《機械原理及設計》課程教學方法與考核機制探索

周脈樂 楊啟志 韓佃雷 徐立章

摘? 要：近年來，教育部積極推進“新工科”建設，探索工程教育新模式，使得高等工程教育面臨新機遇、新挑戰。農業機械化及其自動化專業主要培養學生對農業生產機械化系統的設計、管理和運用能力，對工程創新能力具有較高的要求。《機械原理及設計》是農業機械化及其自動化專業的必修課，對于提升學生農業裝備的設計和解決農業生產機械化問題的能力具有重要作用。工程教育專業認證強調以學生學習為中心，注重學生工程實踐能力培養，對《機械原理及設計》課程的教學也提出了新的要求。針對現有《機械原理及設計》教學體系和基本教學要求，以新工科人才培養要求及工程教育專業認證為改革目標，文章提出了針對《機械原理及設計》課程教學方法的一些改革建議。基于學習產出的教育模式，在教學方法和課程考核兩個方面提出改革建議。

關鍵詞：機械原理及設計;農業機械化及其自動化;新工科;教學與考核;工程教育

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）33-0095-04

Abstract： In recent years， the Ministry of Education has actively promoted the construction of "emerging engineering education" and explored a new mode of engineering education， which makes higher engineering education face new opportunities and challenges. The major of agricultural mechanization and automation mainly cultivates the ability of design， management and application of agricultural production mechanization system， and has higher requirements for engineering innovation ability. "Mechanical principle and design" is a compulsory course for agricultural mechanization and automation specialty， which plays an important role in improving students' ability of agricultural equipment design and solving agricultural production mechanization problems. Engineering education professional certification emphasizes student learning as the center， pays attention to the cultivation of students' engineering practice ability， and puts forward new requirements for the teaching of mechanical principle and design. In view of the existing teaching system and basic teaching requirements of mechanical principle and design， taking the requirements of emerging engineering education talents training and engineering education professional certification as the reform objectives， this paper puts forward some reform suggestions for the teaching method of mechanical principle and design course.The educational model based on outcomes-based education takes enriching students' knowledge， puts forward reform suggestions in two aspects of teaching methods and curriculum assessment.

Keywords： Mechanical Principle and Design; agricultural mechanization and automation; emerging engineering education; teaching and assessment; engineering education

引言

2017年以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，大力推動高校教育體制機制創新，使高等工程教育面臨新機遇、新挑戰。江蘇大學是教育部首批卓越工程師教育培養計劃試點高校，其農業機械化及其自動化專業（以下簡稱農機專業）以學生能力培養為導向，將通識教育與專業教育有機結合，以力學、機械學、農學、控制工程等學科為主體，兼顧工程科學教育與工程實踐訓練，培養能從事現代農業裝備設計、制造、運行管理等工作的工程技術人才。

《機械原理及設計》是農機專業的必修課程，是緊密聯系農業裝備設計的基礎課程，學生掌握機械設計的基本技能，才能培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。《機械原理及設計》已經形成了一套完整的理論和實踐課程體系，對于農機專業本科生建立基礎知識框架來說是十分重要的，是必備的知識和技能。但是，傳統的《機械原理及設計》課程教學內容以講解機械原理、公式和設計方法為主，知識結構復雜、理論性強，教學過程比較枯燥、抽象，缺少形象思維和直觀體驗，不利于培養學生的工程實踐能力，學生學習成效甚微，課程的發展受到嚴重限制[1]。很多高校開始嘗試機械類專業課程的改革，如開展案例式教學[2]、基于系統論的教學設計[3]、增材制造技術應用[4]、基于創新能力發展平臺的教學模式[5]、多種考核方式相結合的考核方案[6]、“大作業”改革[7]、以學生為中心[8]、基于創新能力培養[9]和翻轉教學模式的教學改革[10]、項目式教學模式[11-12]等，取得了一定的成效。本文基于學習產出的教育模式，注重學生的學習成果，以新工科人才培養要求及工程教育專業認證為改革目標，從教學方法和課程考核兩個方面對《機械原理及設計》課程進行教學方法探索，培養學生的創新設計能力。

一、《機械原理及設計》教學現狀

目前，國內多數高校的農機專業均設有《機械原理及設計》課程，包括機械原理和機械設計兩部分內容。課程設置通常有三種情況：1. 分別開設《機械原理》和《機械設計》，且課程設計獨立進行;2. 《機械原理》和《機械設計》分別單獨教學，但是課程設計合二為一;3. 將機械原理和機械設計兩部分內容合并為一門課程，即《機械原理及設計》。傳統的教學過程采用第一種方式，但越來越多的學校開始了合二為一的改革探索，教材將機械原理和機械設計兩部分內容結合為《機械原理及設計》或《機械設計基礎》[13-14]。

根據課程的基本教學要求，多數教材中機械設計的內容包括機械零部件的工作能力計算、結構設計和強度校核等內容，部分教材增加了機械優化設計等內容。現階段，農機專業的教學內容與機械專業相似，以機械零部件的計算、設計為主，但農業機械的生產物料和工作環境存在多樣性，與工程實際聯系更緊密。由于《機械原理及設計》課程有非常強的實踐性，而教師在實踐方面經驗不足或缺失，將無法為學生提供全面的指導。另外，在課程內容上過度強調以教材為中心，存在一定的知識滯后性問題。面對更高質量的農機人才要求，《機械原理及設計》課程的教學內容與方法尚存在較大的改革空間。

本文針對農機專業，將《機械原理及設計》課程改革分成教學方法和課程考核兩個方面進行，以學生學習產出為目的，同時緊緊抓住課程教學的三個層次（基本知識、專業興趣和工程實踐能力），將《機械原理及設計》改造為理論和實踐課程一體化、多樣化的專業課程，培養學生的工程實踐能力，適應新時代農機專業人才的培養需求[15]。

二、教學方法探索

農機專業本科教育，旨在培養學生對農業生產機械化系統的設計、管理和運用能力。農機專業本科生培養需要注意兩點，一是傳授農機專業基本知識，二是培養學生“知農、愛農、為農”的情懷。在《機械原理及設計》課程中，可以通過教學互動環節、隨堂作業和綜合創新訓練的形式來增強學生專業知識和情懷的培養，同時增加對教師的培養與考核，促進“雙師”型教師隊伍建設，提高教學質量。

（一）增強教學互動

《機械原理及設計》的課堂里，大多教師的教學方法以講授基本知識為主，學生則全程被動接受知識。在教學過程中，教師是課堂的中心，一切教學活動都是圍繞教師展開的，雙方缺少必要的互動，難以建立良好的師生關系，學生學習成果不顯著。在《機械原理及設計》教學中，教師需要講授大量的機械知識、力學公式和設計方法等，內容枯燥乏味，需要師生間的互動提高教學質量。近年來隨著互聯網技術越來越普及，多媒體教學手段逐漸增多，教師可以借助網絡資源增加授課內容的豐富程度[16]，也可以通過播放各種機構（尤其是農業機械）的工作動畫、實際生產的記錄片等方式來增加學生對于這門課程的直觀認識、培養學生的興趣。

1. 增加教學互動元素

增加課堂互動最行之有效的方法就是把更多帶有互動性的事物引入課堂，例如增加實物演示，即將一些農業機械上用到的零部件、典型機構作為講課道具，用以直觀演示其工作原理與工作特性;或者充分利用計算機的優勢，將機械領域用到的一些軟件引入到課堂中，如運用UG、ADAMS等講解較難理解的概念和原理，使學生對機械先有感性認識再有理性認識。由于《機械原理及設計》課程需要求解一些零件或者系統的載荷、壽命等參數，要用到材料力學、彈性力學等課程的相關知識，在講解實例時可以利用軟件進行演示，通過軟件進行機構運動模擬以及系統的受力、載荷分析，使學生直觀認識機械系統的運動和受力，十分適合于《機械原理及設計》課程的教學活動。相比于枯燥的書本，直觀、易懂的軟件顯然更具吸引力。只有學生的興趣被激發出來，求知精神體現出來，課堂才能由以教師為中心向以學生為中心轉變。

2. 課堂走出教室

課堂不應僅局限于教室內，《機械原理及設計》課程內容的講授可以在實踐基地進行，如金工實習的加工車間、合作企業等，為學生提供一個接觸、學習真實生產實踐活動的機會，讓學生參與到生產實踐中。學生在動腦與動手結合的過程中，提高解決工程實際問題的能力。校企合作有校企合作辦學、創新實踐基地、校企共建實驗室等多種形式[17]。在教學環節中，增加兩次在企業進行的“實驗課”“參觀課”，提升學生視野、增長學生對專業認識，同時鍛煉學生的動手能力、觀察能力等，對于學生的全方位發展非常重要。無論采取何種措施，運用何種方式，教學工作始終要堅持的就是以學生為教學中心，圍繞學生開展教學。

（二）增加課后學習與實踐

《機械原理及設計》是一門實踐性很強的課程，除了課堂上的學習之外，還需要課后進行思考和訓練，通過解決工程實際問題，提升學生的機械創新設計能力。通常，多數學校的做法是布置作業、習題等，讓學生通過課后練習鞏固課堂學習成果。部分學校還會根據講課的進度布置一些“大作業”。“大作業”是根據工程實際提出問題，讓學生運用所學知識解決實際問題，可以考察學生對課程的綜合掌握程度。因為“大作業”通常都是一些和現實生產應用接軌的工程問題，學生需要查閱資料，并充分思考才能完成。

教學實踐發現，傳統“大作業”題目比較單一，學生完成“大作業”時，多數是通過書本、教材查閱相似的工程問題，利用手冊查找公式，然后計算求解，設計思路比較程序化，本質上還是“代入公式-求解計算”的過程，不利于學生創新設計能力的培養。很多學生能正確選擇公式，卻對其含義一知半解，更缺乏獨立解決工程問題的能力。《機械原理及設計》課程在現有“大作業”的基礎上更進一步，增加“大作業”的多樣性和開放性，即設法讓學生在完成作業的過程中接觸更多資料與工程實踐。有多種方式提高“大作業”的多樣化程度，如將機械設計軟件（如UG、ANSYS、ADAMS等）用在作業中、選擇更加開放的設計類問題而不是計算類題目等。學生完成“大作業”的設計任務后，基于實訓中心的機械加工設備、3D打印機等，加工、制作所設計的機械零部件，最后讓學生提交實際的零部件件或機構，而不是紙面上的圖紙或數字模型。通過“大作業”讓學生經歷機械裝備計算、設計、制造等完整的工程流程。

（三）綜合創新能力培養

以《機械原理及設計》課程內容為基礎，農機專業在大一至大四年級分別開設《農業裝備綜合創新訓練》，每學年訓練一次。《農業裝備綜合創新訓練》的內容為典型農業機械的測繪、運動分析、設計計算和控制管理等。基于江蘇省現代農業裝備與技術協同創新中心協同體，通過工程測繪、機構計算與設計、系統控制與管理等方式，使學生運用已學知識解決實際工程問題，開展研究性教學。

三、課程考核機制探索

《機械原理及設計》是一門典型的機械類課程，多數高校《機械原理及設計》課程的考核方式采用期中、期末考試的方式。這種考核方式能夠有效推動學生學習，卻難以檢驗學生是否具有獨立思考、解決機械設計領域的復雜問題的能力。因此，可以從知識和能力兩個方面入手，改進課程的考核機制，科學地進行教學質量監控。

（一）知識檢查

目前所采用的期中考試、期末考試以及各類小考、月考、隨堂檢測等，都屬于知識檢查范圍。但限于考試的時間和題量有限，無法全面考察學生掌握知識的情況。另外，無論開卷還是閉卷考試都存在一定的缺陷。閉卷考試題量受限，考察范圍小，難以激發學生的創新思維。開卷考試則難以區分學生是否真正理解了所考的知識。鑒于知識檢查的特點，可以采用線上、線下相結合的方式。對于課堂知識點的考察，可以采用“網上QUIZ”的形式。學生在線上答題，每個單元都有若干習題，包括基礎題和綜合題，以保證足夠的考察范圍。對于綜合設計知識，可以采用輔導、練習的方式考察學生的掌握情況。

（二）能力檢驗

能力檢驗是最重要的考察環節，也是最難以做到的。事實上只有實際工程項目才能達到檢驗的效果。對應工程教育專業認證目標，在知識檢測的基礎上，可以借鑒“金工實習”的形式，讓學生分組完成一些機械零部件設計實例，讓學生經歷思考-設計-遇到困難-解決困難的過程，鍛煉學生綜合能力，包括獨立思考、解決問題、團隊協作能力等，這些能力對于其后續的學習都是至關重要的。根據工程認證畢業指標的要求，學生要具有就復雜的工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流的能力。為檢驗這些重要能力，可以選擇在課程考核中增加答辯環節，實施全過程學習質量監控。通過答辯使學生對所做的設計作全面總結，對學生的知識學習與能力培養也會更具效果。

《機械原理及設計》課程要求學生要不斷地進行類似于金工實習的實踐活動，不斷參與各類項目。這就需要較高的成本和較多的時間，而學校的資源有限，學生的數量又相對較多，可以和機械領域的企業或科研院所合作教學，充分利用社會優秀資源。目前，很多校企合作模式已經成功地應用于學生的畢業設計、畢業實習及畢業答辯等方面，但在課程教學方面應用較少。可以預見，校企合作模式將在課程教學中發揮巨大的作用。

四、結束語

本文圍繞《機械原理及設計》課程教學方法與課程考核兩方面，提出了一些課程改進建議，這些改進最重要的就是堅持以學生為教學活動的中心，重視學生綜合能力培養。在教學活動中，讓學生逐漸培養出獨立探索、發現問題、解決問題的思維。

江蘇大學一直以傳承“老農機”的特色為中心，著重突出“現代農業裝備設計”，形成了“工中有農，以工支農”的鮮明辦學特色和獨特的農機文化情懷，學生的農業裝備綜合創新設計能力顯著提高，取得了良好的培養效果。近三年，農機專業本科生獲各類省級科研創新立項達10余項，在全國、省級各類大學生科技競賽中獲獎50項以上。畢業生深造率連續保持在40%以上，就業率保持在95%以上。以2020屆畢業生為例，畢業生總人數53人，考研錄取人數24人，升學率達45%。畢業生對本專業教學滿意度高于94%，工作與專業相關度約為75%。大部分畢業生選擇了農機行業及機械設計、制造業，大中型企業占比79%，社會用人單位對農機專業人才培養整體水平的滿意度較高，對畢業生的專業知識、技能和工程實踐創新能力等均給予了較高評價。

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