【原创】

知识学习与知识应用有机结合的教学理念

——机械设计基础课程教学机制改革与探索

唐林  孙志军  裴泽光

摘  要：针对目前我国工程设计类人才培养与工业界需求存在差距的现状，倡导知识学习与知识应用有机结合的教学理念，提出学以致用的工程设计基础课程的教学机制，介绍《机械设计基础》课程教学机制改革的相关内容和措施，包括：（1）理论与实践融合的教学内容建设；（2）运用课程知识从事设计活动的考核方式改革；（3）制定科学规范的知识考核评价机制。分析阐明了机械设计基础课程教学机制建设的意义及其效果。

关键词：知识学习与应用；课程教学机制；机械设计基础

1. 引言

   大学工程教育的目标是帮助知识学习者掌握从事工程和技术工作涉及的相关知识，使学生在校学习期间或者走向社会及工业界后，能够运用所学知识从事工程技术活动，引领社会或工业界的进步与发展。这是社会对人才培养的需求，也是高等教育需要重视的问题。目前，我国本科工程教育与工业界对人才培养的需求存在较大差异，这种差异反映到教学活动中，体现为知识学习与知识应用和知识发展需求之间的差异。学生学习知识的过程是培养创新意识和创新能力的最佳时机，工程设计基础课程教学机制的建设（包括教学内容、考核机制、评价体系，等等），对于学生的设计实践能力和创新能力培养有着十分重要的影响作用。

《机械设计基础》属于工程设计基础课程，教学内容涵盖了机构设计与分析和机械零部件的结构设计、选用及计算与分析的基本知识，其教学宗旨是期望知识学习者通过掌握机构设计和机械零部件设计的相关知识、走向社会和工业界后，能够胜任机械产品设计及其创新设计活动。本文基于《机械设计基础》课程教学机制改革与建设过程中采取的具体措施，介绍缩小知识学习与知识应用以及创新能力培养有机结合的教学理念。

2. 工程设计类人才培养现状

2.1. 社会及工业界需求

社会及工业界关于设计类人才培养的需求可以概括为四个方面：（1）熟练地运用基础理论知识解决和分析设计实践问题；（2）借助先进的设计理念、思想和方法解决创新设计和提高设计竞争力的问题；（3）具备团队协作与沟通能力^[1]；（4）能够引领工业界设计行业的进步与发展。

2.2. 工程设计基础类课程教学现状

培养创新型人才虽然已经成为社会和工业界对大学的普遍期待^[2]，各级教育部门在创新人才培养方面也制定了相应的实施计划，例如，组织各类创新大赛，在学校内成立科技社团，等等，为激励学生进行创新活动提供条件和机会，但是创新人才培养的成效并不显著。这与应试教育的体制有关，具体到大学课程的知识学习中，则体现为课程的教学机制问题。目前，我国工程设计基础类课程多数还在沿用传统的教学理念和模式，即侧重知识的传授与考核，关注教师传授知识的主导性，通过卷面考试评价知识掌握的情况。学生学习和应用知识的主体性没能充分体现^[3]，即使在提高学生综合运用知识能力的课程设计和毕业设计环节，也常常因为题目或内容相同，以及已有的、非常完善的设计案例资料辅佐，学生虽然能够了解知识在实践中的具体应用，但是综合运用知识的主体性很难充分展现，其创新潜能也因此受到阻抑。

创新教育的目的是使学生在学习和掌握学科知识的同时或者走上社会之后，不仅能够将知识转化成生产力，为生产实践服务，而且具备创新精神，能够成为工业界或社会的引领者^[2，4]。创新需要扎实的基础知识和专业知识，因此，培养创新能力与注重基础知识学习不应对立，同样，学习基础知识的过程中，经过知识应用的相关训练，不仅有助于理解、掌握和巩固课程知识，也有利于培养学生的创新意识和创新能力，发挥其创新潜能。^[3]

3. 机械设计基础课程教学机制建设

《机械设计基础》属于技术基础课程，与专业课相比，具有更宽的研究面和更广的适应性，学习这门课程不仅要求具备扎实的基础知识，还需融会运用其它课程的知识。针对课程的这一特征，本着缩小知识学习与知识应用和知识发展需求之间差距的教学思想，我们从教学内容建设着手，通过“学以致用”的考核方式，制定符合社会需求、具备设计能力和创新意识的人才培养教学机制。

3.1. 教学内容建设

   采用学以致用的考核方式，在传授知识的过程中即应开始注重课程知识在实践中的具体应用，使学生对知识应用于实践先有一个感性认识和初步了解，这就需要相辅相成的教学内容予以支撑。教材[5]以及与其配套的电子课件[6]在阐述机械设计基础知识的过程中，不仅注重理论知识的分析过程，同时也注意通过生活、生产实践和现代科技产品案例说明机构或课程知识的具体应用，图1（a）和图1（b）分别是《机械设计基础》电子课件中关于杆系机构应用于生活和现代科技产品中的两个案例，

   贯穿于教材^[5]和电子课件^[6]中的纵多案例，为知识学习者应用课程知识从事产品设计活动铺垫了基础。另外，教材^[5]及其配套的电子课件^[6]中亦非常注重课程知识与现代科学技术发展的相关内容介绍，以引领课程知识兴趣者走向更广阔的知识空间。图2是文献[5]和[6]中关于现代微型机电产品中纳米齿轮齿条机构的介绍。

3.2. 知识考核的评价机制建设

3.2.1. 目标

教学内容建设是采用学以致用考核方式的基础，知识考核评价机制建设则是执行考核方式改革的前提条件。探索知识学习与知识应用有机结合的教学机制，其目标是缩小知识学习与知识应用之间的差距，同时培养学生的创新意识、创新能力及其从事设计活动的能力。应用知识从事产品设计的过程中，不仅有利于学生深入理解和巩固课程知识，也有助于培养他们综合运用知识的能力和创新设计能力。

3.2.2. 现行知识考核评价方式分析

现行知识考核评价体系，主要通过卷面考试评价知识学习者掌握课程理论知识的情况，这种知识考核评价标准容易量化，可以从形式上界定知识的掌握情况，但无法从实质上判断知识学习的效果，容易使知识学习者将知识学习过程变成知识记忆过程。与基础课程相比，《机械设计基础》课程更接近工程实际，因此，运用知识解决和分析问题的要求更高一些。对于这类课程的知识考核与评价，采用卷面考试来评价知识掌握情况，其科学性值得商榷。

3.2.3. 知识考核评价体系建设

我们在建设《机械设计基础》课程知识考核评价机制的过程中，取消了传统的卷面考试，在制定考核标准和评价体系时，注重知识学习过程和课程基础知识的应用能力。课程知识的考核及其评价由三部分组成：即实验成绩、平时作业成绩和阶段性的设计大作业成绩。其中，（1）实验基本沿用传统的实验方法，这一环节主要使学生通过实际操作，进一步领会仅仅通过课堂讲解难以掌握的知识；（2）为使学生全面掌握各章节的知识要点，我们根据教材^[5]中各章知识点的特征，将平时作业分为习题型作业和设计型作业两大类别。对于以概念和理论计算分析为重点的章节（例如，教材^[5]中的第1章《绪论》、第2章《机构运动简图及其自由度》、第7章的斜齿轮机构、圆锥齿轮机构、蜗轮蜗杆机构，以及第8章《轮系》等各章节），通过做教材^[5]中章节后的习题掌握知识要点，称这类平时作业为习题型作业；对于以机构设计与分析和零部件结构设计与选用及其分析计算为重点的章节（例如，教材^[5]中的第3章《平面连杆机构》、第4章《凸轮机构》、第5章《螺旋机构》、第6章《带传动》、第7章中直齿圆柱齿轮传动机构、第9章《轴》、第10章《轴承》等各章节），则要求运用课程知识进行产品设计与分析、或者进行零部件的结构设计、选用及其分析与计算，称这类平时作业为设计型作业。设计型作业是《机械设计基础》课程知识考核与评价的重点，也是我们进行《机械设计基础》课程教学机制建设的重要内容之一。图3是根据教材^[5]中设计型作业的模板，针对各章节的知识点具有的特征，明确了作业要求和评分标准。其中，图3（a）~（c）分别是教材^[5]中第3章《平面连杆机构》、第6章《带传动》和第10章《轴承》设计型作业的要求与评分标准。由图3（a）、图3（b）和图3（c）可见，设计型作业的评分依据中融入了章节要求掌握的知识点，通过章节的设计型作业，能够体现学生掌握和运用理论知识的情况。（3）阶段性设计大作业，主要检验学生融合运用课程中不同章节知识从事设计活动和分析问题的能力，这也是设计机械产品需要具备的基本能力。阶段性设计大作业的模板形式与平时设计型作业类同，但难度有所提高。图3（d）是学习完基本机构类型（平面连杆机构、凸轮机构和间歇运动机构、螺旋机构、带传动机构）之后的阶段性设计大作业的要求及其评分标准，图3（e）则是学习完典型零部件（例如，凸轮、带轮、齿轮、轴和轴承）的结构设计后，要求进行轴系结构设计、分析与计算的评分标准。由于作者所在单位的教学计划中，将80学时的《机械设计基础》课程划分为《机械设计基础(上)》（40学时）和《机械设计基础(下)》（40学时）两门课程，图3（d）和（e）是根据该教学计划制定的阶段性设计大作业。实际上，从教学机制建设的角度看，若将《机械设计基础》作为一门完整的课程更加合理，这样，只需一次期末设计大作业，即可系统地进行机构组合及其零部件的结构设计和计算与分析，完成机械产品从概念设计到详细结构设计的全过程训练。

       学生在做设计型作业时，设计对象的选择（即设计什么产品）完全由学生自主确定，各章设计型作业的评分标准，是在学习完章节内容、布置作业时，放入课程信箱供学生下载和了解，用意是引导学生在做设计型作业的过程中，根据评分标准运用所学理论知识进行设计分析和计算，进一步领会课程要求掌握的知识内容。学生学习知识的主体性及其独立从事设计活动的能力以及创新能力在做设计型作业的过程中得到充分体现。为使知识考核的评价机制具备统一的、可操作的标准，所有设计型作业均根据课程要求掌握的知识点，制定了类似于图3所示的量化评分标准。

由图3所示平时设计型作业和阶段性设计大作业的模板可见，设计型作业需要投入的精力和时间远远多于现行的习题型作业。为引导学生重视知识学习的过程，我们将各章设计型的平时作业成绩确定为课程学习成绩的重要组成部分，占总成绩的60%；章节后的习题型平时作业成绩和实验成绩共占总成绩的20%；阶段性设计大作业考核的要点是融合运用课程不同章节知识的能力，如果独立于平时作业看，阶段性设计大作业的难度比平时设计型作业的难度高，但是，由于有平时设计型作业的知识积淀和设计经验积累，完成阶段性设计大作业实际需要投入的精力少于平时设计型作业，因此将阶段性设计大作业的成绩确定为总成绩的20%。即《机械设计基础》课程最后的总成绩由三大部分组成：章节后习题+实验成绩（20%）+平时设计型作业成绩（60%）+阶段性设计大作业成绩（20%）。

3.3. 深化和巩固课程知识的机制

课程学习完毕，通过习题型作业（注重概念和理论分析计算）和实验环节中的亲自操作，以及各章平时设计型作业和阶段性设计大作业中关于知识应用的锻练，应该说知识学习者个体在知识理解与知识应用方面经历了比较全面的训练。

课程设计是《机械设计基础》课程结束后的实践性教学环节，我们利用这一实践性教学环节，要求学生以团队的形式，采用分工合作的方式，运用三种以上的机构类型组合设计一产品，并且完成产品从概念设计到主要零部件详细结构设计的全过程。与平时设计型作业和阶段性设计大作业类同，针对机械设计基础课程设计的宗旨----综合运用机构设计和机械零部件结构设计的相关知识进行机械产品设计，我们制定了图4所示的《机械设计基础》课程设计模板及其设计要求和评分标准。课程设计的总成绩由设计成绩（占80%）和答辩成绩（占20%）两大部分组成。我们将《机械设计基础》课程设计这一实践性教学环节的训练目标设定为：引导设计团队通过设计活动，再一次深刻地领会、并且系统地融合课程各章节知识，完成机械产品从概念设计到详细设计的诸项内容，同时培养团队协作精神和沟通能力。课程设计结束时，还设置了课程设计答辩环节，即所有设计小组在班级范围内进行答辩，小组成员集体介绍设计作品及其设计过程中解决的重点和难点问题，其它同学可以提问、也可以与小组成员交流和讨论，答辩成绩则由小组之外的同学和教师共同评定（各占50%），答辩环节的宗旨是培养学生组织材料、归纳总结和表述设计工作的能力。

4. 机械设计基础教学机制改革与建设的意义与效果

我们进行《机械设计基础》课程教学机制建设的过程中，从教学内容、知识考核方式及其知识考核评价体系建设着手，制定与现行教学不同的教学机制。在《机械设计基础》课程的教学过程中，经历平时设计型作业à阶段性设计大作业à课程设计三个重要环节之后，知识学习者对于课程知识在机械产品设计中的具体应用即有了一个比较全面的初步了解和感性认识。当他们离开学校，走向社会和工业界时，不会再对机械产品的设计感到茫然。设计过程是融合知识的过程，设计型作业使学生在应用课程理论知识从事设计活动的过程中，不仅能够比较好地自主领会和消化课程知识，也为融合运用课程之外的知识创造了条件。设计型作业中的设计对象（即设计什么产品）完全由学生自主确定，这样，一方面能够引导学生注意观察课程知识在现实生活和产品设计中的作用和应用；另一方面，也能够培养他们自主观察、独立思考的精神。

经过设计型作业的训练，学生能够切身体验学习知识的益处、艰辛与乐趣，同时亦可以通过自主设计诱发创新激情，学生学习的主体性在这一过程中得到充分体现。这种教学机制对于人才培养的益处毋庸置疑。

图5概括了建设这种教学机制的意义。从发展的眼光看，学生在课程学习期间，经历过理论知识指导设计实践的思维训练，其设计能力、创新能力、综合运用知识的能力，以及综合素质均会有大幅提升。他们走出校门，踏上工业界后，如果能将基于理论从事工程设计活动的思维方式融入设计实践中，对于提高工业界从事设计活动的理论水平、引领高质量先进产品的诞生都会产生积极的促进作用，这种人才培养的积累，有益于提高国家整体设计水平和产品的设计质量。

                   图5. 机械设计基础课程教学机制改革的意义和效果

5. 致谢

本文成果系上海市教育委员会2011年重点课程建设项目。在此对于上海市教委给予的立项支持、学校和学院给予的人力和物力支持、以及参与机械设计基础课程建设与实施的实验人员和助教的积极配合表示由衷的谢意！

参考文献

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[2] 吴康宁. 创新人才培养究竟需要什么样的大学[J]. 高等教育研究, 2013, 34(1): 11-15，50

[3] 唐林. 教学模式改革与学生创新能力培养[A]. 机械类课程报告论坛论组委会.机械类课程报告论坛论文集 2007[C]. 北京: 高等教育出版社, 2007: .

[4] 张晓鹏. 美国大学创新人才培养模式探析[J]. 中国大学教学, 2006, (3): 7-11.

[5] 唐林. 机械设计基础（第2版）[M]. 北京: 清华大学出版社, 2013.

[6] 唐林. 机械设计基础电子课件[M/CD]. 北京: 清华大学出版社, 2008

源：此文刊登于中国高校机械课程网论坛http://machinery.cncourse.com/machinery/forumreport/forumgetnewsdetail?objectid=3D4A4BB0-4C0A-11E3-8BB0-87F158B08FE5