新時代背景下 “機械原理”實驗教學改革的實踐探索

何玉林 楊連發

【摘 要】本文分析“機械原理”實驗教學過程中存在的不足，提出實驗教學改革的措施：優化實驗學習內容，融合多模式教學方法，創新多元、多維考核評價，搭建創新創意實踐平臺。

【關鍵詞】機械原理 實驗教學 多模式 考核評價

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）39-0154-03

“機械原理”是機械設計制造及其自動化專業必修的一門重要技術基礎課，主要由機構學與機械動力學組成。通過本課程學習，學生掌握機構學和機械動力學的基本理論、基本方法和基本技能，為機械運動方案設計和分析提供必要的理論基礎，培養學生運用課程知識對工程實際中的機構選型、組合、變異及機械傳動系統運動方案的設計和分析能力、機械產品的力學分析與計算能力，同時培養學生的團隊合作能力、自主學習能力和創新意識等。該課程的理論性強，光靠學習理論知識是不夠的，還需要在實踐中進行應用和訓練，從而進一步加強學生對機構的工作原理、結構特點、方案設計和分析、運動分析等的理解和鞏固，為學生后續的機械設計、畢業設計和各種科技競賽等奠定良好的理論基礎。但是，在實際教學中大多數學生對知識的掌握和應用遠沒有達到預期的目標。為了更好地實現課程的學習目標，結合新時代全國本科教育工作會議精神、機制專業工程認證和一流專業建設的要求，有必要針對實驗教學中存在的不足，從實驗內容設計、實驗方式、實驗內容考核和評價等方面進行積極探索和實踐，更好地促進學生對理論知識的掌握和應用，能夠對機械工程領域復雜的機構方案進行設計和分析。

一、“機械原理”實驗教學過程中存在的不足

隨著課程改革的要求，實驗學時由原來的8個學時減少到4個學時，開設的實驗項目有機構運動簡圖測繪與分析、機構組合創新設計。由于學生對工程知識背景了解較少，實驗的效果不理想，學生對機構運動簡圖理解和認識不夠。實驗模式是學生事先預習，課上教師講解，學生按照要求進行實驗操作，然后撰寫實驗報告，教師再根據實驗操作和實驗報告進行評價，學生與教師之間在課前課后缺乏交流溝通和信息反饋，這不利于學生的獨立思考和創造空間的發展，很難激發學生的求知欲和學習興趣。另外，由于實驗只是課程考核的一部分，一般占比20%，無單獨考核學分，學生不夠重視，以致對課程設計、機械類的科技競賽和畢業設計感到無所適從，學生不能很好地運用理論知識解決實際問題。因此，在實驗學時減半的情況下，要保證實驗教學的學習效果，提高學生的知識應用能力和創新能力，滿足新時代對人才的培養需求，急需對“機械原理”實驗教學進行改革和創新。

二、實驗教學改革思路

“機械原理”實驗教學改革基于OBE的教學理念，以“機構”為主線，將“機構原理—機構方案設計—結構分析—運動分析—實物拼接/加工/裝配”貫穿整個實驗教學過程，使實驗內容與工程實際相融合，加強學生課前、課中和課后學習管理，發揮學生在學習中的主體作用，引導學生主動思考和探究、主動實踐，讓學生由“被動學習知識”向“主動應用知識”轉變，激發學生的學習興趣和潛能，培養學生的創新設計能力以及思考和解決復雜問題的能力，培養團隊合作精神、提高交流表達能力，真正實現全過程育人。

三、實驗教學改革措施

（一）優化實驗學習內容

1.重新組織實驗學習內容

實驗指導書是學生接觸實驗的第一手資料，其內容對激發學生的求知欲望和興趣起著至關重要的作用。結合多年的實驗教學經驗，并多次與課題組教師進行溝通交流，筆者對“機械原理”實驗指導書進行了優化，以“機構”為主線，將實驗項目用“原理—方案—分析—拼接/實物”串起來，通過具體內容設計將各個實驗項目由基礎到提高、創新、遞進并有機聯系。結合工程實際，在每個項目的前面增加一些工程問題的導入，在項目的后面設置相應的思考題，承前啟后地引導學生進行思考和探索;增設創新實驗項目，根據機械設計類競賽主題、科研項目等，增加課外開放創新項目，供學生選做。

2.創建立體實驗指導書

將每個實驗項目的重要知識點或實驗設備操作等錄制成微課，生成相應的二維碼，把微課嵌入實驗指導書中，學生通過掃描二維碼進行相應的課前預習和課后復習;通過優化實驗學習內容，更好地引導學生學習，激發學生的求知欲和學習興趣。

（二）融合多模式教學方法

1.理實穿插式教學

如機構運動簡圖測試與分析課程，教師在講授理論課時，先讓學生進入實驗室開展機構的認知實習，了解機構的運動，然后再回到教室進行機構運動簡圖理論學習，開展“理論—實驗—理論”穿插式教學。

2.課前課后線上輔導

實驗課前，實驗教師基于“互聯網+”教育和信息化教育技術，建立與學生的互動交流平臺（QQ群、雨課堂等）和機構運動簡圖測繪虛擬軟件，將指導書發給學生，要求學生根據不同項目內容搜集相應機構的素材或根據教師分享的素材，完成預習資料中的問題，如預先繪制虛擬軟件提供的不同機構的機構運動簡圖，分析該機構的原理圖、結構組成、運動分析、應用特點等，引導學生在課前積極思考和探索，發現生活中不同機構在原理、結構和應用等方面的不足之處，將機構的原理、結構、運動特性等重要知識聯起來;課后通過平臺及時關注學生預習、實驗和總結中存在的問題，并及時反饋給學生。

3.課上線下指導

課上，教師講授“必需”而非“系統”的專業知識，通過提問盡可能引導、啟發學生參與討論和交流，鼓勵學生充當 “講師”，將自己學的知識先進行加工、建構，然后教授給其他同學，教師和同學對主講學生進行點評;鼓勵學生充當教師的指導助手，對其他同學實驗過程中出現的問題進行分析判斷，并正確、合理地指出和改正錯誤。這樣能更好地促進學生對知識的消化和吸收。

4.課外自主創新

鼓勵學生將機械原理的相關內容融入實際的生產和生活中，通過多渠道（包括網絡、生活中的常見機構、競賽作品、虛擬仿真軟件、大學生創新創業訓練項目、科研項目等）獲取相關機構的知識，引導學生進行自主學習，發現自己的興趣點，找到創新思考源泉。

改變傳統的單一教學方法，針對不同的實驗內容，融合理實穿插式教學，課前課上課后課外、線上線下“四位一體”相結合等多種教學模式，充分發揮學生“學”的主體作用和教師“教”的主導作用，讓學生真正懂得要學什么、怎樣學、在哪里學，即學習的內容和學習的方法，發揮學生的主觀能動性，提高“學”和“用”的能力。

（三）創新多元、多維考核評價

實驗是將理論知識應用于實際，促進學生對理論知識的理解和應用，需要對實驗學習成效進行多指標綜合考核評價。評價的主體包括學生和教師，評價的內容包括預習情況、實際操作情況、課堂表現（參與討論、充當“講師”和輔導情況等）、課后學習（實驗報告、思考題等）。通過雨課堂檢測對實驗指導書內容主動學習的能力和對問題的思考能力;通過充當“講師”和教師助手的角色，培養學生的自我展示能力、口頭表達能力、專業理解能力;通過實際操作，培養學生的動手能力和對知識的理解、應用能力;通過學生互評，培養學生對問題的分析判斷能力和交流能力;通過實驗報告，培養學生的數據分析能力、設計能力、文字表達能力和總結能力;通過課外開放創新項目，培養學生的自主學習能力和創新思維能力。通過教師、學生之間的多元、多維對實驗的全過程進行考核評價，引導學生從認識和行動上對實驗的重視，提升學生的自主學習能力、表達能力和應用能力，促進學生的全面發展。

（四）搭建創新創意實踐平臺

針對開放創新項目的訓練，結合理論課的大作業和課程設計，搭建開放的創新創意實踐平臺，為學生的創新創意作品的實現提供實物拼接和3D打印。學生自愿組隊，每一隊分配相應的項目任務，項目可以是企業的產品、科技競賽主體產品、生活使用產品等，按照“原理—方案—建模—仿真—分析—實物”的訓練過程，完成項目訓練的內容。首先通過查閱文獻資料，熟悉產品原理，設計方案，并對設計方案進行改進，建立三維模型，分析該模型的可行性;其次利用虛擬仿真技術，仿真分析產品的運動性能，檢查產品是否滿足預定的設計要求;最后利用實驗室的實踐平臺進行實物拼接，進一步驗證方案的可行性。對一些好的產品，按照縮小比例的方法可以利用3D打印技術，在實驗室的3D打印機上將作品最終打印出來，然后進行裝配調試，最終將學生的想法真正變成可以看得見、摸得著的實物產品。通過這種方式，在培養學生的產品創新設計能力、軟件分析和應用能力的同時，增強學生的成就感和自信心。

四、改革效果

改革成果在桂林電子科技大學2018級和2019級機制、車輛專業中進行了初步實施，從實施的效果看，通過使用雨課堂對學生的預習效果進行客觀評價，有效地對學生的實驗自主學習進行跟蹤和提醒;對實驗的全過程考核評價結果進行分析，部分學生理論知識扎實，口語表達能力較好，但實踐能力較差;部分學生動手能力較強，但文字表達和數據分析能力較弱;部分學生顯示出較好的自主學習能力，有較強的好奇心，能對產品進行創新設計，積極參加機械創新設計大賽、全國數字化三維創新設計大賽、全國大學生工程訓練能力大賽等科技類競賽和大學生創新創業訓練項目等。可見，通過對“機械原理”實驗教學改革，對提高學生的學習主動性，激發學習興趣起到較好的促進作用。從評價結果看，實驗教學改革有效展現了不同層次學生的學習效果，有利于發現各個學生的學習優勢和不足，并對學習較差的學生進行提醒和幫助，更好地幫助學生成長和成才。

總之，“機械原理”實驗教學改革堅持以學生為中心，但需要學生、教師的共同參與和付出，在思考怎樣提高學生“學”和“用”的能力的同時，也是對提高教師“教”的能力的考驗。因此，要求教師要順應新時代的潮流，進行自我革新，不斷學習新思想、新理論和新方法，并應用于教學實際，將知識內化于能力培養中，從而提升教師“教”的能力，更好地當好學生學習的引路人，使學生和教師都從教學改革中受益。

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注：桂林電子科技大學智能制造實驗實訓教學中心項目“新時代背景下的機械原理實驗教學改革與實踐”（2020JDSYZXA01）

【作者簡介】何玉林（1980— ），女，湖南永州人，桂林電子科技大學高級實驗師，碩士生導師，主要從事機械原理、機械設計實驗教學;楊連發（1965— ），男，貴州黎平人，桂林電子科技大學教授，博士生導師，研究方向為模具設計和專業綜合設計教學。

（責編 蘇 林）