基于卓越计划的机械设计课堂教学的探索与实践
中图分类号：G642 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）10-0004-04
Exploration and Practice of Machinery Design Course based on Cultivation Project for Excellent Engineer//LI Aijiao
Abstract According to the cultivation project for excellent engineers plan ，the classroom teaching reform of the course can satisfy the needs of the development of China railway， through an exploration of the reform in course contents， teaching methods and teaching means， the careful design and organization of classroom teaching， stimulate students’ learning interest and learning initiative， the teaching qualities and standards have been promoted， develop the students’ engineering design consciousness and engineering design ability.
Key words excellence； machinery design； class teaching； railway rolling stock
1 前言
“卓越工程师教育培养计划”是我国高等工程教育的重大教学改革项目，该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应社会发展需要的高质量工程技术人才，即“卓越工程师”。“卓越计划”是在教学中通过各门课程加以落实的，而课堂教学是课程的核心，其教学内容、教学方法和教学手段直接影响着卓越计划人才培养的质量，只有将卓越工程师的培养标准融入课堂教学中，才能保证培养目标的顺利实现[1]。
机械设计课程是高等学校工科机类、近机类专业学生的一门主干专业基础课。该课程具有很强的工程性、实践性和应用性，在培养学生专业知识体系和增强学生对机械技术工作的适应能力、工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力等方面具有很重要的作用，对卓越工程师的培养具有重要的意义。
兰州交通大学（以下简称我校）机械设计课程是省级精品课程，教学已经达到较高水平，但针对“卓越计划”的课程教学还在探索中。
机械设计课程是研究机械共性问题的一门技术基础课，不可能用大量的篇幅去讲授专业知识，但是如果仅仅以教材上的内容来讲授，学生很难将本课程与工程实际联系起来。因此，针对我校特色专业车辆工程（参与教育部卓越计划的专业之一），结合多年的教学实践，在机械设计课堂教学中以“卓越计划”为导向，引入工程概念，并融入铁路行业特色，丰富教学内容，以提高学生的工程素质，为培养卓越工程师奠定基础。
2 更新教学理念，强调学生主体地位
课堂教学是整个教学环节的核心，是目前学校对学生进行教育的主要形式，是教学实施过程中最基本、最基础的工作，在整个教学实施过程中起着主导作用。
课堂教学是生命与生命的交流、心灵与心灵的碰撞、情感与情感的交融，在这种相互交流、碰撞、交融的过程中，学生始终是主体，必须以学生为本，把提高学生的学习积极性作为重点。
教师和学生是影响课堂教学质量最重要的两个因素。教师是课堂教学的组织者、教学内容的呈现者和教学理念的倡导者。教师在课堂上既是导演，也是演员，教师的教学态度、教学的组织都直接影响着课堂教学效果。因此，教学质量的高低在很大程度上系于教师的教学理念，教师只有全心投入课堂教学，精心设计和组织教学环节，创设适宜的教学情境、营造宽松和谐的教学氛围，在教学中切实关注学生的学习状态，以学生为本，注重学生的个性需求，鼓励学生积极主动参与教学活动，才能保障教学质量的不断提高。
以学生为本不同于传统教学中的“满堂灌”，而是要突出学生的主体地位，把以教师为中心转变为以学生为中心、教师“独白”为主转变为“对话”为主，变传授教学方式为讨论式、启发式教学，激发学生的学习兴趣，调动学生的主观能动性。
以学生为本虽然强调学生的主体作用，但是不能否定教师的主导作用。只有充分发挥教师的主导作用，运用创新的教学手段，调动学生的求知欲，才能实现学生知识的获取、应用、创新及综合素质的提升。
3 拓展教学内容，突出工程应用知识
认真备课是一个教师必须具备的优秀品质，备好课才能上好课。备课时教师应当充分研究和探求如何在机械设计课堂教学中落实“卓越计划”，从而达到卓越工程师的培养标准。
1）了解学生的学习状况以及对机械设计课程中将要用到的相关基础知识的掌握情况，并把这些相关知识作为备课的内容，增强教学的针对性，做到从学生的实际水平出发，因材施教，有的放矢地教学。
2）深入钻研教材、了解教材体系和基本内容，分析清楚各个章节的结构、重点、难点以及章节之间的联系，确立授课的主线，组织好教学环节和教学顺序，处理好内容间的呼应，使复杂的教学内容规律化、系统化。 大学课堂教学上，教师传授的不仅包括书本上已有的知识，而且要紧跟学术动态，注重教学内容的拓展和更新，向学生介绍学术前沿，开阔学生的视野，鼓励学生的探究意识。教材的更新永远赶不上科技的发展和知识的更新，这就要求教师搜集教学资料并在教学实践过程中将新知识、新技术、新器件等引入课堂，使学生及时了解科技发展的新动向、科研成果的新发展。通过广博的教学内容，开发、挖掘学生身上不同的潜质与精神气质，培育复合型工程技术人才。
3）以学生为本的课堂教学，学生自由度更大，课堂教学中可能出现的各种不确定性的情况也更大，学生更渴望了解所学知识与将来从事专业的联系，这就要求教师有更多的知识储备。
教师要广泛查阅最新科技资料，掌握铁路机车车辆的发展动态，给学生带来最新、最实用的专业知识，把以教材内容为主转变为教材与工程应用实例相结合、理论与实际问题互为补充，激发学生的学习兴趣，使学生对专业保持一定的敏感性，培养学生的创新意识和科学精神，为今后的发展奠定良好的基础。
4 明确学习目标，理论与实践合理衔接
机械设计课程理论性强，概念多，公式推导多且抽象，学生难以抓住重点。因此，教师在与学生第一次交流的绪论课就让学生清楚该课程的学习要点和主线，对该课程的知识框架有整体的认识，对教学思路有准确的把握。
对于课程的学习，兴趣的培养莫过于从绪论开始，精心组织和设计绪论课不仅能给学生留下深刻的印象，而且能激发学生的学习兴趣和求知欲望。通过介绍我国机械设计方面取得的成就，唤起学生的学习热情和民族自豪感；让学生了解我国机械设计方面包括铁路行业尚不及世界发达国家，激发学生的使命感。如国内少部份企业可以制造时速200公里级别的动车轴承，但仍然是瑞典SKF、德国FAG、日本NTN等国际巨头在牢牢占据着中国的市场，我国高端轴承领域只有攻坚克难才能取得进步，以此激发学生的责任感，使学生认识到学好机械设计等专业基础课程，打下坚实的理论基础，才能为祖国机械工业及铁路的发展做贡献。
目前学生学习目的性很强，只有知道该课程跟自己的目标一致，才会花大量的时间和精力去学习。因此，为了激发学生的求知欲，增强他们对机械技术工作的适应，教师应当从学生的角度去看问题。
1）在竞争日益激烈的现代社会中，具有专业知识的人更具优势，专业知识是学生今后从事各种工作的基石，而机械设计学习的最终目标就是使学生能够创新设计机械，成为创造性的工程设计人才。在这种想要成为“卓越工程师”的目标驱动下，学生自然由被动学习转为主动的求知。
2）我校是一所具有铁路行业背景的工科院校，车辆工程专业的学生除了少部分考研，其余90%以上会进入轨道交通领域工作。本专业培养的是从事机车车辆的设计、制造、检修、运用以及技术开发等工作的基础扎实、适应性强、具有创新精神和实践能力的应用研究型高级工程技术人才。而机械设计课程恰恰是涉及轨道交通领域中设计、制造、开发、创新的基础。因此，学生为了能在进入车辆工程领域前打下宽广而坚实的理论基础，将来成为轨道交通领域的一名卓越工程师，首要的任务就是学好机械设计课程。
5 强化案例教学，培养工程设计能力
将案例作为课堂教学的基本素材，把学生引到机械设计工程问题的现场，调动学生参与讨论，并对案例进行深入分析，领会案例涉及的工程领域中的重要理论，使学生将机械设计课程中通用机械零、部件的原理、结构、作用与案例中的实际应用相对应，实现理论教学与工程实际的有机结合。
例如：2002年5月17日，英国的一列火车由于道轨螺丝钉松动，火车出轨；2004年9月，俄罗斯航天专家在拜科努尔发射场对“联盟TMA-5”载人飞船进行系统测试时，飞船对接系统的一个螺栓突然爆裂，飞船发射被迫推迟两天；2008年3月，美国航空公司一架波音757客机由于一个螺丝钉松动，导致驾驶舱内加热器起火，挡风玻璃上出现无数裂缝。通过这样的案例，学生认识到一个小小螺栓的设计对机器是至关重要的，从而加强学生在工程设计中的安全意识。
结合DF4内燃机车柴油机连杆螺栓断裂失效的实物，让学生了解断裂的部位、断口的形貌以及断裂造成的严重后果，在学生真切感性认识的基础上深入分析断裂原因，思考避免断裂的办法，从而培养他们的科学态度和严谨的工作作风。
通过内燃机车启动变速箱，让学生学习齿轮、轴、轴承等重要零、部件的原理、结构和设计方法，弥补机械设计课程的离散性、零碎性，让学生感受到课程各部分之间的联系，实现课程的统一。学生不仅对减速器有了深入的了解，而且与机械设计课程设计进行了很好的融合，培养了学生的工程设计能力。
将案例教学应用于机械设计课堂教学中，为理论知识与工程实际的结合找到了最佳的切入点，有利于“卓越计划”的实施，更有利于高素质应用型人才的培养[2]。
6 多种教学方法并用，强化学生思维能力
由于机械设计课程内容多、涉及面广，要真正学好这门课程，不仅教师要讲好，更要鼓励学生主动思考，引导学生自主学习。在有限的课堂中引导学生自主学习，主要取决于教师的主导作用。
以往的接受式教学方法忽略了学生的主体地位，忽视了学生的个性需求，课堂上教师与学生之间缺乏互动和沟通，学生难以积极主动地参与教学活动，造成实践能力不足、创新精神缺乏、团队意识淡薄。为了更好地实现卓越工程师培养标准的要求，多种教学方法并用，实现学生知识的获取、应用、创新以及综合素质的养成和提升[3]。
教师讲授，突出要点 课堂讲授是高校重要的教学方法之一，教师在讲授时不能照本宣科，要对教材的核心内容、难点内容以及教材之外的重要内容进行分析和讲解。
启发、讨论式教学，注重学生参与、互动 教师精心设计和选择在课堂教学中用于引导学生分析和讨论的问题，或者根据授课情况在课堂教学中及时提出问题，引导学生思考、发表自己的见解，提出不同的观点，培养学生的创新思维。 课堂教学中教师应当重视师生间的互动，注重学生参与课堂教学过程。如讲授链传动时，首先根据课前设计的问题提出：骑自行车时链条出现过什么情况？如何解决？在问题的情境中开展探索性学习，强化学生的思维能力，调动学生的学习积极性。在此期间教师要关注学生的反应，鼓励学生参与讨论。如果能让所有的学生在课堂上勇敢地表达各自的想法和观点，这将是最好的课堂教学，也是教师和教育的成功。
探究式教学，强调学生课后自主学习 课堂上教师给学生布置课后需要思考和研讨的题目，让学生课后查找资料。这些题目是探索式和开放式的，可以开阔学生的思维空间、培养学生的创新能力。如让学生课后了解机车车辆用齿轮的应用场合、失效形式等，并要求在课堂上进行交流。不甘示弱的心理会驱使学生下功夫、花时间去阅读文献资料，以赢得满意的评价。这样，学生切实参与到教学活动中，学习积极性提高了，教学效果也得到了增强。
教师在教学过程中还可以选择工程实际问题作为研究对象，通过网络教学平台布置给学生，给予学生富有挑战性和自主性的研究机会，激发学生解决实际工程问题的兴趣，调动学生的主观能动性，培养和提升学生的创新能力。
探究式教学是一种符合工程能力培养规律、综合素质形成的教学组织形式和教学方式，最适合卓越工程师的培养，它得到了“卓越计划”的大力提倡和着力推行[4]。
7 多元化的教学手段，引领学生创新能力
机械设计课程实践性强，但是学生工程实践经验少，对机械的感性认识不够，对课程中遇到的一些工程实际问题，如零件的装拆顺序、齿轮的固定、轴承的装配以及间隙的调整等难以理解。要讲清楚这些问题，使用传统的教学手段教师往往需要花费大量的时间和精力，即使这样，很多学生仍然理解不深。
采用多媒体教学，将这些问题动态地演示出来，使抽象变得具体、复杂变得简单，难以用语言表达的教学难点迎刃而解，取得传统教学手段无法比拟的效果，极大地提高了授课效率，激发了学生学习兴趣。另外，多媒体教学还特别适合知识的更新和随时在课堂教学中增补学术前沿的内容。
在多媒体教学中，适当的视频和生动的动画可以有效地激发学生的兴趣，拓宽学生的视野，但是信息量增大的同时节奏太快，学生没有思考的空间；而且多媒体教学在公式推导、例题讲解等方面还是弱项，所以必须保留必要的板书。如斜齿轮、蜗杆蜗轮的受力分析，教师在黑板上边画图、边讲解，加强学生的理解、记忆和掌握，增强教学效果。因此，多媒体终究不可以代替板书。
板书设计是教师的基本教学技能之一，板书作为一种重要的教学手段直接影响教学效果。教师的板书是将所讲授的材料浓缩成纲要的形式，有条理地呈现给学生，体现了课堂教学内容的整体性，使主要内容一目了然，有利于学生的理解、巩固。
另外，采用板书还可以将教师从电脑前面解脱出来，走到学生面前或学生中间，吸引学生的注意力，拉近和学生的距离，发挥教师和学生面对面交流、沟通的优势，利于增强教学效果，提高教学质量。
只有将多媒体教学与传统的板书有机结合，拾遗补缺，并合理地分配他们在课堂教学中的比重，充分发挥各自的优势，才能取得良好的课堂教学效果。
8 丰富实践教学，加强对技术工作适应能力
课堂教学虽然是目前学校对学生进行教育的主要形式，没有哪一种教学形式能够取代课堂教学，但是仅仅利用课堂教学来培养卓越工程师远远不够，必须要通过工程实践，才能培养学生的工程意识和工程设计能力。
铁路行业的迅速发展对学生提出更高的要求。我校肩负着为铁路部门培养高级工程技术人才的重任，如何使培养的学生成为满足行业发展需要的铁路工程师，是教师在教学工作中必须思考的问题。
我校机械设计的实践教学主要是课内实验和课程设计，与工程实际结合不强，学生实践能力培养略显不足，特别是创新能力得不到充分的培养和锻炼。为了提高学生的创新能力和工程实践能力，为了在现有的条件下让学生更好地参与工程实践，在课间播放实际加工的短片；让学生利用课余时间参观学院车辆总体结构实验室、制动原理室、兰州机车厂、兰西车辆段等；并且建立稳定的校外生产实习基地，为学生提供真实的职业环境，缩小与社会需求的差距。
立足“卓越计划”的教学理念，结合专业特色，使机械设计课程的教学模式与“卓越计划”相适应，在保证学生掌握基本理论知识的前提下，以应用知识为目标，注重学生应用机械设计理论的综合能力、工程实践能力、工程设计能力，不断培养轨道交通领域全面发展的高素质工程人才。
