基于大學生機械創新設計學科競賽的機械原理課程教學改革

趙世田 付瑩瑩 郁 倩 袁 健

（鹽城工學院機械優集學院 江蘇·鹽城 224051）

0 引言

機械原理課程是高等工科院校本科機械類專業教學計劃中的一門必修的專業技術基礎課，主要研究各種機械的共性問題，為后續專業課學習提供必備的專業基礎知識，在培養學生對機械系統方案創新和綜合設計能力、工程意識等方面起到不可或缺的重要作用。機械原理課程具有一定的系統性、邏輯性和較強的工程實踐的特點，對學生不僅有理論要求，對動手實踐能力也提出了較高的要求。近年的國家教育部多項高校教學與改革指導意見文件，明確要求高等學校的本科教學改革要著重實踐性教學環節特色，注重學生自學能力和創新能力的培養，[1]特別是最近出臺的《教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》，[2]明確要求推動科研反哺教學，強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉化為教學內容，激發學生專業學習興趣，加強對學生科研活動指導，加大科研實踐平臺建設，開放共享各級科研基地，支持學生早進課題、實驗室和科研團隊，以高水平科學研究提高學生創新和實踐能力，鼓勵學生參加科技競賽，達到以賽促教，以賽促學效果。傳統教學的重點是教師授課，知識的傳授是主要的目標，忽略了學生主導學習地位和實踐能力的提升，使得學生的自主性和創造性得不到鍛煉。[3]為了讓學生能夠更好的理解和掌握課程內容，最終能較好的應用到實踐中，除了傳統的教學模式外，還應該強化慕課、微課、與學科競賽相結合等多種新型的教學方法，[4]課程考試方式的改革探索實踐，以提高本課程的教學效果。

鹽城工學院的機械原理課程，在近年來的教學改革實踐研究中，逐步豐富課程考核方式，結合全國大學生機械創新設計大賽，通過增加項目設計考核環節，將理論教學與實踐教學相結合，融合了理論教學和實踐認知、程序設計上機實驗、三維建模設計與虛擬樣機的運動仿真分析的綜合實踐，突出實踐教學的創新設計，集中鍛煉學生自學與創新能力培養，大型工具軟件的使用，增強學生對機構的直觀認知和學習主動性，真正做到“以項目為主線，教師為引導，學生為主體”，[5]通過設計項目式教學案例，循序漸進的鍛煉學生對機械傳動系統性能分析和系統方案設計能力，經受項目實踐鍛煉的學生，在江蘇省和全國大學生機械創新設計大賽中成績優異，機械原理課程也已經獲得國家精品在線開放課程的認定，這些新型的教學方式及課程改革對于提高學生的學習興趣和動手能力，改善教學效果具有顯著的成果。

1 全國大學生機械創新設計大賽

全國大學生機械創新設計大賽是經教育部高等教育司批準，由全國大學生機械創新設計大賽組織委員會和教育部高等學校機械基礎課程教學指導分委員會主辦的全國理工科重要課外競賽活動之一。其目的在于引導高等學校在教學中注重培養大學生的創新設計能力、綜合設計能力與團隊協作精神；加強學生動手能力的培養和工程實踐的訓練，提高學生針對實際需求進行機械創新思維、設計和制作等實際工作能力，吸引、鼓勵廣大學生踴躍參加課外科技活動，為優秀人才脫穎而出創造條件。目前國內各大高校都在積極推進課程建設與大學生能力培養的過程，在培養計劃中引入學科競賽機制，緊密結合日常教學環節與學科競賽，積極探索教育教學改革、學風建設和創新人才培養等。本文以鹽城工學院的機械原理課程教學改革為例進行探討。

表1 機械原理課程考核體系

2 基于大學生機械創新設計學科競賽的機械原理教學改革實踐

在機械原理的教學改革實踐研究中，近年來革新課程考核方式，多樣化課程考核體系（表1 所示），增加項目設計考核內容，占機械原理課程總評成績10%，項目設計主要結合機械類創新設計大賽，圍繞大賽主題組織學生自由組隊分工進行項目設計，據此考核學生靈活運用所學機械原理知識的能力，針對工程實際問題的實踐動手技能。

（1）機械原理課程教學過程初，引入學科競賽題目。傳統的機械原理教學方式多是以老師講解為主，學生只是被動的聽，教學過程中沒有理論和實踐相結合的環節，單純的理論講授會變得枯燥無味，學生也失去學習興趣。項目式教學方法的引入，可以提高學生的學習積極主動性，在開課時就給出實踐項目課題，引導學生思考創新設計。由于機械原理課程開設在每年的春學期，開課時間基本與每屆全國大學生機械創新設計大賽主題與內容的發布時間大體一致，例如第八屆全國大學生機械創新設計大賽主題內容，學期初布置的實踐課題為小型停車機械裝置的設計與制作。開課后組織并下達項目設計任務書，要求學生通過有針對性的查閱資料、提前預習等方式明確任務書的具體內容和要求，做到有目的的去學習理論知識。

（2）機械原理課程教學過程中，將理論知識與學科競賽內容相融合。將機械原理課程體系分為理論教學、實踐教學和創新性教學三個模塊。老師在課堂上進行理論知識講解，引入多媒體等多種教學方法，以實踐課題為例講解理論知識，如立體車庫的組成、運動分析及設計方法，使學生打好堅實的理論基礎。在具備一定的機械原理理論知識之后，課堂外學生每4-5人為小團隊，推舉組長一名，領導大家進行方案論證分析，討論并確定優化的設計方案，進行結構設計，以培養學生創新能力及團隊合作能力。在學科競賽項目設計過程中，學生為主體，老師僅是從方法論的角度引導學生較好的進行創造性學習和實踐，例如共軛盤形分度凸輪機構與傳統的間歇機構相比較，具有剛性好、振動沖擊小、噪音低、可靠性高等優點，特別適用于兩平行軸間的高速、高精度間歇性分度運動，廣泛用于包裝機械、印刷機械、換刀機械手等自動化生產線上，配合其它機構可以實現特定的間歇分度運動。通過指導學生通過上機實驗編寫程序進行共軛盤形分度凸輪輪廓曲線設計，采集輪廓數據點，然后采用Solidworks、NX或Creo三維建模軟件進行實體建模，觀察輪廓曲線是否存在交叉等不良設計并進行改進，完成零件三維建模后進行機構總裝配，借助ADAMS 軟件建立機構虛擬樣機（圖1 所示），進行機構運動學和動力學分析，輸出的改進正弦加速度運動規律曲線與理論曲線相比較，特別是加速度分析機構可能存在的沖擊現象，機構運動協調性等，促使學生接觸機械工程領域的大型虛擬仿真軟件。如圖2 所示機構運動仿真曲線可以看出，加速度曲線在分度期內存在小幅振蕩，學生可以分析振蕩產生原因，同時表明機構運動存在柔性沖擊。

圖1 ADAMS 虛擬樣機

圖2 機構運動仿真曲線

（3）機械原理課程教學結束時，完成學科競賽實物或模型制作。課程結束時，學生最終以項目報告、論文或模型實物等形式提交各小組的項目設計成果。項目報告涵蓋項目任務及小組任務分工，主要完成步驟和環節的完成，報告內容要有圖、表、公式及文字，分析結論等。每組以團隊形式設計多媒體課件進行公開答辯，說明本組設計的創新性，項目設計任務分工，設計思路與創新性，設計理論依據等，老師針對任務分工、設計牽涉到的機械原理知識進行針對性提問四個問題，然后依據項目報告和公開答辯情況進行項目設計成績綜合評定（各占50%）。對于好的項目設計推薦參加校、省級學科競賽。受益于機械原理和機械設計等相關課程教學改革實踐，通過這種項目設計鍛煉，鹽工學生科技創新意識和實踐動手技能明顯提高，圖3 所示《空間自行車停車輪》榮獲全國大學生機械創新設計一等獎，實用新型專利一項，圖4 所示《無避讓存取家用雙層立體停車庫》榮獲江蘇省大學生機械創新設計二等獎，實用新型專利兩項。國合班赴英國格林威治大學的留學生實踐創新動手能力強，畢業設計環節動手制作實物或模型，一等榮譽學士學位獲得者逐年提高，2019 年占比高達65%。

圖3 空間自行車停車輪

圖4 無避讓存取家用雙層立體停車庫

3 結論

機械原理課程教學改革實踐表明，將大學生機械創新設計學科競賽引入到機械原理課程教學中，項目設計貫穿課程教學的全過程，學生通過這種貼合工程實際的項目設計能夠有效提高學習興趣及積極主動性，綜合掌握機構的創新設計、編程計算、機構三維建模、運動仿真分析等能力，把理論與實踐有機的結合起來，培養學生的自主創新能力，鍛煉了團隊合作能力及各類現代化的工具軟件的使用。多樣化的課程考核構成，能夠促使學生重視每一分項，不會投機于期末考試的突擊復習或者作弊方式。項目設計題目時結合全國大學生機械創新設計大賽主題，或者結合老師科研縱橫向項目，實踐工程項目的融入提高學生學習積極性，鍛煉實踐動手能力，同時省賽和國賽的參與能夠為學業成績增光添彩。這種教學改革更加注重教學過程、綜合能力鍛煉，能夠全面培養和考核學生對課程學習及其綜合運動與創新實踐能力，真正做到了以學生為中心，教學效果顯著提高。