設(shè)計是人類有目的地運用創(chuàng)造力的過程,是一種創(chuàng)造性活動,具有創(chuàng)新性。人類從誕生以來,不斷從事著富有創(chuàng)造性的設(shè)計活動,從而推動著社會和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。創(chuàng)造力的培養(yǎng)成為設(shè)計類課程的本質(zhì)要求之一。機械設(shè)計系列課程是機械類學(xué)生的核心課程,通過課程培育學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力便成為課程目標(biāo)的重要組成部分。同時,在“新工科”理念下,信息技術(shù)與機械設(shè)計交叉融合,計算機、數(shù)學(xué)、力學(xué)等學(xué)科與機械學(xué)科相互滲透,也對機械設(shè)計系列課程教學(xué)提出了新要求。在數(shù)字時代,技術(shù)的日新月異促使知識的呈現(xiàn)、傳遞、交流、分享、評價等方式發(fā)生變化,教師教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)不再是技術(shù)支持教學(xué)是否可行,而是何時及如何應(yīng)用技術(shù)。這就意味著數(shù)字時代教師的教學(xué)不再是技術(shù)與教學(xué)方法的簡單疊加,而是一種面向更加復(fù)雜學(xué)習(xí)環(huán)境的技術(shù)與教學(xué)的融合式創(chuàng)新。[1]教師需要明確技術(shù)變革帶來的新問題,設(shè)計出與之適應(yīng)的解決方案,并在實踐行動中不斷修正問題解決方案。為適應(yīng)課程建設(shè)發(fā)展的需要,本文基于設(shè)計思維,從教學(xué)活動、實踐環(huán)節(jié)、項目選題、線上課程資源和整合課程群的視角探索機械設(shè)計系列課程的優(yōu)化路徑。一、困境過去,我國高等教育過分強調(diào)知識的記憶、理解和應(yīng)用,對未來人才的核心競爭力,包括批判性思維、創(chuàng)新思維、問題解決能力和創(chuàng)造力關(guān)注不夠。這一問題也影響了機械設(shè)計系列課程。事實上,機械設(shè)計系列課程內(nèi)容中最能體現(xiàn)課程獨特思維,即培養(yǎng)思維力和創(chuàng)造力的部分被持續(xù)弱化。在探究工程問題與設(shè)計活動中促進學(xué)生問題解決能力和創(chuàng)造力的發(fā)展本是機械設(shè)計系列課程的最本質(zhì)要求,但長期以來一直被忽視,導(dǎo)致該課程失去了靈魂。一方面,機械設(shè)計系列課程作為機械類專業(yè)核心的學(xué)科基礎(chǔ)課程,其課程內(nèi)容應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從定義和描述工程問題開始,經(jīng)過創(chuàng)造性地構(gòu)想問題解決方案、分析評價、修改等過程,實現(xiàn)問題的解決或產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。在教學(xué)實踐中,為高效傳遞知識,教師預(yù)設(shè)的或教科書給定的情境所包含的要素是經(jīng)過處理(去除社會性、復(fù)雜性等特征)后提供給學(xué)生的,這一過程剝離了學(xué)生與真實問題情境的聯(lián)系,無法培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,最終會導(dǎo)致學(xué)生缺乏從真實的問題場景中發(fā)現(xiàn)問題、定義問題或描述問題的能力。同時,實踐環(huán)節(jié)不能采用原型制作、實驗平臺驗證方案和方法的有效性,導(dǎo)致學(xué)生的解題能力很強,但解決問題的能力較弱,學(xué)習(xí)缺乏成就感,也缺乏探究問題的能力。另一方面,數(shù)字化教學(xué)的興起對機械設(shè)計系列課程教學(xué)提出了新要求。但限于課程體系、教學(xué)模式和課程資源,該課程在實施中普遍存在以下五個問題:第一,課程內(nèi)容與現(xiàn)代先進設(shè)計方法和制造手段相對割裂,課程內(nèi)容對機械設(shè)計方法的科學(xué)前沿?zé)狳c跟蹤不緊密,機械建模與仿真分析手段在課堂教學(xué)及實踐環(huán)節(jié)中未能得到普及;第二,課程的理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)相對割裂,理論和教學(xué)實踐的交叉融合不足;第三,課程內(nèi)容碎片化傾向嚴(yán)重,未凸顯解決機械設(shè)計工程領(lǐng)域中復(fù)雜技術(shù)問題的邏輯主線,且教學(xué)資源的匱乏嚴(yán)重制約了課程內(nèi)容的延伸;第四,作為實踐環(huán)節(jié)的課程實驗以演示性、驗證性實驗為主,綜合類實驗、創(chuàng)新設(shè)計類實驗和虛擬仿真實驗的開設(shè)項目有限,且缺乏對理論教學(xué)內(nèi)容的拓展,對學(xué)生創(chuàng)新能力及設(shè)計能力培養(yǎng)的支撐略顯不足;第五,課程實踐環(huán)節(jié)、專業(yè)課程實踐環(huán)節(jié)及畢業(yè)設(shè)計互通融合不足。由此可知,在數(shù)字化背景下,教師不僅需要更好的信息化教學(xué)能力,而且需要通過一種指向復(fù)雜教學(xué)情境的設(shè)計思維整合各種教學(xué)要素,設(shè)計有效的教學(xué)活動,塑造學(xué)生面向未來的終身學(xué)習(xí)的能力。[2]二、設(shè)計思維設(shè)計思維是基于問題而非基于解決方案的思考方式,是一種典型的以用戶為中心的設(shè)計方法,通常被表述為共情、定義、構(gòu)思、原型和測試五個階段。[3-4]設(shè)計思維、工程邏輯是工程教育中最核心的任務(wù)和目標(biāo),如圖1所示的基于工程的設(shè)計思維是人類最常見、最重要的思維方式之一,它引導(dǎo)學(xué)生從定義和描述工程問題開始,經(jīng)過創(chuàng)造性地構(gòu)想問題解決方案、分析評價、修改等過程,實現(xiàn)問題的解決或產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計,以此促進學(xué)生創(chuàng)造性解決問題能力的發(fā)展。近年來,設(shè)計思維因其在解決復(fù)雜和不明確問題時顯現(xiàn)出巨大潛力,已經(jīng)發(fā)展成為一種被廣泛采用的、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的高效手段,在工程、商業(yè)等領(lǐng)域逐漸得到重視和應(yīng)用。圖1基于工程的設(shè)計思維過程同時,隨著信息技術(shù)深度融入教育領(lǐng)域引發(fā)了一系列變革,教師面對的教學(xué)問題變得更具復(fù)雜性與挑戰(zhàn)性,需要綜合考慮和權(quán)衡多種影響因素,敏銳感受、準(zhǔn)確判斷教學(xué)過程中可能出現(xiàn)的新問題。在教學(xué)設(shè)計活動時,教師通過判斷、推理的設(shè)計思維,不斷反思與重構(gòu)所構(gòu)想的解決方案,對教學(xué)進行創(chuàng)新、動態(tài)的塑造。三、優(yōu)化路徑設(shè)計思維強調(diào)項目及任務(wù)的主題來自現(xiàn)實生活中迫切需要解決的需求或問題,或是一個仿真實的項目主題,要求將知識蘊含在真實情境的項目或任務(wù)中,讓學(xué)生通過實踐完成項目進而理解和掌握知識,其本質(zhì)是基于建構(gòu)主義的情境化學(xué)習(xí)模式。[5]基于設(shè)計思維的教學(xué)以各種技術(shù)工具為支撐、以小組合為載體、以反饋和迭代為主要方式,讓學(xué)生在一定的真實情境下完成任務(wù)并形成可視化成果,為學(xué)生創(chuàng)造能力的發(fā)展提供有效的支持。[6](一)教學(xué)活動基于設(shè)計思維的機械原理、機械設(shè)計系列課程的教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容及相應(yīng)教學(xué)環(huán)節(jié)的組織實施及評價標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。教學(xué)活動以探究和設(shè)計為主,并融入設(shè)計思維,使設(shè)計思維內(nèi)化進教學(xué)方式。課程內(nèi)容應(yīng)突出思維力、創(chuàng)造力培養(yǎng),強化系統(tǒng)方案設(shè)計分析,引導(dǎo)學(xué)生使用機構(gòu)建模、運動仿真、制作模型等手段進行創(chuàng)作。圖2設(shè)計思維融入機械設(shè)計系列課程的教學(xué)活動設(shè)計在理論教學(xué)過程中,教師可以針對不同知識模塊增加工程條件分析內(nèi)容,強化學(xué)生獨立分析設(shè)計條件、準(zhǔn)確描述定義工程問題能力。在課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)中,教師可以創(chuàng)設(shè)問題情境,提供數(shù)字化資源支持,并適時介入學(xué)習(xí)小組,協(xié)調(diào)認(rèn)知沖突、輔助設(shè)計方案、進行階段性成果評價。在實施具體的教學(xué)活動時,應(yīng)以真實工程問題解決為導(dǎo)向,以項目式教學(xué)法為主,案例式教學(xué)、情境化教學(xué)為輔,開展以探究和設(shè)計為主要活動的教學(xué),構(gòu)建多樣化、個性化的學(xué)習(xí)活動。同時,應(yīng)注重形成性評價和過程考核模式,促進學(xué)生批判性思維、問題解決能力和創(chuàng)造能力的發(fā)展,使學(xué)習(xí)評價結(jié)果更好地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。(二)實踐環(huán)節(jié)如圖3所示,基于問題解決的內(nèi)在邏輯,課程作為一個項目被拆解為若干子項目貫穿理論教學(xué)的全過程。在項目式教學(xué)中,學(xué)生時常出現(xiàn)不知道如何開啟下一步的問題,這反映出教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計對學(xué)生的引導(dǎo)不足,階段性任務(wù)目標(biāo)的設(shè)置不符合真實工程問題解決和設(shè)計思維的流程。圖3的教學(xué)模式按設(shè)計思維流程明確了各階段需要呈現(xiàn)的成果,課程設(shè)計的最終成果是階段性成果的綜合呈現(xiàn),包括背景調(diào)研(問題情境的深入理解、工程問題的發(fā)現(xiàn)和描述)、需求挖掘(工程問題的進一步描述和定義)、功能分解(確定要解決的主要問題)。可見,基于真實工程問題情境的實踐教學(xué)不僅要考慮各種技術(shù)因素,還要考慮各種非技術(shù)因素設(shè)計挑戰(zhàn)中矛盾的平衡。圖3遞進式教學(xué)實踐環(huán)節(jié)設(shè)置問題情境的創(chuàng)設(shè)可以在為學(xué)生提供背景支撐資料的基礎(chǔ)上,由教師在課堂、實驗室等真實的教學(xué)環(huán)境或混合式課程平臺等虛擬教學(xué)環(huán)境中實現(xiàn)。[7]背景資料不僅可以在問題出現(xiàn)的現(xiàn)場通過視頻講解,而且可以由教師精選提供一些公開發(fā)布的新聞報道、行業(yè)資訊等,甚至可以在問題出現(xiàn)現(xiàn)場錄制教學(xué)視頻、發(fā)布任務(wù)。在實踐過程中,學(xué)生在需求理解和用戶環(huán)節(jié)的分析(共情)階段往往無所適從,對需求的把握不準(zhǔn)確,難以對潛在的需求或未來的需求進行準(zhǔn)確描述,導(dǎo)致項目目標(biāo)不明確。創(chuàng)新源于需求,需求不準(zhǔn)確,創(chuàng)新的基礎(chǔ)就不存在。項目式教學(xué)注重全過程、遞進性和實踐性,引導(dǎo)學(xué)生使用機構(gòu)建模、運動仿真、制作模型等手段進行作品創(chuàng)作及再創(chuàng)作,以階段性可視化學(xué)習(xí)成果和可預(yù)期的評價結(jié)果激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力,讓學(xué)生體驗學(xué)習(xí)的成就感。同時,開放、自由的科創(chuàng)空間學(xué)習(xí)環(huán)境更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力,從而保證每一個有創(chuàng)意的學(xué)生都有機會進行作品的再創(chuàng)造,實現(xiàn)基于體驗和創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過程。遞進式教學(xué)實踐環(huán)節(jié)將實踐環(huán)節(jié)向課堂延伸,提高了理論教學(xué)的深度和廣度,促進了理論教學(xué)和實踐活動的有效交叉融合,改變了機械設(shè)計系列課程理論與實踐融合不足的現(xiàn)狀。(三)項目選題遞進式教學(xué)實踐環(huán)節(jié)中的項目選題可以分為傳統(tǒng)題目和創(chuàng)新類題目兩大類。傳統(tǒng)題目一般是將行業(yè)生產(chǎn)中已解決的問題凝煉成為一個項目任務(wù),項目具有典型性,可以覆蓋課程學(xué)習(xí)的基本內(nèi)容,基本實現(xiàn)對課程單元知識綜合應(yīng)用訓(xùn)練的目標(biāo)。創(chuàng)新類題目源于現(xiàn)實社會的真實需求或潛在需求,需要學(xué)生深入理解問題背景并挖掘需求,定義和描述工程問題,確定需要解決的主要問題,再經(jīng)過創(chuàng)造性地構(gòu)想問題解決方案,實現(xiàn)問題的解決或產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。這是一個具有創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)過程,可以充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和學(xué)習(xí)主動性。課程團隊在2020—2022年按照以上原則針對機械設(shè)計系列課程進行了三輪改革實踐,將“機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”等學(xué)科競賽主題及行業(yè)實際需求引入課程大作業(yè)和課程設(shè)計,將學(xué)生按照自愿及能力互補的原則進行分組,引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自身興趣愛好自選課程設(shè)計題目開展不同層次創(chuàng)新實踐訓(xùn)練和工程項目研究。在具體實踐過程中,將理論課程大作業(yè)作為課程設(shè)計的前置任務(wù),發(fā)布課程選題指南。選題考慮了學(xué)生的能力差異,成果原型呈現(xiàn)方式根據(jù)學(xué)生能力差異做了不同的要求。為進一步提高學(xué)生參與度,小組人數(shù)控制在3—4人,通過改進評價方式促使學(xué)習(xí)小組的組合實現(xiàn)能力互補。理論課程階段增加了選題答辯環(huán)節(jié),答辯內(nèi)容分析選題的背景調(diào)研及需求以論證選題的必要性和合理性,為項目順利開展提供支撐和保障。以上措施較好地實現(xiàn)了課程預(yù)期目標(biāo),部分學(xué)習(xí)小組超額完成了課程設(shè)計的規(guī)定任務(wù)及彈性任務(wù),創(chuàng)新教育的分層目標(biāo)實現(xiàn)較好。將學(xué)科競賽的題目引入課程設(shè)計通過進一步完善課程設(shè)計題目分類管理(傳統(tǒng)題目、創(chuàng)新類題目)和分層評價標(biāo)準(zhǔn),緩解了因?qū)W生學(xué)習(xí)能力差異帶來的創(chuàng)新類題目覆蓋效果較差的問題,實現(xiàn)了創(chuàng)新能力的分層培養(yǎng)。(四)線上課程資源圍繞課程理論教學(xué)、課程設(shè)計、學(xué)生科研創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)生科技創(chuàng)新活動,課程團隊通過引進資源和自建資源相結(jié)合的方式建立了數(shù)字化教學(xué)資源庫,具體內(nèi)容如圖4所示。數(shù)字化教學(xué)資源庫吸收了國家大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、“挑戰(zhàn)杯”科技作品大賽、國家大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目等課外科技活動中的優(yōu)秀作品,以此拓寬學(xué)生的視野。圖4數(shù)字化教學(xué)資源庫的基本框架建設(shè)數(shù)字化教學(xué)資源庫為新模式教學(xué)活動的組織實施提供了支持,為學(xué)生展現(xiàn)了基于工程邏輯的問題分析、問題定義、問題解決方案的迭代過程及現(xiàn)代設(shè)計方法和手段的應(yīng)用,幫助學(xué)生體驗真實工程問題的解決過程。(五)整合課程群在項目實施過程中,學(xué)生通常會因為技術(shù)手段的不足而難以推進項目。課程團隊以眾創(chuàng)空間、創(chuàng)新實驗平臺為支撐,整合創(chuàng)新課程資源,形成了模塊化的創(chuàng)新課程群,與理論課程和實踐環(huán)節(jié)慕課資源互為補充,有效支持了探究型、設(shè)計型教學(xué)活動的開展。創(chuàng)新課程一般有三種形式:第一,以創(chuàng)新思維訓(xùn)練為主要形式的創(chuàng)新課程;第二,以實驗平臺為支撐的創(chuàng)新實驗;第三,以創(chuàng)新技能的學(xué)習(xí)為目標(biāo)的創(chuàng)新課