新工科背景下的機械原理課程改革初探

申會鵬，曹毅，丁浩，武照云，劉曉霞，馮偉，任寧

（河南工業大學 機電工程學院，鄭州 450001）

0 引言

自2017年以來，我國教育建設進入了快速和高質量發展階段，逐步探索并形成了新工科建設體系和方法。隨后提出了“一流課程”、“打造金課”[1-2]等一系列規劃，更是穩步推進了新工科的建設。在新工科體系下，各個課程都在朝著高階性、創新性和挑戰度進行改革，為培養出多元化復合高等人才而努力著。

機械原理作為機械專業的基礎課、必修課，在專業教育中的地位舉足輕重，經歷了幾年的線上線下混合式教育，通過教學經驗總結和教學研討，提出并嘗試了案例式牽引教學法、互動追問式教學法、激勵自驅式教學法、工程情景式教學法等多樣式教學法。同時為了給學生帶來沉浸式和體驗式教學，引入并創建了新工科物聯網實驗平臺[3-4]，將“互聯網+”、“物聯網”、“工業軟件”、“智能制造”、“數字孿生”“大數據分析”等現代信息技術與理念融入到機械基礎課程的實驗教學過程中，讓學生在學習課程內容、開展實驗的過程中，充分理解現代數字化設計、智能制造、工業物聯網、工業大數據分析等在工程實踐過程中的應用，為社會輸出多元化復合型人才創造基礎條件。

1 機械原理教學現狀分析

隨著社會經濟與科學技術的發展，傳統高等工程教育的思維模式、課程體系、教學內容及解決問題途徑已經難以適應當今新經濟背景下新工科的需要，更難以滿足新經濟蓬勃發展對工程人才素質和能力的需求，主要體現在如下四方面。

1.1 傳統思維模式——基于模型的正向思維

傳統工程教育的思維模式是一種正向思維模式，即基于物理學、化學和生物學等科學原理，通過建立數學模型/圖表描述對象與過程并計算結果，進行產品的功能與性能的設計、計算與開發決策。然而，由于科學發展水平和工程實際狀況的局限，使得傳統正向思維模式對于某些科學原理（如生命科學與經濟學領域的未知或不確定因果關系）與工程問題（制造誤差等）難以準確或精確建立數學模型，從而難以適應當今以大數據驅動為特征的新經濟發展的需要。如何突破基于數學模型的傳統正向思維，建立全局大數據與數學模型混合驅動的新思維模式，是首要問題。

1.2 傳統課程體系——機械基礎課程體系

傳統機械專業基礎課程體系是機械設計與制造系列，對應傳統機械行業，目前增加測控系列課程，也僅對應機電一體化產品分析設計；而新工科需要面向新經濟培養在互聯網與大數據/云計算條件下的自動化與智能化機器設計、制造和運營管理的高級人才，機械工程專業需要如何改造升級，構建什么樣的機械基礎課程體系，是當前傳統機械專業升級改造迫切需要思考的問題。

1.3 傳統教學內容——機械原理與機械設計課程內容

傳統機械基礎課程——機械原理與機械設計，其教學內容適應傳統純機械產品的設計制造；在新經濟背景下（互聯網與大數據/云計算、自動化/智能化）的新工科，如何更新機械基礎課程內容，使其與機械專業升級改造相適應，是目前傳統機械專業升級改造首先需要解決的問題。

1.4 傳統教學模式——重知識傳授、輕能力培養

機械基礎課程的傳統教學模式側重知識傳授，應用單一知識進行分析/驗算多，綜合應用知識進行構思設計少，如何從機器整機功能與性能視角出發，啟發學生學習新知識和綜合靈活運用知識進行創意構思與創新設計，缺少培養學生能力的相應教學模式，是新工科背景下機械基礎課程必須研究和解決的短板和軟肋。

以上內容是針對機械原理等機械基礎課程的基礎理解，然而教學是教與學的互動，課程設置上要有所規劃，適應當前新工科對時代新人的要求，如何滿足這種要求便是我們需要思考的另外一個重要問題。因此要真正開展課程教學改革研究與實踐，提升課程建設水平和教學質量，才是保障教學的基礎舉措。其教學效果的直接體現就是學生的學習效果與學習能力，由此需要致力機械原理等機械基礎課程改革研究與實踐，建立以學為教、以學促教、教學融合的有機機制。

2 機械原理教學改革方法

機械原理是機械類專業（機械設計制造及其自動化、過程裝備與控制工程、包裝工程、汽車工程、材料成型及控制工程等專業）的專業技術基礎課程。機械原理是一門機械學科的技術必修課、基礎課，在學生的知識體系建設、創新能力培養、綜合素質構建中起到舉足輕重的作用。使學生在學習相關的機器或機構組成與運動原理后，具有相應的分析能力、設計能力、實驗能力和創新能力。如何在新工科背景下上好機械原理這門課是我們教師團隊一直思考的問題[5-6]。

結合機械類專業教學質量國家標準、機械原理課程教學基本要求、河南工業大學機械原理教學大綱、機械類專業認證等規定與要求，融合河南工業大學材料成型及控制工程專業的特色，按照河南工業大學本科課程教學目標分類，機械原理課程教學目標的設置包含學科專屬知識與技能、高級思維能力、人文價值、工作與事業準備、個人發展等多維度目標，能夠有效支撐機械類專業的畢業要求。

為解決以上問題，本課程中，除課堂講授外，還采用了案例式學習、小組合作、課后實踐實物搭建、課程知識點總結、課前預習、課堂討論、隨堂測試、課后作業等多種教學活動，實踐結果表明，各項教學活動能夠較好地開展，有效調動了學生的學習興趣與學習積極性，相關考核結果表明，各項教學活動能夠促使教學目標有效達成。經過分類與匯總大致可以分為以下幾個方法。

2.1 線上線下綜合教學法

本課程基于超星學習通教學平臺，采用了線上線下綜合教學法[7-8]，如圖1所示。該教學設計將教學分為三大階段，即課前、課中和課后。其中課后又包括常規知識的鞏固強化和拓展提升兩個階段。

圖1 線上線下綜合教學法

課前是準備性學習階段，在這一階段，學生按照教師推送的資源和要求進行自主學習，并完成課前學習任務點。教師根據預習效果了解學生對知識的掌握情況，適時地調整下一階段——課中的教學活動和教學策略。

課中是深度學習階段，在這一階段，通過小組合作學習或案例式學習對知識進行內化，整個過程都需要學生積極主動、深度地參與，最終達到知識的建構。教師將根據這一階段學習中遇到的問題及時地制定下一階段的內容和策略。

課后通過作業的形式，一方面使學生對所學知識進行鞏固強化，同時便于老師掌握學生學習效果；另一方面是拓展性訓練階段，通過布置一些與工程實踐或日常生活緊密結合的案例，同時設置有課后實物搭建實物實驗場景，使學生聯系生活和生產實際，進行拓展性探索，這一階段應該是學生最感興趣的階段，鼓勵他們將自己的探索經歷和體驗進行記錄和分享，如討論發帖、微信群展示等。教師將根據這一階段的學習情況及時地調整和改進下一輪學習周期的教學策略。

2.2 案例式牽引教學法

由教師課前告知學生案例并提出問題，學生先行預習熟悉案例相關背景，并提出具體的設計任務，以任務作為驅動，將教學內容巧妙地隱含在任務當中，迫使學生在學習過程中積極思考解決問題的辦法。案例教學必須給予一定的教學目標，通過具體案例來闡釋抽象的理論或知識上的要點，使理論與實踐聯系起來，豐富課堂教學的內涵，本門課案例教學的基本思路是：預習→知識點討論→任務分析→方案設計→方案討論→機構模擬驗證→生活中的應用舉例。

案例牽引式教學[9-10]使課堂充滿活力，提高學生分析問題和解決實際問題的能力，同時有利于促使學生學會學習，學會溝通與合作，會收到不錯的效果。

2.3 互動追問式教學法

在課程學習過程中，逐步建立課上追問式教學模式，以課堂互動為主，引導學生敢發問、多發問的教學特征，營造一個和諧共生的“教與學”體驗。通過課件的深刻理解，在課堂上設置引導性、進階性、討論性話題，層次深入，追問相扣，讓學生逐步愛上學習和課程。在交流和討論過程中，不同觀點碰撞交融，進而激發教學雙方的主動性和探索性，達成提高教學效果的一種教學方式[11]。

2.4 激勵自驅式教學法

為了提高學生的學習效率，并及時掌握學生的學習情況，增加學生學習的緊迫感，該課程采用激勵自驅式教學法，如圖2所示。借助于超星學習通平臺的便捷性，幾乎在每一堂課開始前都進行一次隨堂測試，課題測試時間控制在10～12 min，測試題目以選擇題、判斷題和定向填空題為主，測試成績直接和平時成績掛鉤，以此進一步提高學生學習積極性和主動性。

圖2 激勵自驅式教學法過程評價

同時本課程建立了“學-練-考-論”四位一體的考核評價體系：學習過程評價包括線上學習進度、面對面課堂學習情況；練習過程評價包括各章節習題練習、作業情況、拓展訓練；考試成績評價包括隨堂測試、期末考試；討論過程評價包括線上討論、線下討論、小組合作?？己嗽u價體系促進了教與學的不斷循環改進，同時比較全面地反映出學生的學習情況，較好地調動了學生的學習積極性和主動性，有效地促使教學目標的達成。

2.5 工程情景式教學法

為創建學生的情景式教學方法，在大連理工大學王德倫老師團隊的大力支持下，建立了“新工科”物聯網實驗教學共享平臺，如圖3所示，結合“互聯網+”、“物聯網”、“工業軟件”、“智能制造”、“大數據分析”等技術，讓新技術走進教學、融入教學，培養出高等學校的理論扎實、實踐能力強的復合型人才。

圖3 新工科實驗臺

為增進課程設置的高階性、創新性與實用性，改革初期，機械原理課程設置有四桿壓力機和九桿壓力機實物搭建場景。通過系統性的課程知識學習，學生通過原理剖析→運動分析→三維裝配→實物裝配→現場調試→性能測試等環節完成課后的實物搭建，課后實物搭建策略的設計使學生增加了學習興趣，較好地調動了學生們的主觀能動性，促進了學生對機械原理課程和實驗體系深化，增強學生的學以致用及創新意識。

該實驗平臺采用模塊化組合設計，將工程性和實踐性貫穿機械原理課程，樹立工程觀念，為學生抽象機器運動本質和進行機器結構設計提供實驗平臺。實驗教學平臺的實驗項目具有工程性和設計性，靈活運用課程內容、知識、軟件來分析和解決實驗、工程實際問題，而不是驗證、重復課程理論知識。

3 機械原理教學改革實施

3.1 教學內容的改革實施

通過深入分析專業的學術文獻，增強教師對多元化教學模式、線上線下混合教學模式、翻轉課題、體驗式教學等問題的理論基礎。通過調查研究、專家咨詢、多方論證等方法與途徑，對課程的教學體系、教學內容、教學模式、教學手段等進行梳理與優化，形成項目研究與實施方案。

教學內容上要發掘產品每個環節的大數據，并對數據進行處理，利用大數據驅動混合模式思維，使之更好地利用和再產生，以此適應新工科的需求。在機械原理設計課程上，融合機器功能原理與性能大數據設計，通過產品市場大數據分析定位產品功能和價格；通過創意構思實現產品功能/性能創意與用途及指標設計；利用功能原理數據，實現產品功能的物理、化學、生物學原理；通過工藝動作規劃實現產品功能的工藝動作和機械運動方案。

為此已建立部分教學素材庫，且需要逐步完善，如調研收集整理實際產品資料數據（各種類型、應用場合、圖形圖像/視頻/音頻等）、產品全生命周期內的大數據（市場大數據、功能大數據、性能制造大數據、消費大數據、服務大數據等），研究整理教學資料（簡化圖形/動畫素材、適合不同課程和章節內容的分析/計算數據、表格/圖片/動畫等）、學生練習資料（簡化與摘錄相關問題、對應圖片/數據、答案等），以及課程設計題目與參考資料等。

3.2 實踐內容的改革實施

新工科下的實驗教學定位為培養學生應用工程方法和實驗技術分析和解決工程問題，為機械設計樹立工程觀念與意識。結合學校特色，開展了新工科物聯網實驗教學平臺一期建設，具有線上虛擬線下現實融合、數字化技術應用、教學數據分析評價系統等創新特色。

4 機械原理教學改革成效與預想

經過本學期的教學改革，結合機械原理課程相關學習成果、評價方法，相關的數據表明：1）學科專屬知識與技能目標已經達成，提升效果顯著。學期素質教育評價表明，在學習過程階段，課前/課堂測試和課后作業中的成績比以前有大幅提高。在13～14周《機械原理課程設計》中能夠根據教師要求較快地制定合理的機構運動方案、正確繪制機構運動簡圖，大部分同學自學構建機構三維模型圖，甚至進行了動畫仿真。這些情況表明，學生在本門課程的學科專屬知識目標已經達成。同時，發現學生的綜合評定成績與期末成績高度相關。2）大多數同學能夠按計劃完成學習任務，基本上養成了主動學習和終身學習的習慣。本課程教學過程中，課前預習任務和課后作業均有嚴格的時間節點限制，若超期未完成，則超星學習通平臺系統不記錄成績，也就無法獲得平時成績。從平臺的數據來看，96.74%以上的學生都能按時完成各項學習任務，有較強的時間觀念，并科學地計劃、安排學習時間。通過不斷強化和漸次引導，有效組織和利用時間的能力得到了提升，且有助于主動學習和終身學習的習慣養成。在課程結束后，從OBE的理念出發，設置了一些問題，進行了簡單的調查問卷，調查表站在學生的角度，強調學生所得到的課程收獲與學習成果，從調查數據來看，學生總體認為該課程有用，對今后的學習、工作和生活會有很大幫助，課程教學組織得很好，激發了學生的學習興趣并調動了學習積極性，并且學生在該課程中付出了最大努力。還表明學生理解并掌握了課程重要基礎知識，形成了較完整的課程框架和知識體系，且學會了如何將知識用于實踐。3）動手能力提升，樹立了工程觀。在機械原理課程上，通過實驗發現在線體驗和線下實物裝配大大激發了學生興趣，課下預約裝配2～4 h可完成，課上實驗1.5～2.0 h可完成。在實踐過程中，學生也體會到了機構結構方案的多解性，按同一個機構簡圖進行組裝，組裝出不同的機器結構，更大程度上增強了學生的實踐力和創造力。

5 結語

1）建立了線上線下融合課堂，形成了以學為教、以學促教、教學融合的有機機制。

2）提出了案例式牽引教學法、互動追問式教學法、激勵自驅式教學法、工程情景式教學法等多樣式教學法，有效地提高了課堂互動頻率，提升了課堂互動的有效性。

3）初步建立了新工科物聯網實驗教學平臺，主要以可組裝式4桿和9桿壓力機為對象，貫穿于課程設計，樹立學生正確的工程觀。

4）探索了基于學生學習數據的綜合能力評價方法，基于超星平臺記錄的學習活動痕跡，收集并分析整個過程產生的數據，并以此來評價學生對知識的掌握程度及實踐動手能力，為高校綜合評價學生能力提供客觀數據支撐。