新工科背景下面向?qū)嵺`和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)械原理課程教學(xué)改革與實(shí)踐

楊東宇，賈明川

（哈爾濱理工大學(xué) 榮成學(xué)院，山東 榮成）

“新工科”的概念最早于 2016 年被提出，是我國(guó)高等工程教育體系對(duì)實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)，協(xié)調(diào)推進(jìn)“四個(gè)全面”戰(zhàn)略布局，貫徹落實(shí)創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的新發(fā)展理念，深入實(shí)施“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”“一帶一路”“互聯(lián)網(wǎng)＋”“京津冀協(xié)同發(fā)展”等重大戰(zhàn)略等國(guó)家重大戰(zhàn)略的積極反映[1]。2017年，教育部高等教育司正式推出高等工程教育改革“新工科”計(jì)劃。在一年之內(nèi)，相繼形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”“交大篇章”等重要的新工科建設(shè)指導(dǎo)性文件和理念，為工程教育的建設(shè)與改革指明了方向[2-3]。新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略型、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開(kāi)放式的特征。不論是新興工科的建設(shè)還是傳統(tǒng)工科的升級(jí)改造，對(duì)于工科專業(yè)的每門課程來(lái)說(shuō)，都應(yīng)在“新工科”建設(shè)的大背景下，結(jié)合“新工科”的內(nèi)涵與理念進(jìn)行課程教學(xué)改革[4-5]。

一 教學(xué)改革的背景

我院作為一所應(yīng)用型本科高校，為助力地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，立足學(xué)校內(nèi)涵建設(shè)和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，推出“兩海一服”政策，即海洋智能裝備制造、海洋食品與生物工程與現(xiàn)代海洋服務(wù)業(yè)。機(jī)械專業(yè)的學(xué)生作為“兩海一服”政策培養(yǎng)的重點(diǎn)對(duì)象，在新工科背景下，面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，確立了人才培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)具備扎實(shí)的機(jī)械專業(yè)知識(shí)，精湛的實(shí)踐、創(chuàng)新能力，良好的職業(yè)道德素養(yǎng)和科技報(bào)國(guó)情懷的應(yīng)用技術(shù)型人才。

“機(jī)械原理”是學(xué)生接觸的第一門專業(yè)核心課，是基礎(chǔ)課程(包括高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械制圖等)與專業(yè)課程之間的橋梁課程，在整個(gè)知識(shí)體系中起到承前啟后的重要作用。課程主要研究機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及常用機(jī)構(gòu)及機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，為學(xué)生畢業(yè)后從事有關(guān)機(jī)械方面的設(shè)計(jì)、制造、開(kāi)發(fā)及研究工作奠定基礎(chǔ)。《機(jī)械原理》課程具有基本概念多、邏輯性強(qiáng)、公式多、內(nèi)容難度大、與工程結(jié)合緊密的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)難度較大。課程授課對(duì)象為大學(xué)本科二年級(jí)學(xué)生，該年級(jí)學(xué)生還未系統(tǒng)開(kāi)展生產(chǎn)實(shí)習(xí)等工程能力訓(xùn)練，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)匱乏；

二 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

（一） 教學(xué)內(nèi)容與工程背景結(jié)合較差

由于學(xué)生工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)少，加之教師在授課中也沒(méi)有很好地將工程案例與理論知識(shí)進(jìn)行融合，加之課程本身難度高、需要具備一定的工程經(jīng)驗(yàn)才能很好地理解消化，多方面的原因使得學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容普遍感到抽象、難學(xué)，逐漸失去了學(xué)習(xí)興趣，甚至對(duì)后續(xù)專業(yè)課乃至從事機(jī)械行業(yè)工作的信心也造成了巨大打擊。

（二） 教學(xué)模式單一、學(xué)生主體地位不突出

在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，教學(xué)設(shè)計(jì)主要圍繞教師如何教展開(kāi)，以教師為中心，缺少吸引學(xué)生注意力的教學(xué)活動(dòng)，教師與學(xué)生交流較少，學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的機(jī)會(huì)少，大都采用灌輸式的教學(xué)方法進(jìn)行授課，學(xué)生絕大部分時(shí)間在被動(dòng)地接受知識(shí)，課堂枯燥無(wú)味，缺乏吸引力，造成一部分學(xué)生在課堂上不認(rèn)真聽(tīng)課、玩手機(jī)，學(xué)習(xí)效果不夠理想[6]。

（三） 學(xué)生知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化效率不高

傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)程缺少有效的實(shí)踐應(yīng)用訓(xùn)練環(huán)節(jié)，大多數(shù)知識(shí)僅停留在紙上談兵階段，有一些學(xué)生上課好像聽(tīng)明白了但是課下一做作業(yè)就發(fā)懵，不僅知識(shí)遺忘率高，還嚴(yán)重影響了后續(xù)機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果。加之考核評(píng)價(jià)體系不完善，使得大部分學(xué)生采取考前突擊過(guò)關(guān)，并不重視平時(shí)知識(shí)的積累，造成學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力較差，不利于實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7]。

（四） 思政教育與課程內(nèi)容融合較差

對(duì)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)?shù)募?lì)不夠，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)目的認(rèn)識(shí)不深刻，缺乏責(zé)任感和科技報(bào)國(guó)的內(nèi)驅(qū)力，在學(xué)習(xí)上遇到挫折和困難就很容易放棄，不愿深入鉆研枯燥難懂的理論知識(shí)，隨著課程學(xué)習(xí)深入、難度加大，逐漸對(duì)課程失去興趣、放棄本門課甚至后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。

三 教學(xué)改革措施

（一） 整合教學(xué)內(nèi)容，解決學(xué)生工程經(jīng)驗(yàn)匱乏、教學(xué)內(nèi)容抽象造成的學(xué)習(xí)困難

在新工科背景下，創(chuàng)新復(fù)合型人才是工程教育的重要培養(yǎng)目標(biāo)，在“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念指導(dǎo)下，著眼于學(xué)生發(fā)展需求，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合。刪減過(guò)時(shí)的、與其他課程重復(fù)的內(nèi)容，增加與時(shí)俱進(jìn)的工程實(shí)例和交叉學(xué)科知識(shí)，及時(shí)把最新的“智能制造、外骨骼機(jī)器人”等學(xué)科前沿成果，及“生物科技、自動(dòng)控制、機(jī)械工程材料”等交叉學(xué)科知識(shí)融入日常教學(xué)中。例如：在緒論中增加“都江堰”水利工程和西安地鐵“問(wèn)題電纜”事件的工程倫理分析，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德和工程倫理意識(shí)；在介紹機(jī)械行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀中，增加融合了生物科技和定位導(dǎo)航技術(shù)的“手術(shù)機(jī)器人”的工作原理介紹。在第二章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析中增加融合人工智能相關(guān)知識(shí)的“智能制造”、切比雪夫四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析，提高學(xué)生對(duì)國(guó)家重大發(fā)展戰(zhàn)略、行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的了解。在齒輪機(jī)構(gòu)一章中增加融合永磁牽引電機(jī)相關(guān)知識(shí)的“高鐵傳動(dòng)系統(tǒng)”及融合航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)知識(shí)的“殲20隱形戰(zhàn)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)增速器”的設(shè)計(jì)等等。通過(guò)將體現(xiàn)前沿性、時(shí)代性、交叉融合性的知識(shí)與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，提高課程的高階性，突出課程的創(chuàng)新性，增加課程的挑戰(zhàn)度，從而增加學(xué)生工程經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二） “工程問(wèn)題情境式”課堂，解決教學(xué)模式單一、學(xué)生主體地位不突出的問(wèn)題

基于OBE理念，利用超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)和釘釘群，實(shí)施傳統(tǒng)課堂與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的混合式教學(xué)，在教學(xué)設(shè)計(jì)中突出“以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向”，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)后具備什么樣的能力及能做什么，教學(xué)實(shí)施與評(píng)價(jià)都圍繞著學(xué)習(xí)成果展開(kāi)，并依據(jù)課程評(píng)價(jià)結(jié)果做持續(xù)改進(jìn)[8]。通過(guò)融入“工程問(wèn)題情境”創(chuàng)設(shè)挑戰(zhàn)性問(wèn)題，創(chuàng)造高階思維情境，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在動(dòng)力，以工程實(shí)例引導(dǎo)——問(wèn)題驅(qū)動(dòng)——能力導(dǎo)向——應(yīng)用拓展為主線開(kāi)展課堂教學(xué)活動(dòng)。

1.課前：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力。課前教師以國(guó)家重大項(xiàng)目、發(fā)展戰(zhàn)略、機(jī)械裝置設(shè)計(jì)的困境等工程實(shí)例導(dǎo)入問(wèn)題，明確對(duì)學(xué)生提出帶有問(wèn)題解決、創(chuàng)造分析等高階認(rèn)知策略的學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生在問(wèn)題驅(qū)動(dòng)下，完成課前參考文獻(xiàn)閱讀、預(yù)習(xí)視頻觀看及前測(cè)，教師根據(jù)前測(cè)結(jié)果進(jìn)行問(wèn)題導(dǎo)向的精準(zhǔn)化教學(xué)。

2.課中：解決核心問(wèn)題，建構(gòu)認(rèn)知體系。教師根據(jù)課程內(nèi)容重難點(diǎn)及學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)結(jié)果的反饋，進(jìn)行精準(zhǔn)化教學(xué)設(shè)計(jì)。以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，以解決問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)探究式問(wèn)答、課堂辯論、分組研討等互動(dòng)環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)深度思考、思辨分析、合作交流、觀點(diǎn)碰撞建構(gòu)認(rèn)知體系，達(dá)到知識(shí)、能力、素養(yǎng)的訓(xùn)練，最終獲得利用所學(xué)理論解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

3.課后：內(nèi)化提升能力，主動(dòng)反思遷移。課后作業(yè)分為線上、線下兩部分。線上作業(yè)包括主題討論、文獻(xiàn)閱讀、知識(shí)測(cè)驗(yàn)等，借助超星平臺(tái)、釘釘群，完成學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的回收。線下作業(yè)具有一定拓展性、挑戰(zhàn)性，開(kāi)放性，幫助學(xué)生將知識(shí)遷移和轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)能力的拓展提升，如表1所示。

表1 部分線下作業(yè)舉例

（三） 項(xiàng)目全過(guò)程嵌入式學(xué)習(xí)，解決知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化率低的困境

1.項(xiàng)目全過(guò)程嵌入式學(xué)習(xí)模式。遵循“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，著眼于學(xué)生的能力提升，挑選學(xué)生“跳一跳夠得著”的題目，建立項(xiàng)目全過(guò)程嵌入式課程學(xué)習(xí)模式，學(xué)習(xí)計(jì)劃如表2所示。項(xiàng)目貫穿課程始終，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，開(kāi)展理論與實(shí)踐的同步訓(xùn)練。教師首次課發(fā)布題目后，學(xué)生自動(dòng)組隊(duì)選擇，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行各章節(jié)知識(shí)的訓(xùn)練。例如在學(xué)習(xí)齒輪、凸輪等機(jī)構(gòu)時(shí)，學(xué)生對(duì)各自項(xiàng)目中涉及到的齒輪、凸輪等機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)和力分析時(shí)，學(xué)生團(tuán)隊(duì)分工對(duì)項(xiàng)目中的不同機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和受力分析。整門課程的學(xué)習(xí)結(jié)合解決實(shí)際工程問(wèn)題的“闖關(guān)挑戰(zhàn)”，學(xué)生的獲得感和成就感得到極大的提升。在完成各章節(jié)理論學(xué)習(xí)后立刻利用所學(xué)完成對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。隨后，通過(guò)搭建實(shí)物模型、三維軟件運(yùn)動(dòng)仿真，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。整個(gè)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)通過(guò)真實(shí)的工程項(xiàng)目訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化，提升了實(shí)踐創(chuàng)新能力。

表2 學(xué)習(xí)計(jì)劃

2.開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室助力學(xué)習(xí)成果轉(zhuǎn)化。豐富的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室資源可以為學(xué)生提供多學(xué)科交叉融合的實(shí)踐環(huán)境，將真實(shí)世界的體驗(yàn)融入工程教育。學(xué)生能夠利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室將機(jī)械原理課程所學(xué)與機(jī)械控制、機(jī)械工程材料、3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科交叉融合，將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)物。學(xué)生可以利用3D打印技術(shù)、慧魚模型、機(jī)構(gòu)模型選擇自己擅長(zhǎng)的方式，對(duì)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證。鼓勵(lì)學(xué)生將學(xué)習(xí)成果做出實(shí)物參加各類學(xué)科比賽。目前已經(jīng)有大批學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室將自己的機(jī)構(gòu)創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)，完成機(jī)械創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施。通過(guò)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合的形式引入項(xiàng)目建設(shè)中，為實(shí)現(xiàn)新工科的建設(shè)、轉(zhuǎn)變現(xiàn)有教學(xué)模式、促進(jìn)人才全方位培養(yǎng)、強(qiáng)化動(dòng)手實(shí)踐能力提供了保障。

3.參與各類學(xué)科競(jìng)賽，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。學(xué)科競(jìng)賽是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的有效手段和重要載體。鼓勵(lì)學(xué)生參加與機(jī)械原理課程相關(guān)的各類比賽，不僅能積累工程經(jīng)驗(yàn)、提升實(shí)踐和創(chuàng)新能力、更能激發(fā)學(xué)習(xí)自主性、創(chuàng)造性。與機(jī)械原理課程相關(guān)的競(jìng)賽主要包括全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技作品競(jìng)賽等。通過(guò)參與這些學(xué)科競(jìng)賽，學(xué)生的繪圖能力、邏輯思維能力、溝通和協(xié)作能力、實(shí)踐和創(chuàng)新動(dòng)能力都得到了大幅提升。

（四） 以“學(xué)習(xí)效果為中心”的考核方式改革，引領(lǐng)和撬動(dòng)深層次培養(yǎng)

改變傳統(tǒng)“期末一考定成績(jī)”的評(píng)價(jià)方式，增加形成性考核項(xiàng)目，根據(jù)課程目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)。提前給學(xué)生評(píng)價(jià)量表引導(dǎo)學(xué)習(xí)，通過(guò)反饋及時(shí)調(diào)整教學(xué)。加強(qiáng)形成性評(píng)價(jià)并持續(xù)改進(jìn)，建立“目標(biāo)-活動(dòng)-反饋”課程三角形，實(shí)現(xiàn)循環(huán)與迭代式提升。形成性評(píng)價(jià)方式包括課堂表現(xiàn)、課堂討論、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等，如圖1所示為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（五） 以“全方位”育人為目標(biāo)，開(kāi)展課程思政建設(shè)，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力

根據(jù)機(jī)械原理的課程特點(diǎn)和課程內(nèi)容結(jié)合人才培養(yǎng)目標(biāo)確立思政目標(biāo)為：有家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)，具有工程倫理意識(shí)和遵守國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的意識(shí)，具備運(yùn)用哲學(xué)原理解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

根據(jù)課程內(nèi)容特點(diǎn)建立包含“工業(yè)強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略、馬克思主義哲學(xué)理論，“工程倫理”，“神州十三號(hào)”等國(guó)家重大項(xiàng)目在內(nèi)的思政案例庫(kù)。在課前導(dǎo)入——課中分析問(wèn)題——課后話題討論中，根據(jù)不同章節(jié)課程的內(nèi)容與特點(diǎn)，靈活多樣地植入課程思政元素，如圖2為課程思政實(shí)施案例。

圖2 “齒輪機(jī)構(gòu)”課程思政的實(shí)施過(guò)程

四 結(jié)語(yǔ)

新工科背景下，為達(dá)成培養(yǎng)具有實(shí)踐和創(chuàng)新能力的技術(shù)融合型人才的目標(biāo)，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械原理課程的教學(xué)模式進(jìn)行了改革，將OBE理念引入課程教學(xué)中，圍繞以“學(xué)生為中心”的教育理念優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、建立工程問(wèn)題情境式課堂、變革考核方式、融入課程思政，開(kāi)展以開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室為支撐的項(xiàng)目全過(guò)程嵌入式教學(xué)改革和實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。