基于雙一流建設的機械工程專業機械原理課程教學新思考

摘? 要 為實現“兩個一百年”奮斗目標和中華民族偉大復興“中國夢”，國家提出“雙一流”建設的重大戰略決策。同時，隨著時代的發展和科學技術的進步，機械裝備的應用范圍和智能化都取得極大發展。基于前述原因，進行機械工程專業機械原理課程的教學內容、教學方法等分析，提出契合高校“雙一流”建設的機械原理課程教學新思路。

關鍵詞 雙一流;機械工程;機械原理;教學內容;教學方法;機器人;啟發式教學;網絡資源

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）24-0113-03

Abstract In order to realize the “Two Centenary Goals” and the “Chinese Dream” of the great rejuvenation of the Chinese nation， the state has put forward the major strategic decision of “double first class” construction. At the same time， with the development of the era and the progress of science and technology， the application range and intelligence of mechanical equipment have been greatly deve-loped. Based on the above reasons， this paper analyzes the teaching content and teaching method of the mechanical principle course of the mechanical engineering major， and puts forward a new teaching idea of the mechanical principle course which is in line with the “double first class” construction of national colleges and universities.

Key words double first class; mechanical engineering; mechanical principles; teaching con-tent; teaching method; robot; heuristic tea-ching; network resources

1 引言

機械工程主要以有關自然科學和技術科學為理論基礎，以及結合工程生產實踐中的技術經驗，用以研究和解決在機械裝備開發、設計、制造、安裝、運用和維修等過程中的理論和實際問題的應用學科。機械工程專業于1956年在我國正式開設，是國家工學教育一級學科，屬于傳統的工科專業。該專業培養具備機械設計、制造、機電工程及自動化基礎知識與應用能力，能在科研院所、企業、高級技術公司利用計算機輔助設計、制造及技術分析，從事各種機械、機電產品及系統、設備、裝置的研究、設計、制造、控制、編程，數控設備的開發、計算機輔助編程，工業機器人及精密機電裝置、智能機械、微機械、動力機械等高級技術產品與系統的設計、制造、開發、應用研究，以及從事技術管理的高級工程技術人才[1]。

機械原理課程是國家一級學科機械工程中機械設計及理論專業、機械設計制造及其自動化專業、機械電子工程專業、車輛工程專業等專業的一門專業主干課程。隨著社會的發展和科學技術的進步，機械裝備的應用范圍和智能化都極大推進，特別是機器人機構學的興起，為機械原理課程的教學提出巨大挑戰和新要求[2-3]。

同時，為實現國家“兩個一百年”奮斗目標和中華民族偉大復興“中國夢”，2015年8月18日，中央全面深化改革領導小組第15次會議審議通過《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》，決定統籌推進建設世界一流大學和一流學科。2017年1月，經國務院同意，教育部、財政部、國家發展改革委聯合印發《統籌推進世界一流大學和一流學科建設實施辦法（暫行）》。誠然，推動機械工程學科“雙一流”建設的實現，離不開組成機械工程專業各門課程的優化建設。因此，針對機械裝備發展的新情況和國家新時代對一流大學和一流學科的建設新要求，開展機械工程機械原理課程的教學改革研究，具有重要的現實意義。

2 教學內容分析

機械原理課程目前的教學課時量一般為60課時左右（包括課堂授課課時和實驗課課時），主要的教學內容包括機構的結構分析、平面機構的運動分析、平面機構的力分析、機械的效率和自鎖、機械的平衡、機械的運轉及其速度波動的調節、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、其他常用機構以及機械系統的方案設計等內容[4]，大多為歷史沿襲的教學內容，鮮有更新。

隨著社會科學技術進步對機械工程發展的極大推動以及人們對工作高效率、生活高質量的更高要求，促進了各式各樣、各類型各功能的現代機械裝備的大量涌現和機構學研究的突飛猛進，產生眾多機械新機構（如柔順機構、變胞機構等）、新理論（如柔順機構學、并聯機構學等）和分析設計新方法、新手段（如虛擬樣機仿真技術等）。例如，機器人作為一種新型的機械裝置或設備，在社會生活的各個領域得到廣泛應用，機器人機械結構、單元組成以及運動分析、力分析等的基本原理和方法與其他機械系統沒有本質區別。同時，機器人作為一種特殊的多樣性、自動化或智能化的機械設備，其機械結構形式、零部件組成、運動分析手段、力求解方法等又顯著區別于目前《機械原理》教材中介紹的一般平面機械系統，但機械原理課程的教學內容中涉及機器人的內容還較少，這不利于學生對機械工程新裝備、新技術、新方法的掌握，也不利于學生工作和科研能力的提升。因此，為了適應社會發展和科學技術研究的需要，有必要對機械工程專業機械原理課程的教學內容和教學方法進行適當調整。

3 教學措施方法

基于國家對高校“雙一流”建設的要求，并根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020）年》、“卓越工程師教育培養計劃”和《中國制造2025》實現制造強國戰略目標的主旨精神，契合國家培養創新能力強、適應未來智能技術發展的工程技術人才的現實需要[5]，本文開展機械工程專業機械原理課程的教學措施分析。

教學內容方面

1）壓縮煩冗章節，刪減陳舊內容。機械原理課程是國家一級學科機械工程專業的主干課程，有著悠久的歷史沿襲。所以，在諸多《機械原理》教材或授課內容安排上往往會存在一些較為陳舊的內容，或現實機械分析與設計中所舍棄的方法，如凸輪輪廓曲線設計的圖解法、機構運動分析的作圖法、機構動態精力分析的圖解法等，還有平面連桿機構運動分析的瞬心法、平面機構的高副低代等內容。這些內容對于具有高速、高精密等要求的現代機械裝備來講已用處不大，建議在機械原理課程教學時舍棄或簡要介紹或安排學生自學即可。

2）擴展新知識，引入新方法。近年來，社會對機械裝備性能的高速度、高精度、高效率以及機械裝備分析、設計的高質量、低成本、短周期等都提出新要求，同時，科學技術的進步也為工程技術人員提供了新的數學方法和計算機技術，促進了大量新型機械裝備的研發和推廣應用。如利用微分幾何、旋量代數與李群、李代數等現代數學知識進行機器人機構的創新設計、自由度分析、運動特性研究等;利用三維造型軟件Pro/Engineer、SolidWorks或虛擬樣機動態仿真軟件ADAMS、ANSYS等開展機械裝備的設計、運動分析、動態特性仿真等;利用數學軟件MATLAB等進行機械裝備理論模型的推導、計算、控制設計、信號或圖像處理等。還有，諸如并聯機構、柔順機構、可重構/變胞機構、柔性機構、欠驅動/冗余機構等機構學發展新方向新知識，都可以在機械原理課程中適當引入，以促進學生對學科前沿和發展趨勢的了解。在機械原理課程的相關教學內容中適當引入前述新知識、新方法，既可以擴展學生的視野，分析問題方法的多樣性，也可以激發學生學習的興趣與主動性，提高解決實際工程問題的技術能力。

教學方法方面

1）利用機械裝備新實例，激發學生學習興趣。隨著科學技術的進步，高智能化的機械裝備（如嫦娥登月車）逐漸被人們所熟知和關注，充分利用新型機械裝備實例的新奇性，對激發學生學習的積極主動性和探知欲大有裨益。如機器人在工業制造、資源開發、環境監測、救災排險、醫療服務、家庭娛樂、軍事國防和航天航空等領域都得到廣泛應用，這些機器人實例為機械原理課程的教學提供了豐富的新素材。授課教師可以根據課堂授課的具體內容，選擇能激發學生學習主動性和興趣的機器人實例，包括機器人錄像、三維模型和圖片等[6]，進行機械原理教學內容的實例分析，通過理論知識與機器人實例相結合的方式激發學生學習興趣，提升教學效率。如在講授機構自由度計算時，可以引入焊接機器人以及人體手、臂、腿、腰等自由度的計算進行教學內容的闡述分析。

2）采用啟發式教學，引導學生主動學習。啟發式教學是一種創設問題情境、啟發學生思維，培養學生學習能力的教學方法，易于為課堂營造良好的學習探討氛圍和師生互動關系[7]。教師可以結合日常生活中常見機械小問題，進行相關機械原理課程內容的教學，對學生來說既容易理解和接受，又可以極大地提升他們的學習主觀能動性，從而收到良好的教學效果。如通過給出腳踏縫紉機為什么會卡死、搖頭風扇如何實現搖頭、雨傘如何實現收放等問題，啟發學生思考、分析、探討，再通過教師的引導、解析等，促使學生主動獲取平面四桿機構及其特性的新知識，對提升教學質量大有幫助。

3）利用網絡資源，廣汲知識營養。信息互聯網技術的發展正極大地改變人們社會生活的各個方面。師生可以通過互聯網獲得國內外著名高校推出的機械原理開放課程或國家精品課程的學習視頻或資料，鞏固或強化對機械原理知識的理解;也可以通過互聯網及時了解機械工程學科發展的最新科研信息和前沿技術成果，激發對未知知識的探索欲。因此，利用網絡資源不但可以很好地促進機械原理課程教學質量的極大提升，而且可以開闊師生的學科視野，提升學生探索新知識的興趣與積極性。

4 結語

針對國家提出的“雙一流”建設重大戰略決策，進行機械工程專業機械原理課程教學內容和教學方法等問題的分析，提出一些具體教學措施，以促進國內機械工程專業機械原理課程教學效果的改善和課程教改的深入研究。

參考文獻

[1]機械工程專業[DB/OL].https：//baike.baidu.com/item/機械工程專業.

[2]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].8版.北京：高等教育出版社，2013.

[3]劉瓊，朱雅光，惠記莊，等.“互聯網+”機械原理課程教學模式改革的研究[J].教育教學論壇，2018（19）：102-104.

[4]王玉玨.我國高校工科機器人教育發展現狀及對策研究[D].蘭州：蘭州大學，2013.

[5]劉善增，李艾民，馮世哲，等.增強機械類基礎課程教學效果方法探討[J].中國教育技術裝備，2017（4）：83-85.

[6]劉善增，馮世哲，付順玲，等.機械類基礎課程師生共進式有效教學策略分析[J].中國教育技術裝備，2017（20）：100-102.

[7]劉善增.基于機器人發展和應用的機器人技術課程教學探討[J].中國教育技術裝備，2019（4）：102-103，108.