卓越工程師培養背景下的 《機械原理》建設實踐

李公法，孔建益，蔣國璋，熊禾根

孫 瑛，鄒光明，侯 宇，湯 勃 （武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081）

“卓越工程師教育培養計劃”是貫徹落實 《國家中長期教育改革和發展規劃綱要 （2010～2020年）》的重大改革計劃，是教育部 “十二五”期間 “本科教學工程”的重要組成部分，該計劃旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務?；诖四康?，武漢科技大學機械自動化學院依托學科與專業優勢，通過實施 “卓越計劃”，致力于培養符合時代要求的卓越機械工程師。機械卓越工程師培養的需求，勢必對 《機械原理》精品的建設提出了更高的要求。下面，筆者基于機械卓越工程師培養的需求，對 《機械原理》課程建設進行了探討。

1 《機械原理》課程教學改革的總體指導思想

《機械原理》課程教學改革的總體指導思想為：教改是先導，科研是動力，教材是基礎，課件是手段，實踐是關鍵。以教學研究和教學改革項目為先導，從最初的自發教學改革，到校級、省級、教育部的教學研究和教學改革項目，培育對 《機械原理》教學改革的理念；以顎式破碎機機構學、受控五桿機構學、高副及高級別機構運動分析方法等科研項目研究為動力，提升對 《機械原理》教學改革的能力，提高科研成果轉換教學資源率；以撰寫并出版獨具特色的 “全解析法”教材為契機，奠定 《機械原理》教學改革的基礎，鎖定教學研究和教學改革的成果；以編寫依據特色教材和多年教學研究成果的多媒體課件為目標，展示教學研究和教學改革成果，豐富教學內容和手段；以國家級機械實驗教學示范中心和創新基地的建設為依托，改善 《機械原理》實踐教學環節，從而將學生的實踐能力和創新能力培養落到實處。

通過 《機械原理》課程建設，創新教學模式、教學內容、教學方法、教學手段以及教學環境，以點帶面，從一門課程的突破，帶動其它專業基礎課及專業課程的改革，進而促進整個專業的改革，真正將人才素質培養的目標落到實處。

2 教學方法

《機械原理》課程內容豐富，涉及面廣，學生對該課程學習的好壞、對有關知識點掌握的熟練程度，以及有效地實施相關實踐教學環節等將直接關系到機械專業學生運用專業知識解決實際問題的能力［1］。因此，如何制定教學內容、教學方法以及教材建設的改革是 《機械原理》課程建設的核心。

針對機械學科的發展，在課程建設中，基于機械工程自動化、機械電子和車輛工程等專業學生的學習基礎，通過制定合理的課程結構體系、不斷更新教材內容、改善實驗教學條件、優化師資隊伍等措施，從而逐步形成了一套科學、先進、完整的課程教學體系。同時，在教學過程中，采用靈活、互動性的教學方法，實現了理論教學與實踐教學、課堂講授與網絡自學相結合的教學方式。

2．1 靈活運用現代化教學平臺

利用現代信息技術，制作電子教案和課件，利用多媒體輔助教學，結合黑板板書，既增加課堂的信息量，又不至單調枯燥。將54萬字 《機械原理》共制作圖表231組、計畫面3286幅的多媒體教學課件，該課件體現了可讀性、內容與講述的同步性、畫面得體變換、層層顯示突出重點、便于記錄等特點，使無聲的教材活躍在屏幕。在課件中對于需要記錄的語句力求簡短精煉并特別注明，還留有相應的記錄時間。該CAI課件具有理論推導的同步性、實際工程機械運動的可視性、實驗和加工過程的演示性，用具體生動的畫面描述理論原理，并融合啟發式教學法、模式教學法、準實踐教學法、設疑教學法等豐富的教學方法，有效調動學生積極參與學習，促進學生積極思考，開展研究性學習促進學生學習能力發展。利用該CAI課件，提高了授課質量和教學效率，使學生輕松、愉快地學習，加深對基本概念、基本原理的理解，牢固掌握各種分析和設計方法，提高對知識的掌握程度。

2．2 合理應用ABCD法

《機械原理》課程各教學環節的安排均遵循由感性到理性，再由理性到應用這一認識過程。根據課程特點在教學中運用了啟發式教學法、模式教學法、設疑教學法、準實踐教學法等教學方法，簡稱ABCD 法［2］。

1）啟發式教學法 將以往教學中發現的學生最易出現錯誤的問題或是教材的重點、難點問題，采用自問、提問、討論等多種形式的畫面變換啟發思維與求知欲望，使學生集中精力地參與教學，畫面變換應使提問和討論由淺入深由表及里地逐步進行直到問題解決。這種由講述到自問、提問、討論的教學形式和畫面的變換 （包含語言上的輕重、抑揚頓挫地變換），即運用了有意注意與無意注意的相互轉換來增強注意力，激發了學生學習熱情與興趣，達到引導學生積極主動思維、提高教學效果的目的。

2）模式教學法 將某一理論、原理或概念，按照一定的模式進行從感性到理性，從具體到抽象的加工，使其變為具體的便于理解的圖形。由于新知識和概念是建立在已有的知識和概念基礎上的，因此應利用這些直觀的或已知的經驗、材料啟發回憶與新知識、概念有關的事物，并盡可能地用圖形加以描述使之準確理解。如在講述 “速度瞬心”概念時，先將一個車輪 （平面剛體）在另一個平面剛體的直線軌道上作純滾動，車輪與軌道接觸點的相對速度為零，即速度瞬心P（已知的經驗、材料）；再將兩剛體擴大并去掉車輪與軌道，相對速度為零的點P即速度瞬心，且兩剛體任一點均繞P點轉動（啟發新知識、概念），由此得出結論：已知兩平面剛體上2個重合點的相對速度，則速度瞬心即兩相對速度垂線的交點（從具體到抽象的加工和應用）。

3）設疑教學法 在講解某一原理、方法、問題時，有意地設置疑問，然后再講解解決問題的方法，以加深理解。平鋪直敘的講述方法如同平淡的語言一樣很難引起集中思維，只有當思維出現波瀾或得出非預想的結果時才會引起有意注意而促進積極思維和求知欲。設疑教學法即在講述問題時有意設置非預想的結果來促進腦細胞的興奮。如講述 “計算機構自由度應注意的事項”時，把先講述注意事項后進行機構自由度計算得出正確結論的平鋪直敘的講述方法改為：先讓學生進行機構自由度計算得到錯誤的結果 （出現問題，引起有意注意），然后動畫演示機構的運動 （確認錯誤，引起腦細胞的興奮），再講述注意事項 （關注問題的關鍵），最后計算機構自由度 （解決問題的檢驗，喜出望外）。

4）準實踐教學法 《機械原理》是機械類專業的技術基礎課，其教學內容與實際機械緊密相關，通過錄像、計算機模擬、多媒體教學手段的合理使用，展現實體的特征與動態、理論原理的推導、實驗的演繹過程，加深對實體、理論的認識與理解，可以極大地提高教學效率，激發學生的學習熱情，提高教學效果。

除了以上的教學方法外，還大力推廣討論式、研究式教學法，增加小設計和小論文，充分激勵學生探索和研究的熱情，讓學生學會科學研究的方法，把能力的培養落實在實處。

3 實踐教學

實驗教學是 《機械原理》教學的重要環節，其構建了理論教學與實踐教學、課堂教學與課外科技實踐密切結合的創新平臺。

3．1 創建多層次實驗項目

《機械原理》課程的實驗環節包括基本實驗、綜合實驗和創新實驗。通過這些實驗環節不僅可以鞏固理論課的基礎知識，還能培養了獨立科研工作的能力。對實踐教學環節的改革，以課堂教學與實驗教學相結合、真實實驗與虛擬實驗相結合、課內實驗與開放性實驗相結合 “三個結合”思想為指導，依托武漢科技大學國家級機械實驗教學示范中心的軟硬件環境，建立基礎實驗室、專業擴展實驗室、開放實驗室、大學生創新基地，創建了基礎型、綜合型、設計型、研究創新型等多層次實驗項目，打造 《機械原理》多元化實踐教學平臺，為能力培養與素質培養提供堅實的支撐［3］。

3．2 強化工程實踐意識

針對學生工程實踐意識普遍不足的問題，以冶金行業中的飛剪機構、轉爐傾動機構等為對象，進行有針對性的示例分析及設計計算實訓，培養學生對行業機械的認識和工程實踐能力。在實驗中強化實踐意識，如漸開線齒廓基本參數測量實驗貼近工程實際應用、機構組合設計實驗以工程實物為原型進行機構設計與分析、機構運動與動力學參數測量實驗中融入傳感器、數據采集與處理、運動控制等。課程設計以典型冶金設備如飛剪機構等為對象，內容包括型綜合與尺度綜合，以生產中的設計工藝參數為原始條件設計新型機構，并進行方案的評價與優選。

4 考核方式的多元化

機械原理課程考核方式和成績構成為：每月進行一次月考，占總成績的20%，平時作業占30%，課程編程 （1～2個），機構運動仿真編程與機構的三維設計與仿真，學生獨立完成或小組完成，占10%，期末考試占40%。月考和期末考試內容上具有足夠的覆蓋率，結合教學內容重要程度、教學所需要時間等因素，從內容與目標兩個維度合理分配權重，對高級目標適當增大權重，對基礎知識考察其理解、應用、分析、綜合的能力，并從題型上增加論述題、分析題和創新設計題，以促進學生創新智能的發展。課程編程的內容設置上，包括機構運動仿真編程、創新機構或機械系統的設計、機構的三維動畫仿真、機械裝置的制作與工程訓練等多種形式，學生可根據自己的特長與愛好選擇其中兩種作為課程編程，獨立完成或組隊完成，能夠因材施考，最大限度的調動學生的積極性，培養綜合能力。

5 教學網站建設

建設了 《機械原理》網絡教學網站。網絡教學網站主要包括多媒體課件、實驗教學、視頻點播、網上自測、網上答疑、課程論壇、課程導學、教學改革、教學信息發布、往年考題等。教師可利用網絡進行輔助教學，學生可進行遠程、自主的學習，共享教學資源。

6 教材建設

教材是精品課程建設的基礎。課程組在20多年潛心研究的基礎上，結合課程教學實際和專業特點，編寫了一系列適用性強的教材，包括主編的教材、實驗教材以及輔助教材等。其中，主編的教材經過了不斷的完善和充實，力求將最新的教學內容、教學手段和科研成果融入教材中，保證教學內容的前沿性和時代感。創建一本以培養機械系統設計和創新能力為主線，采用現代計算方法的全解析法 《機械原理》是教材改革的方向。

1998年，湖北省首屆教學名師廖漢元教授和國家教學名師孔建益教授等主講教師提出了全解析法的教學改革思想，并將全解析法貫穿于整個教學環節，出版國內第一本全解析法 《機械原理》 （第1版）。該教材主要介紹機構及機械分析與綜合的幾本理論與方法，注重與現代設計方法相結合，在分析與設計中應用了計算數學及優化的有關知識與方法，并加強了機構型綜合的內容。2007年，對第1版教材的內容進行了修正和更新，出版了 《機械原理》（第2版）。2013年，出版了 “十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材 《機械原理》（第3版）。該教材在原有教材的基礎上，建立以機械系統設計和培養創新能力為主線，以設計程序為順序選擇和安排教學內容的教材新體系，對圓柱齒輪機構和受控五桿機構進行了較大的修改，并針對其他各章節在使用中發現的錯誤和不足進行了修訂，從而保證了教學內容的新穎性。教材內容應與時代發展相適應，更新的內容主要包括機構型綜合的創造技法 （數值分析的機構型綜合連桿組合法）、高級別機構的newton－raphson迭代法、高副機構及兩自由度機構的運動分析、將圓柱齒輪機構改為以變位齒輪為主線編寫，標準齒輪為其特例、增加 “機構的優化設計”、首次提出的考慮摩擦力分析的線性化法、建立平面連桿機構尺度綜合的全解析方法、當前機構研究的熱點內容：受控五桿機構。近年來，教學組的教師在教材建設中傾注大量心血，主編或參編教材多部，形成了主教材、輔助教材 （含課程設計和實驗教材）、參考教材、多媒體課件有機結合的系列配套教材。新的系列教材適應教改需要，優化了課程體系，吸納了科研新成果，反映了當代機械學科的發展方向。

7 師資建設

由國家名師孔建益教授、湖北省名師廖漢元教授領銜的課程教學團隊由15位成員組成，其中，55歲以下的教師 （14人）均具有碩士或博士學歷，其中9人具有博士學位，占教師總數64%；教授3人，副教授 （含高工）8人，講師 （含工程師）4人，具有高級職稱的教師占教師總數的73%；50歲以上2人，40－50歲6人，30～40歲7人；從外校畢業的教師8人，其中從外校畢業 （德國漢堡國防大學、華中科技大學和西北工業大學等）的博士5人，碩士3人，占整個師資隊伍的53%。另長期聘請中石油勘探院蘇義腦院士為本學科特聘教授，指導并參與該課程的建設。課程團隊的構成層次分明，連接緊密；團隊成員專業特色突出，優勢互補；團隊成員年齡結構合理，老中青結合；團隊成員職稱層次合理，配合有效；團隊成員學緣分布廣泛，充滿活力。團隊發展以教學為基礎，以科研為導向，以教學中的需求促進科研發展，以科研中的成果反哺教學，學研互動，兩者的共同作用保證了團隊教學與科研緊密結合。

課程組中資深教授和教學名師甘為人梯，對青年教師言傳身教，關心備至。青年教師為導師助課，經歷教學全過程。通過 “傳幫帶”，青年教師的教學水平迅速提高，優秀的教學經驗得以薪火相傳。通過多年的培養教育和一線教學科研實踐，課程組90%以上的青年教師成為了教學骨干，5人在學校教學比武中獲一、二等獎，獲學校教學優秀獎達8人次，1人晉升正教授，5人晉升副教授。

8 結 語

考慮機械卓越工程師的培養需求，經過多年的國家精品課程的建設，《機械原理》基于機械學科的發展和學生的學習需求，做到了規范化、制度化和網絡化的教學過程。另外，積極開展各項教學研究工作，積極與國內其他高校進行教學交流和研討，吸取先進的教學理論和經驗，不斷地更新和充實教學內容和方法，保證了精品課程的可持續發展。在教學過程中，嚴格執行教學督導和學生的教學評價制度，教學效果及時反饋，保證了教學質量。

［1］廖漢元，孔建益 ．機械原理 ［M］．第3版 ．北京：機械工業出版社，2013．

［2］孔建益，侯宇，楊金堂，等 ．“五橫五縱”矩陣型機械原理教學模式的探索與實踐 ［J］．武漢科技大學學報 （社會科學版），2009，11 （1）：101－104．

［3］侯宇，孔建益，楊金堂，等 ．機械原理多元化實踐教學體系研究 ［J］．中國冶金，2011（2）：33－36．