究、实践同步进行的教育过程,进而激发学生的思考兴趣和设计热情,促进学生全面发展。
  一、机械设计基础及其课程设计教学目前存在的问题
  机械设计基础是面向非机械专业学生开设的一门重要专业课,它要求学生通过课程学习了解普通机械设备的工作原理,在选购设备、使用设备、维护设备以及设备故障分析等方面获得必要的基本知识,是非机械专业学生必须掌握的一门重要的基础课程;还要求学生初步具备借助《机械设计手册》设计简单机械装置的能力。因此,在课程结束后会开设有为期两周的机械设计基础课程设计实践教学环节。通过以上两个相连的教学环节,培养学生的综合知识运用能力和动手设计的实践能力。该课程也是基础课和专业课的衔接点,是培养一个优秀学生向一个合格工程技术人员转变的切入点。
  但机械设计基础课程内容的广泛性与学时的局限性之间的矛盾,影响了学生掌握更多的机械设计知识,限制了学生分析能力和设计能力的提升。而且传统的教学模式相对单一、学生理解费力,会使得学生对该门课程的学习失去信心,最终影响到学生的学习效果。因此,针对传统教学的不足,在机械设计基础课程教学中找到一种新的教学方法是十分必要的[1]。
  机械设计基础课程设计是一个重要的实践教学环节,它不仅培养工科学生的设计思想、构思与表达的能力,还培养学生分析和解决实际工程问题的能力,有利于巩固、深化、拓展学生的专业知识,让学生对所学机械知识的理解更加深刻,为学生以后的学习工作打下良好的基础[2]。
  机械设计基础课程设计通常是在机械设计基础课程结束以后的两周内进行,课程设计时间与课程教学脱节。课程设计题目通常选择一般用途的机械传动装置或简单机械,给定的数据多年不变,课程设计题目陈旧、缺乏创新。这就导致学生缺乏学习的主动性、积极性,教师缺乏新思维,师生同受其害。整个课程设计过程缺乏师生的交流与互动,考核方式死板单调,仅凭学生最后提交的设计图纸和设计说明书等纸质材料给定成绩,难以有效调动学生的学习积极性,助长了懒惰学生抄袭的不良风气,影响了勤奋好学学生的学习积极性,严重违背了课程设计教学的初衷[3]。
  二、“目标引导,任务驱动”的教改思路
  国外工科学校的一些先进的教学模式就与目标学习有关,比如美国麻省理工学院的基于产品生命周期的CDIO教学法,丹麦奥尔堡大学基于工程实践问题的PBL教学法等,都是以实践目标同步引导专业课学习,均能收到良好的教学效果[4]。
  我国高校目前的课堂教学采用阶段教学法,将专业知识按理论体系来分章节,每一章节讲究学深吃透,举一反三;在理论基础上下了很深的功夫,可是该专业知识在工程中的典型应用就讲得不透,缺乏实践锻炼的学生无法形成直观印象,在今后的工程实践中也无法及时准确地将所接触的实际情况与相关理论知识建立联系,也就无从进行后续的设计工作。
  我校大多数工科专业目前已全面实行卓越工程师人才培养模式,突出了工程实践、设计与创新能力要求。这就迫切需要在教学方法上进行改进,而“目标引导,任务驱动”的教学模式正是突出工程实践,并将工程问题与专业理论知识适时有机融合的一种有益的教学尝试。
  在课程教学中采用“目标引导,任务驱动”的教学模式,就是以课程设计要求为目标,在学期初将课程设计题目布置到每个学生,使每个学生在一开始就明确自己的设计目标,以目标引导学习;教师再将课程設计任务分解到每阶段的课堂教学中加以逐步介绍,让学生了解每章节的学习目的和该章节知识的用途,通过视频教具等虚拟实践手段使学生能够直观感受机械设备的结构特点,将机械设计知识转换为机械设备设计的能力,逐步完成各阶段的设计任务,在最后的课程设计阶段将各阶段成果组合并加以修改验证,完成整个设计任务。这样既明确了专业课的学习目的和学习要求,又完成了工程设计能力的突破,两者结合能达到最佳的教学效果。
  三、教改方案与实施计划
  为培养具备较强的工程实践能力、创新思维及设计能力的高级工程技术人才,可依托中南大学机械学科涵盖面广、学科优势突出、教学资源丰富、师资力量雄厚的优势,借鉴国内外高校同行在工科专业课教学方面的先进经验,充分发挥机电工程学院在创新教育方面的经验和优势,把握当前机械制造领域和社会需求的发展趋势,采取以下教改方案和实施计划。
  其一,对教学内容进行更新,帮助学生适应本专业未来的发展。随着教学改革的深入,我校许多专业将机械原理和机械设计这两门课程整合为一门机械设计基础课程,课时大幅减少,因此必须对教学内容进行精选。机械设计基础是一门应用性很强的课程,教学内容应具有实用性和针对性。我们根据市场和社会需要,重新整合教学内容,并不断更新教学内容,保证教学内容的先进性。将教改教研成果和学科最新发展成果引入教学中,拓宽学生的知识面,努力加强学生工程意识的培养,使学生能更好地将所学知识应用于设计实践中; 同时加强对学生机械设计能力特别是创新设计能力的培养,融知识传播、能力培养、素质教育于一体,教书育人,积极改革。   其二,采用先进的教学方法和教学手段,保证学生能够有效掌握知识。教学过程以激发学生的学习兴趣、培养学生理解能力为主导,根据实际教学内容的需要,我们可以采用启发式、互动式等灵活的教学方式,力求创建活跃、和谐的课堂情境,进而激发学生的学习兴趣和学习的积极性。学生是课堂教学的主体,只有在课堂教学过程中充分激发学生的学习兴趣,充分调动他们的学习积极性,才能使他们对知识的理解更深刻,掌握更牢固。我们可以针对不同章节教学内容的特点,采用不同的教学方法,增加师生互动环节,并和实践教学紧密地联系起来,加深学生对机械内容知识的感性认识,让学生感到实践就在我们身边。比如在讲解机械原理的过程中,我们带领学生参观了我校的大学生创新设计基地,向学生展示了由大四学生制作的各种层次的创新设计作品,让学生对机械的魅力有一个更加深刻的理解,提高学生学习的积极性。在展示及讨论的过程中,学生的积极性很高,气氛十分热烈,有些创新能力强的学生还提出了几种机构综合的方案,具有一定的实用性和创新性。为增加课堂的信息量和提高教学效率,保证整体教学质量,在实际的教学过程中,我们将多媒体教学和网络教学等一些新的教学手段运用到实际的教学工作中,通过图片和动画演示的方式将各种机构的结构和运动过程直观生动地展现在学生面前,帮助学生加深对这些知识点的理解,增强其感性认识,激发其学习兴趣。同时为突出课程的教学重难点,我们将传统教学和多媒体教学相结合,适当增加板书内容,比如公式的推导、重要结论等,以方便学生记忆和掌握。
  其三,明确学习目标,多方选题并按题目难度分级。传统的机械设计基础课程设计题目以使用齿轮减速器的皮带运输机、卷扬机等通用机械的总体设计为主,虽然机构典型,但这一类题目已沿用几十年,不能适应目前教育发展的需要。而且学生在网上也能轻易下载到相关的设计计算模板,增加了整体抄袭的可能性。面对这些抄袭的设计计算,指导老师很难判断评分,奖惩无法分明,这就打击了真正认真完成设计任务的学生的学习积极性。
  新的课程设计选题完全可以多渠道进行,即可将传统题目加入部分行业新技术进行改良,也可依托中南大学众多科研项目的优势,从中精炼简化出适用于课程设计的新题目,还可从学校历年的学生创新设计大赛项目中加以筛选,部分有能力的学生甚至可以自己收集资料自己出题并由指导教师审定。总的方向是题目新颖,紧密联系工程实际或日常生活,内容涵盖机械设计基础课程的大部分关键章节,题目综合性强。至于课程设计题目难度的把握,可以按设计难度分为较难和中等难度两大组由学生自主选择。学习成绩好、综合能力强的学生可选择较难组的题目,完成得好可评优;成绩一般或学习吃力的学生可选中等难度组的题,只要基本完成了设计任务就可给及格,但这一组的题因难度不够,最高成绩也只能给良好。经试验,绝大部分学生都满意这种选题方式并能较好地完成设计任务。若有条件,还可适当尝试安排少量设计工作量大的题目,由2-3名学生分工合作共同完成设计,借以培养企业特别看重的团队合作精神和小组成员间的协调配合能力。
  其四,分解设计任务与学习要求,实现教学和实践的有机结合。以课程教学大纲为主线,合理分解安排课程设计环节,按章节内容融入课程的教学环节和考核环节,注重课堂教学与课程设计的结合,把控教学进度和教学效果。在课程开始时将课程设计任务提前分配给每个学生,使课程设计与课堂教学同步,学生带着设计课题开始机械设计基础课程的学习。再将设计题目分解为总体方案设计、运动分析与机构设计、零部件设计及优化等多个设计环节,并将每个设计环节当作相应课程章节的综合练习。在重要章节的学习过程中,每个学生都明确自己的学习目的,能及时应用所学的知识完成相关环节的设计任务。学生在设计过程中自然而然地将零散繁多的知识点串联起来进行理解记忆,也就更好地理解了所学的概念原理,掌握了工程实践中解决问题的思路和方法。学生通过完成课程设计的各阶段设计任务来开展实践和理论的交替式学习,加强了对知识构架的把握。教师也可以通过批改作业为阶段设计结果把关,还可利用作业讨论的机会引导学生优化设计方案。
  其五,对实践性教学环节进行优化改革。培养学生的实践和创新能力目前已成为高等学校的一项重要教学改革内容。在实践性教学环节的改革中,我们坚持理论教学与实践教学并重,注重提高学生的实践动手能力,启迪学生的创新思维,培养学生分析和综合运用现代技术手段解决工程实际问题的能力。机械设计基础课程实践环节包括实验和课程设计,这就体现出实践教学的重要性。为加強对学生机械设计能力特别是创新设计能力的培养,教师在实验环节的教学过程中要格外着重开设具有创新性、综合性和设计性的实验,同时开放大学生创新设计基地和实验室,让学生能够动手开展一些具体的实验操作,巩固所学到的理论知识,加强工程实践能力和创新能力,为学生提供展现才华的机会。教师在课程设计改革的过程中,设计题目要多样化,主要是以常用机械和生产实际课题为主,同时为了调动学生的学习积极性,发挥学生的创造力,允许学生自由选题。在教师的指导下,学生可根据自己的想法对现有机械进行改进设计或发明新的机械。有些学生在实践中表现出浓厚的兴趣,在完成本课程的学习后就直接报名参加大学生创新设计比赛。
  其六,引入先进的设计手段,模仿企业要求进行设计。目前机械设计制造企业已全面推行产品设计过程全数字化,大范围使用先进的设计软件和最新的数字化设计规范,但教材与行业发展总是存在着时间差。为使学生的学习与目前的行业发展和企业要求同步,在教学与课程设计过程中引入先进的设计软件和最新的设计规范也是我们的教改尝试之一。因先修课程和学生课外自学及参与创新活动等因素,很多学生已基本掌握了UG、SolidWorks、Pro/E等主流三维设计软件的使用方法,引导学生借助先进的三维设计软件完成机构设计、零部件设计和总体设计,再用有限元法进行结构设计和力学校验。在课程设计中将先进的设计软件与机械设计内容紧密结合起来,哪怕使用的是已高度简化的设计计算模型,对提升学生的实践锻炼效果也是很有帮助的,而且能为学生今后走进企业打下良好的基础。   其七,针对部分由创新大赛项目和教师科研项目演化而来的、内容新颖、系统性强而难度偏大的课程设计题目,可尝试开展研讨式教学。研讨式教学是以学生为主体、以分析解决问题为中心的教学方式,强调以“导”为主。可选取少数课题作范例,采用两段式引导方法开展教学。在分析问题阶段,全班学生共同参与,以课题的阶段设计要求为目标,教师引导学生以所学课程知识来分析问题并加以讨论,逐渐养成学生自主分析问题的习惯。在解决问题阶段,组织该课题的学生根据前期的分析结果,通过查找资料和探索研究确定解决问题的方案,完成设计实践。这样既让部分学生通过完成难度较大的课程设计题目来完成工程设计的系统训练,又以此为样本,引导其他学生完成“目标引导,任务驱动”的学习过程。
  其八,期末考试除原有的计算及综合题型外,还可适当加入部分课程设计的变形简化题以及与生活实际有关联的分析题,以检验学生对知识的掌握和运用能力。考后仍保留两周的课程设计时间,此时学生检验前期设计方案和计算结果并按格式要求完成课程设计说明书,利用这段较长的完整时间完成整台设备的总装图和部件图,重点复查设计的合理性与图纸的规范性,最后进行课程设计答辩。从我校目前工程试验班的成绩评定标准来看,学生的课程成绩和课程设计成绩都是平时成绩与最终考核成绩“五五开”,教师在课程教学与课程设计中的全程参与和涵盖全部学生的平时记录,正是平时成绩的最准确全面的量化评定依据。
  四、结语
  通过第一轮教改实践表明,实施“目标引导,任务驱动”的工科专业课教学模式,既能帮助非机械专业学生搭建机械设计知识构架,又可提升机械设计基础课程的教学效果,学生的学习兴趣和学习积极性大幅提升,为实现学生向工程师的转变迈开了第一步,为培养多学科融合的高级技术人才探出了一条可行之路。其教改经验对其他专业课的教学改革也具有很好的借鉴价值。
  [[ 参 考 文 献 ]]
  [1] 楊恩霞,应丽霞.机械设计基础课实践研究型教学模式的探讨[J].黑龙江高教研究,2008(11):165-167.
  [2] 姜程智,程绍博,赵亭.机械课程设计对大学生学习机械设计的影响[J].南方农机,2017(1):142+148.
  [3] 李霞,陈建萍,魏敏,等.机械设计课程设计现状与改革实践的探索[J].教育教学论坛,2016(25):63-64.
  [4] 刘宝存.美国研究型大学基于问题的学习模式[J].中国高教研究, 2004(10):60-62.
  [责任编辑:庞丹丹]
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