基于OBE的机械设计类课程设计“1234”模式探索-王建-李钢
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摘要：本文分析了机械设计类课程设计的教学现状和存在的问题，提出了基于OBE的“1234”模式。“1234”模式中的“1”是指课程设计围绕一 个核心，“2”是指题目设置具有两种特性，“3”是指课程设计的执行要遵循3个步骤，“4”是指课程设计的开展要采取4个阶段。研究成果对于提高课程设计的学习效果、充分发挥学生的积极性和创造性具有重要意义。
关键词：以成果为导向；机械设计；课程设计；模式；探索
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）09-0200-03
机械设计类课程设计主要包括机械设计基础课程设计（1周）、机械设计基础课程设计（2周）、机械设计课程设计（2周）。机械设计类课程设计是融合了机械制图、机械设计基础、机械原理、机械制造技术基础、互换性与技术测量等课程的知识，是学生获取工程技术训练的重要实践教学环节，对于巩固所学专业知识，培养查阅资料或手册的能力，掌握解决复杂工程问题的方法具有重要的作用。
以学生为中心、以成果为导向，持续改进是工程教育认证的核心理念，这些理念代表了工程教育认证改革的方向，是一种先进的教育理念[1]。而成果导向（Outcome Based Education，OBE）的核心是以学生能力的获得（学生学了什么）为评价教学成果的依据，而非“教育输入”（教师教了什么）。从目前很多高校的机械设计类课程设计来看，题目的设置方面、运行模式方面和考核方式等都与工程教育认证的核心理念还有很大差距。近年来，很多专家和学者对机械设计类课程设计提出了改革方案[2-6]。本文结合南京工程学院机械设计类课程设计的实际情况提出了“1234”运行和改革模式。
一、课程设计的教学现状以及存在的问题
1.课程设计的基本内容。目前，国内大部分高校的机械设计类课程设计题目都是设计一个齿轮减速器，详细来说，一周的课程设计是设计一个一级的直齿或斜齿圆柱齿轮减速器，两周的课程设计是设计一个两级的直齿或斜齿圆柱齿轮减速器。以我校机械工程学院两周的机械设计基础课程设计为例，其设计的题目为：带式输送机传动装置二级直齿/斜齿圆柱齿轮减速器设计，带式输送机的传动方案如图1所示。其初始条件为：输送带有效拉力F、输送机滚筒转速n、输送机滚筒直径D，减速器设计寿命为10年（每年250个工作日）。其工作条件为：两班制，常温下连续工作；空载起动，工作载荷平稳，单向运转；三相交流电源，电压为380/220伏。设计任务为：提供减速器装配图1张（0号图纸）、零件图2张（齿轮或轴，2号图纸）、设计计算说明书1份（不少于5000字）。
2.存在的主要问题。
（1）设计题目单一，缺乏多样性和创新性。南京工程学院机械工程学院机械设计类课程设计的题目为具有典型代表性的直/斜齿轮减速器。一般来讲，学号为奇数的学生做的是直齿轮减速器的设计，学号为偶数的学生做的是斜齿轮减速器的设计。为了避免抄袭，每个人的初始数据均不同，即三个初始条件：输送带有效拉力F、输送机滚筒转速n、输送机滚筒直径D。从表面上来看，学生一人一题，可以避免抄袭，但从交上来的学生成果来看，大部分都是千篇一律。还有很多学生拿到了往年学生的图纸，大家人手一份，错误的地方也照抄。这种方式不利于培养其实践能力，也难以达到课程设计所设置的目的要求。从创新的角度来讲，目前 的课程设计是基于系统方案成型的基础上而开展的，不利于学生创新能力的培养。
（2）个人单独完成，缺乏团队合作。团队是由一些具有共同奋斗目标和一致认可的行动策略的人组成，他们才能互补，并且负有共同责任[7]。团队的集体成果是通过每个成员的努力换来的，是各成员之间采用集体讨论、决策以及信息共享和标准化等方式而获得的[8]。在目前的机械设计类课程设计中，学生在拿到数据以后，自己做自己的，学生之间几乎没有交流，更谈不上团队之间的合作。但是，在实际的工程实践中，一个项目靠个人的力量是无法完成的，必须要求团队成员之间的分工合作。这种依靠个人单打独斗的方式从一定程度上切断了学生之间的相互联系，导致学生在以后的工作中难以从大局的角度考虑问题。另外，在选择各种机械设备以及建立各机构之间的联系过程中，也会出现盲目选择的情况，对个人发展非常不利。
（3）考核方式死板，无法调动学生的积极性。教师对学生课程设计的考核主要是按照学生交上来的设计说明书和设计图纸，一是看工作量是否满足要求，二是看说明书和设计图纸的质量，考核方式过于简单和死板。由于缺少前期的组织动员，师生之间的交流与互动相对较少，考核的时候又缺少答辩交流环节，导致学生不会认识到自己的错误。比如，在轴的设计中，软齿面的主要失效形式是齿面点蚀，按照齿面接触疲劳强度进行设计，按齿根弯曲强度进行校核，而对于硬齿面，其主要失效形式是齿根折断，要按照齿根弯曲强度进行设计，按照齿面接触强度进行校核。而学生只是照抄书上的例子，虽然结果是正确的，但却不知道自己设计的是硬齿面还是软齿面。再比如图纸上的表面粗糙度的值都是从书中抄来的， 至于为什么给出每个粗糙度的数值却不清楚。因此，这种缺少答辩交流的考核方式严重影响了课程设计的效果。
二、“1234”模式构建
为了解决目前机械设计类课程设计存在的缺陷，本文提出了课程设计的“1234”模式。如图2所示，“1234”模式中的“1”是指课程设计围绕一个核心，“2”是指题目设置具有两种特性，“3”是指课程设计的执行要遵循3个步骤，“4”是指课程设计的开展要采取4个阶段。
1.以學生能力的获得为核心。课程设计是学生获取工程技术训练的综合性实践教学环节，经过课程设计，学生应掌握运用综合知识解决复杂工程问题的能力。因此，机械设计类课程设计必须与工程教育的核心理念一致，即以学生的能力获得为核心。
2.题目设计应具有综合性和创新性。课程设计的题目应具有综合性，具体要满足如下要求：（1）设计中所用到的传动方式必须是机械设计课程中所讲授过的，例如：齿轮传动、蜗杆传动、带传动和链传 动等。（2）难度适中，既让学生在规定的时间内能够完成，又能锻炼学生的实践动手能力。课程设计的题目应具有创新性，即题目的选择不能过于传统，也不能过于固定，而是要选择灵活性的半开放式题目，要有利于学生创造力的发挥。
在实际执行过程中，既可以从实际工程案例中寻找，也可以从教师的科研项目中寻找，还可以以学生根据自己的兴趣特点自拟题目。总之，要满足具有一定的综合性和创新性，既要难度适中，又要满足教学目标的要求。所谓综合性，指题目的实施中一般既要包含传动零件的设计计算、轴类零件的设计计算、联轴器和轴承的选择和计算，又有螺纹连接、键和销的连接、润滑和密封等知识点的考核。
3.课程设计的执行应遵循理论计算、设计绘图和加工制造三个步骤。在课程设计的执行过程中，不仅要进行理论计算和图纸绘制，如材料选择、强度和刚度校核、确定尺寸和装配关系等，还包括加工和制作。因此，在设计时应该考虑到加工的问题，即需要依据加工单元与材料来考虑所设计装置各零件的形状与尺寸，形成由零件加工形式、模型装配、零件设计计算等一体化的设计加工模式。零部件理论设计计算、装置传动效率计算过程不在是单纯的照搬照抄，图纸的绘制也不单纯是照葫芦画瓢，且在整个设计过程中需要团队成员协同完成。
4.课程设计的开展应采取设计动员、方案建立、模型制作和答辯交流四个阶段。（1）设计动员阶段。学生根据设计任务，3—5人自愿组成一个小组，结合自己的兴趣到图书馆查阅资料，主动与指导教师讨论并最终确定选题。课程设计题目确定的同时，学生也学会了如何查阅资料，并且具备了一定的主动思考的能力，同时整个过程学生都能具有很高的学习热情。
（2）方案建立阶段。团队成员具体分工，确定每个人的任务和具体进度安排。每个小组负责人定期向教师提交上一阶段的任务完成情况以及下一阶段的工作安排。通过该阶段的训练可以培养学生的项目管理能力、团队协作能力和相互协调能力。（3）模型制作阶段。学生根据自己的设计方案，利用简单的机加工、线切割或3D打印等方式开展实物制作，并以实物的形式提交设计成果，对模型制作的质量不做重点考核。通过该过程可以培养学生的工程意识，锻炼学生的工程制作能力。（4）答辩交流阶段。摆脱传统的仅以说明书和图纸定成绩的方式，增加答辩交流环节。所谓答辩交流，不仅是指教师问问题，学生进行回答，教师还应对学生做错的地方给予纠正，使学生知道错在哪里，正确的做法是什么。答辩方式可以采用PPT讲稿，并保证每个学生参加答辩。通过该过程，可以锻炼学生的语言表达能力和语言组织能力。
三、结语
针对目前机械设计类课程设计存在的问题，提出了课程设计的“1234”模式，该模式具有如下优点：
（1）题目的选择具有综合性和创新性，不但考察了综合知识的应用能力，还培养了学生的创新能力。（2）在课程设计的实施过程中，增加了加工制作环节，使学生在设计时能够考虑到加工的问题，形成了由零件加工形式、模型装配、零件设计计算等一体化的设计加工模式。（3）课程设计是以团队的形式来完成的，一方面锻炼了学生的团队合作精神，另一方面在选择各种机械设备以及建立各机构之间的相互联系的过程中，会避免出现盲目选择的情况。（4）摆脱了传统的仅以说明书和图纸定成绩的方式，课程设计的考核增加了答辩交流环节，锻炼了学生的表达交流能力。
参考文献：
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