数字化背景下基于设计思维的机械设计系列课程项目式教学研究

设计是人类有目的地运用创造力的过程,是一种创造性活动,具有创新性。人类从诞生以来,不断从事着富有创造性的设计活动,从而推动着社会和经济的持续发展。创造力的培养成为设计类课程的本质要求之一。机械设计系列课程是机械类学生的核心课程,通过课程培育学生的创新精神和创造力便成为课程目标的重要组成部分。同时,在“新工科”理念下,信息技术与机械设计交叉融合,计算机、数学、力学等学科与机械学科相互渗透,也对机械设计系列课程教学提出了新要求。在数字时代,技术的日新月异促使知识的呈现、传递、交流、分享、评价等方式发生变化,教师教学面临的挑战不再是技术支持教学是否可行,而是何时及如何应用技术。这就意味着数字时代教师的教学不再是技术与教学方法的简单叠加,而是一种面向更加复杂学习环境的技术与教学的融合式创新。[1]教师需要明确技术变革带来的新问题,设计出与之适应的解决方案,并在实践行动中不断修正问题解决方案。为适应课程建设发展的需要,本文基于设计思维,从教学活动、实践环节、项目选题、线上课程资源和整合课程群的视角探索机械设计系列课程的优化路径。一、困境过去,我国高等教育过分强调知识的记忆、理解和应用,对未来人才的核心竞争力,包括批判性思维、创新思维、问题解决能力和创造力关注不够。这一问题也影响了机械设计系列课程。事实上,机械设计系列课程内容中最能体现课程独特思维,即培养思维力和创造力的部分被持续弱化。在探究工程问题与设计活动中促进学生问题解决能力和创造力的发展本是机械设计系列课程的最本质要求,但长期以来一直被忽视,导致该课程失去了灵魂。一方面,机械设计系列课程作为机械类专业核心的学科基础课程,其课程内容应引导学生从定义和描述工程问题开始,经过创造性地构想问题解决方案、分析评价、修改等过程,实现问题的解决或产品的创新设计。在教学实践中,为高效传递知识,教师预设的或教科书给定的情境所包含的要素是经过处理(去除社会性、复杂性等特征)后提供给学生的,这一过程剥离了学生与真实问题情境的联系,无法培养学生解决复杂工程问题的能力,最终会导致学生缺乏从真实的问题场景中发现问题、定义问题或描述问题的能力。同时,实践环节不能采用原型制作、实验平台验证方案和方法的有效性,导致学生的解题能力很强,但解决问题的能力较弱,学习缺乏成就感,也缺乏探究问题的能力。另一方面,数字化教学的兴起对机械设计系列课程教学提出了新要求。但限于课程体系、教学模式和课程资源,该课程在实施中普遍存在以下五个问题:第一,课程内容与现代先进设计方法和制造手段相对割裂,课程内容对机械设计方法的科学前沿热点跟踪不紧密,机械建模与仿真分析手段在课堂教学及实践环节中未能得到普及;第二,课程的理论教学和实践环节相对割裂,理论和教学实践的交叉融合不足;第三,课程内容碎片化倾向严重,未凸显解决机械设计工程领域中复杂技术问题的逻辑主线,且教学资源的匮乏严重制约了课程内容的延伸;第四,作为实践环节的课程实验以演示性、验证性实验为主,综合类实验、创新设计类实验和虚拟仿真实验的开设项目有限,且缺乏对理论教学内容的拓展,对学生创新能力及设计能力培养的支撑略显不足;第五,课程实践环节、专业课程实践环节及毕业设计互通融合不足。由此可知,在数字化背景下,教师不仅需要更好的信息化教学能力,而且需要通过一种指向复杂教学情境的设计思维整合各种教学要素,设计有效的教学活动,塑造学生面向未来的终身学习的能力。[2]二、设计思维设计思维是基于问题而非基于解决方案的思考方式,是一种典型的以用户为中心的设计方法,通常被表述为共情、定义、构思、原型和测试五个阶段。[3-4]设计思维、工程逻辑是工程教育中最核心的任务和目标,如图1所示的基于工程的设计思维是人类最常见、最重要的思维方式之一,它引导学生从定义和描述工程问题开始,经过创造性地构想问题解决方案、分析评价、修改等过程,实现问题的解决或产品的创新设计,以此促进学生创造性解决问题能力的发展。近年来,设计思维因其在解决复杂和不明确问题时显现出巨大潜力,已经发展成为一种被广泛采用的、培养创新思维的高效手段,在工程、商业等领域逐渐得到重视和应用。图1基于工程的设计思维过程同时,随着信息技术深度融入教育领域引发了一系列变革,教师面对的教学问题变得更具复杂性与挑战性,需要综合考虑和权衡多种影响因素,敏锐感受、准确判断教学过程中可能出现的新问题。在教学设计活动时,教师通过判断、推理的设计思维,不断反思与重构所构想的解决方案,对教学进行创新、动态的塑造。三、优化路径设计思维强调项目及任务的主题来自现实生活中迫切需要解决的需求或问题,或是一个仿真实的项目主题,要求将知识蕴含在真实情境的项目或任务中,让学生通过实践完成项目进而理解和掌握知识,其本质是基于建构主义的情境化学习模式。[5]基于设计思维的教学以各种技术工具为支撑、以小组合为载体、以反馈和迭代为主要方式,让学生在一定的真实情境下完成任务并形成可视化成果,为学生创造能力的发展提供有效的支持。[6](一)教学活动基于设计思维的机械原理、机械设计系列课程的教学目标、课程内容及相应教学环节的组织实施及评价标准如图2所示。教学活动以探究和设计为主,并融入设计思维,使设计思维内化进教学方式。课程内容应突出思维力、创造力培养,强化系统方案设计分析,引导学生使用机构建模、运动仿真、制作模型等手段进行创作。图2设计思维融入机械设计系列课程的教学活动设计在理论教学过程中,教师可以针对不同知识模块增加工程条件分析内容,强化学生独立分析设计条件、准确描述定义工程问题能力。在课程设计等实践环节中,教师可以创设问题情境,提供数字化资源支持,并适时介入学习小组,协调认知冲突、辅助设计方案、进行阶段性成果评价。在实施具体的教学活动时,应以真实工程问题解决为导向,以项目式教学法为主,案例式教学、情境化教学为辅,开展以探究和设计为主要活动的教学,构建多样化、个性化的学习活动。同时,应注重形成性评价和过程考核模式,促进学生批判性思维、问题解决能力和创造能力的发展,使学习评价结果更好地反映学生的学习效果。(二)实践环节如图3所示,基于问题解决的内在逻辑,课程作为一个项目被拆解为若干子项目贯穿理论教学的全过程。在项目式教学中,学生时常出现不知道如何开启下一步的问题,这反映出教学环节的设计对学生的引导不足,阶段性任务目标的设置不符合真实工程问题解决和设计思维的流程。图3的教学模式按设计思维流程明确了各阶段需要呈现的成果,课程设计的最终成果是阶段性成果的综合呈现,包括背景调研(问题情境的深入理解、工程问题的发现和描述)、需求挖掘(工程问题的进一步描述和定义)、功能分解(确定要解决的主要问题)。可见,基于真实工程问题情境的实践教学不仅要考虑各种技术因素,还要考虑各种非技术因素设计挑战中矛盾的平衡。图3递进式教学实践环节设置问题情境的创设可以在为学生提供背景支撑资料的基础上,由教师在课堂、实验室等真实的教学环境或混合式课程平台等虚拟教学环境中实现。[7]背景资料不仅可以在问题出现的现场通过视频讲解,而且可以由教师精选提供一些公开发布的新闻报道、行业资讯等,甚至可以在问题出现现场录制教学视频、发布任务。在实践过程中,学生在需求理解和用户环节的分析(共情)阶段往往无所适从,对需求的把握不准确,难以对潜在的需求或未来的需求进行准确描述,导致项目目标不明确。创新源于需求,需求不准确,创新的基础就不存在。项目式教学注重全过程、递进性和实践性,引导学生使用机构建模、运动仿真、制作模型等手段进行作品创作及再创作,以阶段性可视化学习成果和可预期的评价结果激发学生的学习动力,让学生体验学习的成就感。同时,开放、自由的科创空间学习环境更能激发学生的创造力,从而保证每一个有创意的学生都有机会进行作品的再创造,实现基于体验和创造的学习过程。递进式教学实践环节将实践环节向课堂延伸,提高了理论教学的深度和广度,促进了理论教学和实践活动的有效交叉融合,改变了机械设计系列课程理论与实践融合不足的现状。(三)项目选题递进式教学实践环节中的项目选题可以分为传统题目和创新类题目两大类。传统题目一般是将行业生产中已解决的问题凝炼成为一个项目任务,项目具有典型性,可以覆盖课程学习的基本内容,基本实现对课程单元知识综合应用训练的目标。创新类题目源于现实社会的真实需求或潜在需求,需要学生深入理解问题背景并挖掘需求,定义和描述工程问题,确定需要解决的主要问题,再经过创造性地构想问题解决方案,实现问题的解决或产品的创新设计。这是一个具有创造性的学习过程,可以充分激发学生的创造力和学习主动性。课程团队在2020—2022年按照以上原则针对机械设计系列课程进行了三轮改革实践,将“机械创新设计大赛”等学科竞赛主题及行业实际需求引入课程大作业和课程设计,将学生按照自愿及能力互补的原则进行分组,引导学生结合自身兴趣爱好自选课程设计题目开展不同层次创新实践训练和工程项目研究。在具体实践过程中,将理论课程大作业作为课程设计的前置任务,发布课程选题指南。选题考虑了学生的能力差异,成果原型呈现方式根据学生能力差异做了不同的要求。为进一步提高学生参与度,小组人数控制在3—4人,通过改进评价方式促使学习小组的组合实现能力互补。理论课程阶段增加了选题答辩环节,答辩内容分析选题的背景调研及需求以论证选题的必要性和合理性,为项目顺利开展提供支撑和保障。以上措施较好地实现了课程预期目标,部分学习小组超额完成了课程设计的规定任务及弹性任务,创新教育的分层目标实现较好。将学科竞赛的题目引入课程设计通过进一步完善课程设计题目分类管理(传统题目、创新类题目)和分层评价标准,缓解了因学生学习能力差异带来的创新类题目覆盖效果较差的问题,实现了创新能力的分层培养。(四)线上课程资源围绕课程理论教学、课程设计、学生科研创新训练、学生科技创新活动,课程团队通过引进资源和自建资源相结合的方式建立了数字化教学资源库,具体内容如图4所示。数字化教学资源库吸收了国家大学生机械创新设计大赛、“挑战杯”科技作品大赛、国家大学生创新计划项目等课外科技活动中的优秀作品,以此拓宽学生的视野。图4数字化教学资源库的基本框架建设数字化教学资源库为新模式教学活动的组织实施提供了支持,为学生展现了基于工程逻辑的问题分析、问题定义、问题解决方案的迭代过程及现代设计方法和手段的应用,帮助学生体验真实工程问题的解决过程。(五)整合课程群在项目实施过程中,学生通常会因为技术手段的不足而难以推进项目。课程团队以众创空间、创新实验平台为支撑,整合创新课程资源,形成了模块化的创新课程群,与理论课程和实践环节慕课资源互为补充,有效支持了探究型、设计型教学活动的开展。创新课程一般有三种形式:第一,以创新思维训练为主要形式的创新课程;第二,以实验平台为支撑的创新实验;第三,以创新技能的学习为目标的创新课