面向卓越工程師計劃的機械原理教學方法改革與實踐

田桂中 周宏根 李濱城 李純金 王淑妍

[摘 要]面向機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)卓越工程師教育培養(yǎng)計劃，進行了課程體系梳理和教學方法改革與實踐。構(gòu)建了課程間協(xié)調(diào)銜接、章節(jié)間有機聯(lián)系的教學內(nèi)容體系，實踐了基于慧魚組合模型的機械系統(tǒng)概念強化、基于網(wǎng)絡(luò)教學資源的學生自主學習、基于計算機和編程技術(shù)的項目式課外大作業(yè)等教學模式，總結(jié)了教學改革與實踐的注意事項。實踐證明，教學改革方法激發(fā)了學生學習興趣和主動性，可有效培養(yǎng)學生專業(yè)知識、創(chuàng)新能力、工程意識、科研素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]機械原理 卓越工程師計劃 教學內(nèi)容與課程體系 CDIO 教學方法改革

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）01-0132-03

機械原理是機械類和近機類專業(yè)十分重要的主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，是理論課程向工程實踐課程轉(zhuǎn)換的過渡性環(huán)節(jié)，具有增強學生對機械技術(shù)工作的適應(yīng)能力和開發(fā)創(chuàng)造能力的作用，在機械類高級工程技術(shù)人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)系列課程中是不可替代的。[1]但是，傳統(tǒng)機械原理教學存在目標單一、內(nèi)容陳舊、方法死板、考核簡單片面等不足，與理論力學、機械設(shè)計等相關(guān)課程間存在教學內(nèi)容重復或脫節(jié)、整體協(xié)調(diào)性不足等問題[2] [3]，導致教師講課費力，學生聽課乏力，教與學的效果不理想，甚至造成對立的師生關(guān)系。

學校針對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)國家級“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”項目的實施需要，進行了基于項目的CDIO教學模式、基于網(wǎng)絡(luò)資源和創(chuàng)意興趣的自主學習模式等教學方法改革探索與實踐。本文從機械原理的課程體系、教學方法等角度進行全面介紹。

一、面向卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的教學內(nèi)容體系構(gòu)建

處理好機械原理與理論力學、機械設(shè)計等專業(yè)基礎(chǔ)課間分工和銜接，不同于機械制圖與建模、剛體運動與力分析、零部件強度計算與校核、材料成型與加工等專一知識和能力的培養(yǎng)[4]，機械原理以培養(yǎng)學生面向機械系統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計與分析能力為主，在機構(gòu)學、機器動力學和常用機構(gòu)等基本知識學習基礎(chǔ)上，更加注重機械系統(tǒng)的設(shè)計和綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)。[5]處理好機械原理課程內(nèi)部各章節(jié)間內(nèi)在關(guān)系，機械原理教學內(nèi)容可劃分為機械系統(tǒng)、基本原理和常用機構(gòu)三大模塊，構(gòu)建各教學模塊間有機聯(lián)系，課程體系與教學模塊關(guān)系如圖1所示。

機械系統(tǒng)模塊是培養(yǎng)學生系統(tǒng)觀念的重要途徑，利用完整的機械系統(tǒng)實例把課程知識點串聯(lián)，貫穿緒論、機器人機構(gòu)及其設(shè)計、機械系統(tǒng)方案設(shè)計等章節(jié)的教學全過程，形成閉環(huán)。

基本原理模塊包括結(jié)構(gòu)分析、運動分析、力分析、效率與自鎖、機械平衡、機械運轉(zhuǎn)速度波動調(diào)節(jié)等章節(jié)，重點講授：1.機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析中機構(gòu)組成、自由度計算、組成原理和型綜合等知識點;2.機構(gòu)運動分析中解析法;3.平面機構(gòu)力分析中運動副總反力和機構(gòu)受力分析;4.機械自鎖和速度波動調(diào)節(jié)。而與理論力學等前期基礎(chǔ)課聯(lián)系緊密的運動分析圖解法采用實例化教學，在學生自學、練習、討論基礎(chǔ)上，點明速度影像和加速度影像等知識點;實踐性較強的機構(gòu)運動簡圖、機械平衡以實驗教學為主線。

常用機構(gòu)模塊包括連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、齒輪系和其他常用機構(gòu)等章節(jié)，重點講授：1.連桿機構(gòu)中平面四桿機構(gòu)設(shè)計的圖解法和解析法;2.凸輪機構(gòu)中輪廓曲線設(shè)計解析法;3.齒輪機構(gòu)中漸開線直齒圓柱齒輪嚙合定律、嚙合傳動、變位齒輪和斜齒圓柱齒輪;4.齒輪系的傳動比和效率計算。而常見多桿機構(gòu)、凸輪基本尺寸確定、漸開線特性、其他常用機構(gòu)等知識點以自學、調(diào)研等自主學習方式為主。

二、基于認知規(guī)律的“以生為本”教學方法改革與實踐

國內(nèi)眾多高校長期開展機械原理精品課程建設(shè)，使教學理論、課程體系、教學內(nèi)容、教學方法與手段等研究工作不斷深入，在教材、電子教案、電子教具、教輔參考資料、教學視頻和網(wǎng)絡(luò)平臺等教學資源建設(shè)方面進展顯著，為機械原理課程教學方法改革奠定基礎(chǔ)。

（一）基于慧魚組合模型的機械系統(tǒng)概念強化與貫穿

課程學習前，利用工程訓練中心慧魚創(chuàng)意組合模型，讓學生按照已有拼裝路線親手搭建典型的機械系統(tǒng)模型，如各種類型機器人，使課程教學從“積木游戲”場景中開始，逐步了解機械原理所學的連桿、凸輪、齒輪及齒輪系等機構(gòu);課程教學結(jié)束前，要求學生根據(jù)學習內(nèi)容，自主搭建一個新型的綜合型機械系統(tǒng)。學生能夠全程深度參與課程教學，實現(xiàn)寓教于樂，激發(fā)學生學習興趣和熱情。

以學生自主搭建典型機械系統(tǒng)模型為課程學習對象，貫穿機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析、運動分析和連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、齒輪系等教學全過程。引導學生發(fā)現(xiàn)并解決其隱藏的科學問題，包括概念理解、問題分析、問題求解等主要的學習環(huán)節(jié)，教師承擔定義闡述、提出問題、思路引導、方法總結(jié)和疑難解答等輔助性工作，激發(fā)學生主觀能動性，真正實現(xiàn)學生自主學習、教師輔助指導的教學模式。

（二）基于網(wǎng)絡(luò)教學資源的自主學習模式實踐

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，大學校園內(nèi)學生上網(wǎng)便捷快速，機械原理課程的網(wǎng)絡(luò)教學資源十分豐富，如國家精品課程資源網(wǎng)[6]、江蘇科技大學課程建設(shè)與輔助教學平臺[7]、第一視頻教程網(wǎng)[8]等，為機械原理課程的自主學習模式探索奠定基礎(chǔ)。同時，在學校課程建設(shè)與輔助教學平臺上開設(shè)相應(yīng)的同步網(wǎng)絡(luò)教學班級，實現(xiàn)課上課下同步進行。隨著基于網(wǎng)絡(luò)教學資源的自主學習模式推廣，學生對機械原理課程的學習主動性和積極性逐步得到加強。

由于網(wǎng)絡(luò)資源自主學習的時間、地點具有很大程度的自由，且學生對自主學習的效率存在差異，教師需做好前期引導和后期考核工作：每次課結(jié)束前，應(yīng)明確下次課教學內(nèi)容和對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源材料;每次課開始時，需通過提問、課堂練習等方法檢查學生課后自主學習效果，對共同存在的疑難問題要及時解釋，強化理解?；诰W(wǎng)絡(luò)教學資源的自主學習模式，不但調(diào)動了學生的主動性和積極性，而且自主學習環(huán)節(jié)實際上是一次學習階段，課堂提問與檢測環(huán)節(jié)則是二次學習階段，課后作業(yè)、答疑等環(huán)節(jié)則是三次學習階段，三者具有一定的時間差，對課程知識點的理論和吸收具有良好效果，尤其是課程教學。

（三）基于計算機和編程技術(shù)的項目式教學模式改革

項目式教學分為科技論文寫作與課外大作業(yè)兩類。在機械原理學科發(fā)展方向調(diào)研和文獻查閱基礎(chǔ)上，每位學生選擇一個自己感興趣的方向，如機械發(fā)展史、醫(yī)療機器人、生物機械、仿生機構(gòu)、微小機械等，嚴格按照國家科技論文寫作要求和規(guī)范撰寫報告，包含題目、中英文摘要、中英文關(guān)鍵詞、引言、正文、結(jié)論和參考文獻等部分。

課外大作業(yè)是項目式教學的重點，引入計算機技術(shù)和Matlab軟件進行機械原理課程課外大作業(yè)的解析法分析。課外大作業(yè)包括運動分析、力分析、連桿機構(gòu)設(shè)計、凸輪輪廓曲線設(shè)計、齒輪輪廓曲線設(shè)計和速度波動調(diào)節(jié)這六種類型，要求全體學生自行分成3-4人一組，從六類大作業(yè)題目中分別選擇三項，共同完成分析建模、編程求解、報告撰寫、演示答辯等環(huán)節(jié)，各團隊成員必須有明確的分工與協(xié)作，禁止以逸待勞現(xiàn)象。完成后要求提交大作業(yè)實踐報告、Matlab程序源文件及分析建模的關(guān)鍵草稿紙等材料，實踐報告應(yīng)達到內(nèi)容完整全面、字跡圖標工整清晰、格式符合國家科技論文規(guī)范等要求，Matlab程序源文件應(yīng)達到運行流暢、注釋合理充分、格式整齊美觀等要求。

項目式教學實施過程中，以學生為主體，教師起引導答疑作用，實現(xiàn)科研基本思路和規(guī)范的訓練，培養(yǎng)學生運用計算機和編程技術(shù)進行學習、研究的能力，為學生后繼其他課程的學習、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以至畢業(yè)后科研創(chuàng)新打下良好的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學生進行科學研究或工程設(shè)計的良好習慣。

三、課程綜合改革實踐效果與注意事項

通過機械原理課程教學改革與實踐，在掌握課程基本理論、基本知識和基本技能基礎(chǔ)上，學生的機構(gòu)設(shè)計、綜合、創(chuàng)新等專業(yè)能力和系統(tǒng)性工程意識、基本的科研素養(yǎng)得到顯著提高，在后續(xù)的專業(yè)課程、第二課堂（如課外科技制作、機械創(chuàng)新設(shè)計大賽等）、畢業(yè)設(shè)計等學習環(huán)節(jié)中充分發(fā)揮作用，尤其是第二課堂，機械類專業(yè)學生興趣濃厚，積極主動，上手快，創(chuàng)意多，動手實踐能力強。

由于機械原理課程教學改革涉及內(nèi)容體系、課堂教學、課內(nèi)實驗、課外大作業(yè)和期末考試以及相應(yīng)的考核方法，存在面廣、點多、工作量大等問題。為保證課程教學與考核方法綜合改革實踐的效果，應(yīng)注意以下幾個事項：

（一）學生的興趣與投入。課程學時不斷壓縮，課堂教學時間越來越短，但教學內(nèi)容與要求反而提高，而課余活動（尤其是網(wǎng)絡(luò)普及帶來的網(wǎng)絡(luò)活動）不斷豐富，導致學習時間減少。針對現(xiàn)狀，必須全面激發(fā)學生的學習興趣，自主投入一定的課外時間用于課外學習，包括項目驅(qū)動式課外大作業(yè)、課外科技創(chuàng)新與制作等內(nèi)容。

（二）教師的鉆研與投入。目前高校普遍存在“重科研、輕教學”的問題，使職稱評審、考核獎勵等活動的科研成果要求不斷提高，導致教師對教學的專研精神和精力投入不足，需從學校制度上做適當引導，如我校職稱評審中的教學綠色通道和重金獎勵的教學模范獎，將教學成績、學生評價作為考核指標。

（三）課外學習資源的建設(shè)與應(yīng)用。課外學習的硬件資源包括場地（如開放教室、實驗室、機房等）和慧魚組合模型、常用工具、常規(guī)機床等設(shè)備設(shè)施;軟件資源包括課外大作業(yè)的項目和本科生創(chuàng)新計劃、機械設(shè)計創(chuàng)新大賽等活動。

四、結(jié)束語

為從知識、能力和素質(zhì)三個層次上提高機械原理課程教學質(zhì)量，進行了課程體系梳理、教學方法改革與實踐，構(gòu)建有機統(tǒng)一的課程教學模塊，實踐基于慧魚組合模型、網(wǎng)絡(luò)教學資源、計算機和編程技術(shù)的新型教學方法，有效提高了學生知識水平、專業(yè)能力、工程意識和科研素養(yǎng)。

[ 注 釋 ]

[1] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2] 于曉紅，王小群，邱麗芳.機械原理與機械設(shè)計課程體系的優(yōu)化整合[J].中國大學教學，2008（7）：34-36.

[3] 趙京，賴德華，門淑貴.以認知學習理論指導機械原理和機械設(shè)計課程的教學改革[J].大學教育科學，2004（2）：50-52.

[4] 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(yè)高教研究，2001（1）：71-74.

[5] 于曉紅，韓建友，邱麗芳，等.深化機械原理課程教學改革[J].中國大學教學，2005（4）：25-26.

[6] http：//video.jingpinke.com / details？uuid=8a833996-18ac928d-0118-ac9291e8-0636 / 2014-02-20.

[7] http：//ecsi.js.nclass.org / sc8 / 2014-02-20.

[8] http：//video.1kejian.com / university / ligong / 24220 / 2014-02-20.

[責任編輯：鐘 嵐]