陈晔，姜丁文

(1.辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001；2.锦州医科大学 附属第一医院，辽宁 锦州 121001)

一、引言

2017 年以来，国家推进新工科的建设，积极探索工程教育的中国模式和经验，提出新工科建设计划[1]。这就赋予了高校工程教育新的任务，为新工科专业培养更多的多元化、创新型卓越工程人才[2]。坚实而广博的知识基础无疑是优质人才的一个必备条件。这就要求教师在课程，尤其是核心课程的教学中，不断更新教学观念，改进教学方法，提高教学效果。

机械设计课程是机械类专业的核心课程，希望学生通过学习掌握机械中常用零部件的结构特点、应用、选型以及设计等基本知识，使学生具有设计简单机械装置的能力。在“新工科”背景下，机械设计课程除了要实现上述教学目标外，还要培养学生解决实际工程问题的能力以及创新能力。然而，目前我国的工科院校机械设计的教学大多沿用传统的LBL（Lecture-Based Learning）教学方法，这种教师讲授学生学的单向教学模式显然不能满足新的培养目标。

PBL（Problem-Based Learning,PBL）是以问题为基础的教学方法，最初研究起源于20 世纪60 年代后期美南伊利诺大学基于问题学习研究所所长Barrows 教授的发现，并得到了广泛的应用[3]。该方法在20 世纪90 年代引入我国，其应用以医学院校为主[4-6]。经过多年的应用与发展，PBL 教学法取得的成效促使其逐渐在其他领域得到应用[7-9]。

辽宁工业大学（以下简称我校）机械设计课程组在课程教学中引入PBL 教学方法，旨在培养工科学生独立思考和解决问题的能力、团队协作的能力以及创新创造的能力。我们通过加入PBL 教学模式，调动学生的学习积极性，提高学生的学习质量，培养学生的综合能力，塑造“新工科”专业所需的多元化、创新型技术人才。

二、方法

（一）研究对象

选取我校软件学院2020 级机械专业2 个行政班共54 名本科学生作为研究对象，其中男生50 人，女生4 人。按行政班分成试验组（27 人）和对照组（27 人）。试验组采用PBL 教学方法，每组6—7人，分成4 组；对照组采用传统的LBL 教学方法。两组学生的基础课成绩无明显差异（P>0.05）。纳入标准是自愿参与研究，主动配合。排除标准为中途退出者。两组均采用孙志礼、闫玉涛和田万禄主编、科学出版社出版的国家级精品课程主干教材、辽宁省“十二五”普通高等教育本科省级规划教材——《机械设计》第二版作为教材，教学总课时数相同，由同一名教师授课。

（二）教学方法

1.PBL 教学方法的融入——以螺栓连接强度计算为例。PBL 教学方法是以“问题”为基础。机械设计课程中各个知识点中所设立的问题，一般都有着较强的综合性和交叉性。考虑到课程设置、内容以及学时等多方面条件的限制，在教学中完全采用PBL 教学方法显然是不现实的，也是有难度的[10]。因此，对于试验组，课程组筛选各章若干重点教学桥段，设立问题，进行PBL 教学；而其余教学内容，仍采取LBL 教学方法进行系统的教授。

（1）提出问题。以螺纹连接章节为例，该章节中的一个重要知识点是“单个螺栓连接强度计算”，涉及到两类螺栓连接分别受横向载荷和轴向载荷的3 类强度计算内容。因此，对这3 类内容分别设立问题。如，普通螺栓连接受轴向载荷，以工程上常见的凸缘联轴器的转矩传递为例，将“根据现有的原始数据，在保证强度的情况下合理选取连接螺栓的直径”等4 个典型工程问题，在开课前一周发布给4 个小组。

问题的发布不单单只是布置任务，还要围绕问题对学生进行一定的引导。虽为4 个问题，但核心内容是相同的。要解决这些问题，首先，学生要对凸缘联轴器传递转矩的基本原理进行理解与掌握，即掌握普通螺栓连接受轴向载荷承载机理。其次，基于承载机理，引导学生推导出联轴器能作为静联接的条件，即不滑移的条件。再次，工作中若载荷增加，为继续保证不滑移条件，需考虑螺栓的强度条件，即螺栓的强度条件公式。最后，根据各自的问题，基于上述公式进行计算求解。这是知识获取的思维路线，但解决问题的路线往往是与获取知识的路线方向相反。

通过引导学生思考，培养他们具有清晰的逻辑思维，是学习知识和解决问题的关键。

（2）课前方案制定与实施。学生以小组为单位，在接到任务后进行小组讨论，制定实施的方案。通过教材、图书馆文献以及网络期刊等文献的检索，尽可能全面地获取知识内容。根据知识获取的思维路线进行内容学习。再根据实际问题，提出解决方案，并依据设计手册、行业标准等资料合理求解。最后制作报告（包括汇报幻灯）。每个小组都有组长，组长要安排组员的工作任务，并全面协调组员的工作。根据需要，小组可以寻求授课教师的指导，而教师在这其中只做方向的把控而非主导。

驱动形式 ....................................................中置后驱

（3）课堂学生讨论与教师总结。每个小组指派一名代表对问题的解决进行汇报，包括知识点内容的讲解、对工程问题以及求解思路的分析，最终阐述求解过程。各组之间再进行质疑、讨论以及补充，最后由授课教师进行点评，对未深入理解或掌握的知识点进行补充讲解，对未正确求解的问题进行指导讲解，并在学习通平台线上发布作业进行巩固，使学生掌握重难点知识点和问题的求解思路。

2.LBL 教学方法。对于对照组，在对应进行PBL 的教学桥段，教师仍然按照常规的授课方法，基于教学大纲，采用多媒体结合板书的线下授课方式，同时辅以学习通线上的作业、测试发布，巩固学习知识。

（三）评价指标

由于机械设计为我校的校级技术基础课，采取教考分离，题库抽题。因此，课程结束后会进行统一的理论考试，采取闭卷考试形式，满分为100 分。阅卷过程为流水双盲法，以保证考试的公平性以及研究成果的客观性。由于本文是以“螺栓连接强度计算”为例，因此，下文的结果分析也是着重以螺纹连接题型的答题情况和总分作为基础数据进行分析。同时，对试验组进行PBL 教学的问卷调查，通过问卷辅助调研学生对PBL 教学认识与学习效果评价。

（四）统计学方法

应用MATLAB 进行统计学分析，正态分布数据采用()表示，应用t检验，p<0.05 差异具有统计学意义。

三、结果

（一）一般情况

试验组与对照组在年龄、性别、民族之间均无统计学意义（P>0.05）。

（二）考试成绩

理论考试试题的满分是100分，其中螺纹连接题型满分12分。试验组的理论考试成绩为（79.74 ±17.50）分，明显高于对照组的（63.11 ± 21.95）分。同时进行t检验，发现差异有统计学意义（t=3.078,p<0.005）。而螺纹连接题型部分，试验组的成绩为（9.29 ± 3.50）分，亦明显高于对照组的（5.29 ±4.11）分。而t检验的结果显示差异同样有统计学意义（t=3.846,P<0.001）（如表1所示）。另外，试验组的试卷总分通过率为88.89%，螺纹连接题型通过率为62.96%，均高于对照组的62.96%和30.6%。

表1 两组学生理论考试成绩的统计学数据对比()

表1 两组学生理论考试成绩的统计学数据对比()

（三）PBL 教学的问卷调查

表2 试验组学生问卷调查结果（节选）

四、讨论

PBL 教学方法，是以学生为中心，以问题为导向，教师在学生的整个学习过程中起到辅助作用。这种学习方法的目的是要引导学生分析问题、提出方案、解决问题，从中培养学生自主学习理论知识，并将其与实践相关联统一。

PBL 方法对教学效果有两层的提升：第一层，即对理论知识学习效果的提升；第二层，则是对能力培养效果的提升。接下来笔者也将从这两方面结合试验数据进行讨论。

（一）PBL 教学方法对理论知识学习的效果提升

评价理论知识的学习效果，最直接的方法是对比理论考试成绩。而从考试成绩中的确可以看出，PBL 教学方法对理论知识的学习效果有着较为明显的提升。

首先来看考试的总分，试验组的理论考试成绩为（79.74 ± 17.50）分，明显高于对照组的（63.11 ±21.95）分。同时进行t检验，差异有统计学意义（t=3.078,P<0.005），试验组的试卷总分通过率为88.89%，亦高于对照组的62.96%。

因此，单纯从考试总分上可以看出，在这一学期中试验组的学生经过多次PBL 教学方法的锻炼，对各章节内容的理解与掌握程度要优于对照组。另一方面，结合试验组学生的问卷调查，可以发现在PBL 教学环节中，不少学生提高了分析问题、解决问题的能力。这也是一种自学能力的提高，它也导致了试验组学生在课程的学习和复习环节具有更强的能力，因此总分会有显著的提高。

再看本次考试螺纹连接题型的答题情况。本题为计算题，考点为普通螺栓受横向载荷的知识，这正是本学期实行PBL 教学的其中一个桥段。本题属于比较贴近工程实际的分析计算题，满分为12 分。对照组的学生该题得分仅为（5.29±4.11）分，若该题折算成100 分满分，平均分仅为44.1 分，并没有达到及格线；而试验组的学生，该题的得分达到（9.29±3.50）分，该题若折算成100 分满分，平均分达到了77.4 分。t检验的结果显示差异有统计学意义。该题型试验组学生的通过率为62.96%，虽比总分的通过率低，但却远高于对照组的30.6%。因此，单纯从该题的得分率来看，试验组的学习效果是远好于对照组的。

这里，为了更为深入地进行横向对比与分析，我们将本次参加考试的所有学生该题的得分（总体样本）进行统计，计算出该题总体样本的成绩分布情况[11]，如表3 所示。

表3 螺纹连接题型总体样本的试卷分析

从表3 可以看出，在有试验组影响的情况下，本题总体通过率也仅为44.28%，平均分也仅有6.271 4 分，换算成满分100 分也并没有达到60 分。而本题的区分度达到了1.429 8，非常好；难度系数达到了0.477 4，属于较难题，这也符合本题贴近工程实际的特征。而这也说明了为什么本题两组学生得分的反差会如此之大。该考点与PBL 教学桥段的知识点相贴合，试验组的学生通过以小组为单位解决问题的方式加深了对此知识点的理解与掌握。同时，参与PBL 教学环节使学生分析问题、解决问题的实践能力得到了提高，因此，即便在考试中的题型与平时练习的不同，学生也会基于扎实的理论基础，凭借主动分析将问题正确合理地解决，即达到融会贯通的水平。这也正是我们所希望达到的目的。从试验组学生的调查问卷中发现，学生除了能深刻地理解、掌握所学内容，还能“了解到了与问题相关的最新理论信息”。上述试题，27 名同学中有25 名表示肯定，说明他们通过资料、文献的查阅，接触到了本学科较为先进的理论知识。这也是传统LBL 教学方法所欠缺之处。

（二）PBL 教学方法对能力培养的效果提升

参与PBL 教学环节，学生不仅能提高知识的学习效果，包括上文提到的文献查阅等综合能力的培养也是显著的。这一点从问卷调查中就可以看出。其中的一道题目就较为全面地概括了综合能力：“从专业角度出发，发现问题、分析问题、处理问题的思路更清晰”，当然还包括“执行能力”。这些能力的培养不是仅靠学习书本的内容就能实现的，而是要通过一次次的实际操作来不断积累。对于能力培养方面的调查，认可度百分比基本维持在70%以上。而这就是PBL 教学方法对于提高综合能力的一个体现。与此同时，对于“团队合作”的意识培养也有近90%的认可度。大学阶段，能充分体现团队合作环节可能更多的是社会、体育团体活动或是创新竞赛上[12]，真正在学习理论知识环节体会团队意识的机会是很少的。而PBL 教学环节就为学生创造了这样一个机会，使学生能真正的在学习过程中体会与理解团队精神。通过试验和上述分析表明，将PBL 教学方法引入机械设计课程教学中，可提高学生理论知识的学习质量，还可以提升对学生综合能力的培养，符合“新工科”对工科人才的培养思想。且试验组的绝大多数学生（92.59%）认可PBL教学方法，这对于在机械设计类PBL 专业技术基础课程中推广无疑是有利的。