陳永 趙寧 丁攀 張秀麗 李世欣 田輝 王棟

摘要： 《機械設計》課程是機械設計制造及其自動化和農業建筑環境與能源工程等各本科專業必修的一門工程專業核心基礎課，集中介紹機器運動學和動力學的基礎知識，闡述機械傳動和軸類零部件，簡明扼要的分析通用零件和常用機構的工作原理及校核標準。《機械設計》課程具有非常強的設計理論性、實踐性和概念性，能夠解決機械工程及相關領域遇到的技術和管理問題，具備分析問題的能力。通過優化課程資源建設，探索出基于案例式分析的線上學習、課堂討論相結合的混合教學模式，并實現課堂教學的方法學習與實驗課程的原理方法驗證有機結合。通過混合教學模式的探索，嘗試利用先進的信息化技術手段融入到教學中，以生動形象的教學手段，數字教學資源平臺激發學生學習興趣，引導學生自主學習，并通過線上/線下的研討，加強學生的工程應用分析問題能力訓練，提升學生的工程思維能力。

Abstract： The course "Mechanical Design" is a compulsory engineering core basic course for undergraduate majors such as mechanical design and manufacturing and its automation， agricultural building environment and energy engineering. It focuses on the basic knowledge of machine kinematics and dynamics， and explains mechanical transmission and shafts. Parts， concise and concise analysis of the working principles and calibration standards of common parts and common institutions. This course has a very strong design theory， practicality and conceptuality， can solve technical and management problems encountered in mechanical engineering and related fields， and has the ability to analyze problems. By optimizing the construction of curriculum resources， a hybrid teaching model based on case analysis combining online learning and classroom discussion is explored， and the method of classroom teaching is organically combined with the principle and method verification of experimental courses. Through the exploration of mixed teaching mode， teachers try to use advanced information technology to integrate into teaching. Teachers use vivid teaching methods to stimulate students' interest in learning through digital teaching resource platforms. Students learn independently， and through online/offline seminars， strengthen students' ability to analyze problems in engineering applications and improve their engineering thinking ability.

關鍵詞： 機械設計;課程資源;混合教學模式;信息化

Key words： mechanical designl;course resource;mixed teaching pattern;informatization

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0254-03

0? 引言

《機械設計》是近機械類、機械類等本科專業必修的一門工程專業核心基礎課[1-4]，核心內容包含機械零件的強度（抗斷裂強度、疲勞強度、接觸強度和機械零件的可靠性）、連接（涉及螺紋連接、螺旋傳動、鍵及銷連接）、機械傳動（涉及齒輪傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動和鏈傳動等）、軸系零部件（涉及滾動軸承、滑動軸承和軸）內容，重點闡述常用機構的工作原理及一般尺寸的通用零部件的工作參數設計，詳述機械零部件的設計理論與技術方法[5-8]，由于受課程學時少的限制，因此教師課堂講授的理論知識和知識點的覆蓋面有待豐富。與此同時，由于課程理論知識概念性強，核心知識點抽象難以理解，同時課程設計要求學生的動手實踐測繪能力，要求分組討論和參觀機械零部件實驗室來加強對課程的認知理解。在河南農業大學機電工程學院，《機械設計》為能源與動力工程專業、智能農業裝備專業和機械設計及其自動化專業的必修基礎課程，總學時56學時，其中理論講課48學時，實驗8學時。為豐富課程教學，將課程資源建設與混合教學模式相結合，以學生課程學習中遇到的瓶頸問題為導向，調整教學方式，提升教學質量。

1? 《機械設計》課程資源建設及其面臨的主要問題

“農-工結合”是依托河南農業大學農林教育資源優勢和新工科發展需求，培養智能農業裝備技術方面的工匠人才。通過“農-工結合”提升工匠創新人才競爭力與專業生存發展之道，為工程行業培養高技能專業人才。《機械設計》是基本原理與設計功能應用相結合的工程專業核心課程，重點研究常用機構和通用零件的工作原理、結構特點、基本的設計理論和計算方法，實現物理參數定量描述;同時，探索運用新的設計方法是《機械設計》探討的重要內容，它旨在利用最優方法尋求最佳設計方案和設計參數。因此，《機械設計》資源建設為構建貫通農業和農產品加工工業的橋梁提供了理論基礎支持。河南農業大學開設的《機械設計》課程是河南省一流本科課程，課題組教師積極授課，完成教學任務的同時，一直積極申請機械類“工程教育專業認證”，投入精品課程建設。在教學平臺的搭建上，機械設計課題組教師積極參與機械設計實驗教學示范中心申報和河南省高等教育教學改革重點項目工作。

1.1 《機械設計》課程資源建設具體實施方案

①建立機械設計課程資源建設開放實驗室，增加主干章節的名校精品課程網絡鏈接和動畫視頻，完善課程師生互動評價機制，制定匹配的教學改革方法;

②增加機械設計的課程實踐環節，讓本科生的機械設計相關作品積極參與到全國大學生課外學術科技作品競賽“挑戰杯”和全國機械創新設計大賽，讓本科生掌握CAD、CAXA、EDEM和SOLIDWORKS等軟件基礎和具備一定的二維和三維繪圖和識圖能力;

③利用solidworks、Mastercam和Adams等軟件繪制及仿真機械設計的關鍵零部件，比如減速器的爆炸圖和動畫，加深對減速器等零部件拆裝運動過程的理解和認識;

④通過機械設計課堂講解與實驗內容的有機融合與銜接，建立面向系統能力培養的綜合教學體系，提高機電工程學院本科生及全校對機械專業感興趣的輔修學生的工程設計能力;

⑤通過統一的基于FPGA技術的實驗開發平臺，形成一整套面向系統能力培養的系列課程實驗教學內容體系和實驗管理模式，實驗項目內容具有系統性和層次性;

⑥機械設計課程資源建設遵循便利性和高效性原則，對教學和實驗管理模式和評價機制進行完善，包括對機械實驗設備的管理、實驗輔導、實驗檢查與批閱等關鍵環節的修正。

1.2 目前遇到的瓶頸問題主要包括

①以傳統的國家級規劃教材和PPT缺乏新鮮感：機械設計課程重點闡述常用機構和通用零件的工作原理、結構特點、基本的設計理論和計算方法，抽象的課堂講解難以提升學生自主學習的主觀能動性，亟需智能數字化和信息化的機械設計課程資源建設;

②“農-工”知識融合局限于單門的課程案例和教學內容：課堂講學講解側重工程力學現象和機械原理而忽略其機構運動的聯系，需要同機械制造基礎、機械制圖等課程銜接;

③以機械設計為主的傳統授課內容難以體現“農-工結合”應用實踐特色：具備理論力學、機械原理等先修基礎課前提下，該課程重點闡述工程案例設計的基礎知識，引入農業信息檢測、農產品狀態調控等產業相關的工程實現方法，促進機械設計方法在工程中的應用;

④傳統的授課模式難以滿足工程教育專業認證的需求：現有教學模式以原理方法及其理論分析為線索，難以實現以高效的教學成果導向工程教育。通過嘗試將案例分析融入到翻轉校園APP，利用學習通、慕課和騰訊會議等軟件將機械設計的經典案例和視頻上傳分享，實現師生的良好溝通和互動;

⑤課堂授課與課程設計環節的系統性銜接不夠縝密：機械設計實驗是中間環節，和課堂授課有關聯性，但系統性銜接不夠縝密;高效的溝通橋梁是將授課的經典案例與課程設計實驗相結合，加強對實驗方法的技能訓練和理論知識的鞏固。

2? 機械設計混合式教學模式探索

2.1 以問題為導向的機械設計混合式教學模式設計

《機械設計》作為理工基礎向機械工程應用轉化的橋梁，課程設置在第4學期，工程專業的學生已經學習了《機械制圖》《理論力學》《機械制造基礎》和《機械原理》等課程，具備機械設計相關基礎。因此，將改革原有教學模式，探索構建以問題為中心的教學理念，對教學內容進行分析研究，提出與不同運動過程有關的工程問題，闡述該運動過程的機械原理和方法，以及面向智能制造產業的農-工融合應用，如圖1所示。

針對《機械設計》課程主要學習掌握的運動過程形成的力學效應和物理量激勵產生的工程效應，將在學習工程力學、理論力學、機械傳動、軸系零部件等章節時，預先選擇機械設計案例，并為解釋分析機械原理現象設計問題進行研討。

2.2 線上學習、課堂研討與實驗驗證相結合的混合教學模式

為了激發《機械設計》的學習興趣，培養學生的主動學習意識，在上述案例與問題設計的基礎上，將結合先進的信息化技術手段，改革原有以講授為主的教學模式，利用《機械設計》可視化教學資源，圍繞案例和問題將線上學習、課堂討論與實驗驗證有機結合，提高學習效率，增強農業工程與機械工程應用的轉化與融合，如圖2所示。

其中：線上學習：用于課前將案例和問題推送給學生預習或自學，并通過線上提問互動，了解課程將學習的內容。

課堂研討：根據案例組織研討，對預先設計的問題和學生在線提出的問題進行梳理和解答，以案例為基礎讓學生掌握相應的機械設計分析方法，了解機械工程應用場景。

實驗驗證：將機械設計案例融入實驗課程，通過實驗進一步加深對機構運動過程的認識，在實驗中驗證農-工融合過程形成的工程力學現象，以及物理參數激勵產生的力學效應;同時，鼓勵學生設計實驗驗證機械工程現象，并將實驗結果的討論反饋到課堂教學中。

2.3 探索基于智能終端的課前預習、課外拓展學習的機械設計教學新模式

課前預習和課外拓展學習為課堂教學做好鋪墊，利于課堂教學開展，但需要結合教學內容做出引導，因此探索研究基于智能終端的課前預習、課外拓展學習的機械設計數字化教學資源平臺。研究內容包括：課前預習的內容及要求，預習后做出反饋;針對思考題的課外拓展學習方法、內容及要求，完成拓展學習后做出反饋。擬利用PC機/智能手機建立輔助課堂教學的數字化智能終端。研究內容如圖3所示。

主要包括以下內容：

①服務器端課前預習、課后拓展學習數字教學資源建設。針對教學進度和教學內容設置相應的預習內容和要求，以及課后拓展學習的內容和要求;

②基于手機/PC機的智能終端建設。設計調用教學數字化資源的APP/PC機郵件訪問的方式，每個學生作為1個用戶終端查看課前、課后教學要求及內容，并完成相應的學習任務;

③課前、課后學習完成情況反饋及評估每個學生利用智能終端將完成的課前預習、課后拓展學習反饋到教師使用的服務器端;

④手機利用移動數字網或WIFI，PC機利用互聯網實現數據的傳輸。

3? 結束語

總而言之，由于《機械設計》理論知識概念性強，核心知識點抽象難以理解，因此如何充分體現學生在線學習的主動性，同時充分發揮教師的引導、啟發、監控教學過程的作用，即將傳統學習方式的優勢和在線學習的優勢結合起來的混合教學模式已成為教育教學研究中的熱點問題。河南農業大學機電工程學院“工程教育專業認證”有關工作及專業實踐教學工作已正式啟動，《機械設計》作為機械制造及其自動化專業認證的十門核心課程之一，其課程的混合教學模式探索已取得初步成果，并積極推進相關內容。

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