基于創新能力培養的機械原理課程教學改革探索

魏軍英等

[摘 要]世界正經歷著一場關于新概念、新理論、新方法等的新技術革命，為了贏得這場革命的勝利，作為國家綜合國力發展基石的機械工業，對創新型人才的渴求與日俱增。針對機械原理課程教學改革問題，構建兩大教學模塊、三層次能力培養的機械原理教學體系，對其教學內容進行優化調整。重視課余科技活動及科技競賽，并在教學實踐活動中實施，取得了良好的效果，提高了學生的分析問題、綜合問題及創新設計能力。

[關鍵詞]教學模塊 三層次能力 教學體系 教學內容 創新設計能力

[中圖分類號] G714 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）04-0160-02

目前，世界正經歷著一場關于新概念、新理論、新方法等的新技術革命，為了贏得這場革命的勝利，作為國家綜合國力發展基石的機械工業，對創新型人才的渴求與日俱增。機械原理課程是機械類專業的必修的一門技術基礎課程，在培養機械方面的創造型人才中將起到不可或缺的重要作用。[1]隨著科學技術的發展，雖然機械原理課程的教學內容和方法進行了不少改革，但其教學改革仍面臨著極大的挑戰。本文結合在機械原理課程教學中的教學實踐和體會，探討機械原理課程的教學改革問題。

一、以機構設計為主線，構建兩大教學模塊、三層次能力培養的教學體系

機械原理課程主要研究各種機構所具有的一般共性問題、常用機構的性能及設計方法以及機械系統方案設計的問題，不僅注重學生分析問題、解決問題能力的培養，更注重綜合問題的能力及創新設計能力的培養，其中分析、綜合能力是創新設計能力的基礎，分析、綜合能力最終是為創新設計能力服務的。因此，學生首先要學會分析問題、綜合問題，才能進行創新設計。[2]

根據我校機械原理課程建設的特點，結合理論知識與工程實踐之間的密切聯系，探討了我校機械原理課程兩大模塊——理論教學模塊及實踐教學模塊[3] [4]、三層次能力[5]培養的教學體系的構建，突出對學生綜合設計能力、創新思維及創新設計能力的培養，如圖1所示。

（一）課堂理論教學模塊及相應能力的培養

課堂理論教學模塊主要包括動力設計模塊、機構設計模塊和綜合設計模塊。

1.動力設計模塊主要包括機構的結構分析、機構的運動分析、機械的效率與自鎖、機械的平衡、機械的運轉及其速度波動的調節等內容。這些模塊介紹的是機械系統常用的分析方法，通過學習這個方法可掌握如何進行機構分析，可提高學生的分析能力。

2.機構設計模塊包括平面連桿機構及其設計、凸輪機構及其設計、齒輪機構及其設計、齒輪系及其設計、常用機構和組合機構及其設計等。這一部分主要學習常用機構的工作原理及其設計知識，有利于學生綜合能力的培養。

3.綜合設計模塊包括機構的選型與綜合、機械系統方案設計等。機構的選型與綜合是根據設計題目的要求來選擇現有機構或者進行機構組合以進行綜合設計，而機械系統方案設計是一項創造性的活動，要求學生運用所學知識和實踐經驗，充分發揮創造性思維和想象力，靈活運用各種設計方法和技巧，設計出新穎、靈巧、高效的機械系統。這兩個模塊對于培養學生的綜合設計能力、創新設計能力有極其重要的意義。

（二）實踐教學模塊及相應能力的培養

實踐教學模塊主要包括實驗教學模塊、課程設計模塊和科技創新模塊。

1.機械原理課程實驗由基礎實驗與創新實驗組成。該課程實驗已經由原來的演示性、驗證性實驗為主變為綜合設計性實驗為主，在機構認知實驗、機構運動簡圖繪制等基本實驗的基礎上增加了機構組合創新實驗、機械運動方案創新設計實驗等。為了提高學生的實踐能力，根據要求開放實驗室，學生可利用課余時間在實驗室進行創新構思設計，并進行驗證。這不僅能提高學生的動手操作能力，還能提高他們的分析問題、綜合問題的能力。

2.機械原理的課程設計不再僅僅是給定機構、方案的運動學、動力學分析，而是給出相應的要求及參數，要求學生進行機械運動方案的構思設計，在此基礎上進行運動、動力分析并進行方案優化。在課程設計中鼓勵學生采用計算機進行輔助設計及三維建模、分析、優化，并動手制作實物樣機模型，提高他們的分析綜合能力及實踐能力。

3.科技創新模塊。鼓勵、支持學生參加各類科技創新競賽活動，如山東省大學生機電產品創新設計競賽、山東省高校機器人大賽、山東省大學生科技創新大賽等。學生根據各種競賽的主題與要求，結合機械原理理論知識，進行構思設計，并建立虛擬樣機或實物模型，將所學理論知識應用到實踐中，極大提高了創新設計的能力。

二、優化教學內容，合理選用設計方法

目前，機械原理課程學時有所縮減，但對教學內容要求卻有所提高。因此，傳統的教學內容無法適應培養學生創新設計能力的要求。根據前述的以機構設計為核心組織的教學體系，應加強對各類機構的結構、運動、動力及傳力性能及其具體的應用介紹。特別是平面連桿機構中其位置設計、齒輪機構中齒輪的嚙合原理、凸輪機構中凸輪廓線的設計、輪系中輪系傳動比的計算、機械系統方案的創新設計，都應在課堂上重點講解、討論。而對于與理論力學課程中所重復的運動分析、力分析等基礎理論知識與方法以及不太常用的一些方法，可要求學生通過復習鞏固或自學掌握。

機構設計中常用的設計方法是解析法和圖解法。隨著計算機技術的飛速發展，在機構設計中采用解析法趨于廣泛。解析法設計計算精度高、效率高，便于采用計算機對機構進行分析和優化，能解決很多圖解法難以解決的問題。但圖解法直觀、形象，更利于學生理解、掌握，對于有些簡單問題，采用圖解法比解析法更快捷有效。因此，設計中不能完全擯棄圖解法，應根據二者的特點及具體題目的要求合理選用設計方法。

三、重視課外科技活動，提高學生的創新設計能力

（一）鼓勵學生參與教師的科研項目

在機械原理教學中，鼓勵教師把科研活動、科技創新的理念融合到課堂的教學過程中，加強對學生創新設計能力的培養。在各理論教學模塊中，教師可結合自己的科研項目開展相關機構創新的教學內容，積極開展課堂討論，鼓勵學生發現問題，分析問題，解決問題。結合所學機械原理理論知識，鼓勵學生參與教師的科研課題，將理論與實踐結合起來。這樣既應用、鞏固了所學專業知識，又提高了自己的創新設計能力和實踐能力。

（二）參加各種科技創新競賽活動

為了促進學生積極參加各種科技創新實踐活動，提高其綜合及創新設計能力，根據學校的實際情況與發展的需要，建立了三個層次的大學生課外科技創新活動的組織機構。[6]領導層：由學校領導和有關職能部門與知名專家教授組成，負責發展規劃、活動開展、資金籌集、工作協調、評比表彰等。管理與服務層：由學校教務處、科研處、各學院教學管理部門組成，負責教學過程的具體設計、組織實施、質量監控等。具體實施層：由共青團、學生會、學生社團等組成，負責學生課外科技創新實踐活動的規劃與實施。

（三）實踐效果

目前，各種科技創新競賽已經成為大學生素質教育的重要項目。在課題組相關老師參與和指導下，學生一般在學習機械原理課程中或者結束該課程后，參加各種機械設計、創新設計競賽。近幾年大賽中，在全國大學生機械創新設計大賽中獲二等獎2項，全國大學生過程裝備創新與實踐大賽中獲三等獎1項，山東省大學生機電產品創新大賽中獲一等獎9項，積極參加校級科技立項18項，院級科技立項29項。這些榮譽和獎項極大鼓舞了學生參加科研創新實踐的積極性，提高了他們綜合設計、創新設計的能力。

四、結語

創新精神與實踐能力的培養是高校素質教育的重要環節。本文針對機械原理課程教學改革問題，結合教學實踐和經驗，積極探索、構建了兩大教學模塊、三層次能力培養的機械原理課程教學體系，優化調整了教學內容，并鼓勵、支持學生參加科研活動、各種科技競賽。通過課題組成員在教學過程、科研活動中的實踐，極大提高了學生分析問題、綜合問題及創新設計、實踐的能力，取得了良好的效果。

[ 注 釋 ]

[1] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 陳文華，陳秀寧.“機械原理”課程改革的實踐與探索[J].機械工業高教研究，2001（1）：71-74.

[3] 穆塔里夫.阿赫邁德，朱穎.我校機械原理課程教學改革的若干探索與實踐[J].高等理科教育，2003（5）：32-34.

[4] 王會.基于創新能力培養的機械原理課程建設探索[J].職業時空，2012（4）：108-109.

[5] 黃昌華，郭庚田，白彩琴.采用三層次培養方案進行機械原理課程教學改革[J].清華大學教育研究，1995（1）：47-49.

[6] 魏軍英，王靜，王吉岱.工科大學生科技創新實踐能力培養體系的建設研究[J].中國電力教育，2014（1）：14-15.

[責任編輯：鐘 嵐]