新工科背景下“機構設計及應用”教學改革探索

李天興 聶少武 張志文

[摘 要] 針對新工科背景下“機構設計及應用”課堂教學過程中存在的一些問題，進行教學方式轉變、教學內容拓展、實踐模式補充、成績評定多樣化等方面的有益探索。近兩年來機械設計專業本科生的教學效果和評教水平表明，本課程的教學改革取得了良好的成效。學生在了解和掌握機構設計及應用技術的基本知識的同時，能夠拓寬和把握先進機構的最新發展動態和發展趨勢，開闊學生在機械設計領域的知識視野，提高學生的創新設計和創新思維能力、綜合知識應用能力和動手能力，達到了培養應用創新型人才的最終目的。

[關鍵詞] 新工科;機構設計及應用;教學改革;創新能力

[基金項目] 2019年度河南科技大學教育教學改革研究項目“新工科背景下‘機構設計及應用教學改革的探索與實踐”（2019-49）

[作者簡介] 李天興（1975—），男，河南孟州人，工學博士，河南科技大學機電工程學院副教授，碩士生導師，主要從事齒輪傳動設計研究;聶少武（1983—），男，河南宜陽人，工學博士，河南科技大學機電工程學院副教授，主要從事齒輪制造技術研究;張志文（1975—），男，河南汝陽人，工學碩士，河南科技大學機電工程學院講師，主要從事管理信息系統和工業工程研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）30-0070-04 ? ?[收稿日期] 2021-02-25

一、引言

提升本科生的科研創新能力，為國家培養創新型專業人才，一直是高等教育的重要任務，也是當前一項重大的歷史使命。2017年，《教育部高等教育司發布關于開展新工科研究與實踐的通知》，2018年發布“新工科研究與實踐項目”[1，2]。“新工科”不是局部考量，而是在新科技革命、新產業革命、新經濟背景下工程教育改革的重大戰略選擇，是今后工程教育發展的新思維、新導向。新工科背景下機械工程建設的內涵要求培養創新能力和實踐能力并重的復合型人才，由此高校的專業教育也應在新工科背景下對專業課程的教育教學改革進行探索和實踐。

“機構設計及應用”是機械設計及自動化專業的一門重要的專業必修課[3] （P1-4），對于學生的創新設計能力、動手能力和知識的綜合應用能力均具有較高要求。該課程以各類機構的分析與綜合為導向，旨在培養學生掌握常用和典型機構設計的基本理論和設計方法，注重對設計方案的構思和創新設計，強化機構分析，通過機構設計的程序實驗來實現機構的基本設計理論和方法的實際應用，提高學生的設計水平。2017年我校新版教學大綱修訂，“機構設計及應用”課程的教學內容和實踐環節發生了不小的變化，同時為適應當前社會對本科生工作能力和知識視野拓展的要求，對該課程教學改革進行探索與實踐是十分必要的[4]。

二、課程學情分析

“機構設計及應用”課程授課對象為大三學生。在基礎知識積累上，他們之前已經學習“高等數學”“線性代數”“計算方法”“計算機編程”等數學課程，具備數學計算、數值分析及數學運算等數學知識基礎，掌握一定的數學計算工具及數值算法，具備一定的解決機構運動設計及分析的計算問題能力。在專業基礎方面，他們已經學過“機械原理”課程，對常見的連桿機構、瞬心線機構、共軛曲線機構、凸輪機構及齒輪傳動機構比較熟悉，掌握基本機械結構的設計原理和方法，具備一定的機構設計與分析能力，并且已經完成“機械原理”和“機械設計”的課程設計，具備一定的創新思維和創新意識，具有一定的動手實踐能力。這些基礎知識和基礎能力的積累為“機構設計及應用”這門課程的學習提供了有利條件。

三、課程教學存在問題分析

（一）教學課時有限與授課內容深度不匹配

“機構設計及應用”的課程特點是理論知識難度較大，知識點瑣碎而復雜，學生需要花費大量課余時間來理解和消化課堂知識。然而，該課程的理論教學僅40學時，其中實驗8學時，授課內容包括平面連桿機構的綜合與分析、瞬心線機構設計、共軛曲線機構設計、凸輪機構設計和齒輪機構設計等。實驗教學在本門課中舉足輕重，實驗教學課時僅有8個課時，缺少發揮學生創新意識的實踐。因此，授課內容調整和講課方式變化是教學改革探索的必要內容。

（二）授課內容與專業發展趨勢不協調

“機構設計及應用”的課程內容理論性很強，且主要依托傳統機械結構的基本理論和設計方法，教材內容的更新遠跟不上科學技術的發展。例如，齒輪機構設計的主要知識點是基于周轉輪系的功率流和效率展開，但近年來，機器人精密減速器成為機構研究的熱點之一。對于這些國內外最新的科研成果和動態趨勢，應該在授課過程中有所體現，引導學生了解和熟悉相關知識，完成科學前沿的知識儲備。然而由于課時的限制，學生只能在課余時間自查自學與行業發展趨勢相適應的知識內容。因此，拓展學生在機構設計技術方面的知識視野，提高專業素養，將授課內容與本領域最新理論技術相結合的教學改革，是解決二者不協調的關鍵所在。

（三）教學手段和方法僵化落后

“機構設計及應用”的教學內容涉及各類典型機構的綜合、分析與設計等，理論推導公式多且難以理解，傳統的板書很難表達清楚機械結構的細節，手繪過程也浪費大量的課堂時間，嚴重影響教學進度和質量。采用PPT教學，課堂信息量大，能減輕授課教師的工作強度，但長時間的幻燈放映使得學生昏昏欲睡，同樣達不到預期的教學效果，因此板書和多媒體教學度的把握需要進行探索。另外，本門課程在第6學期開設，大多學生忙于考研、競賽和實踐，學習過程的疲沓和理論知識的枯燥常導致課堂出勤率嚴重不足。因此，如何在教學手段方面進行改進，以吸引學生走進課堂也需要進行探索與實踐。

（四）實踐環節不足