新工科背景下機械原理課程改革研究與探索
——以煙臺理工學院為例

仝洪月，劉安琴，賈森

（煙臺理工學院，山東 煙臺 264600）

0 引言

新工科建設背景下，煙臺理工學院機械類專業擔負著為社會培養和輸送更多高質量應用型人才的重任。改革課堂教學模式和教學內容，是培養高質量應用型人才的重要途徑。積極推進課堂教學改革，提高課堂教學質量，是每位教師的職責[1-2]。近幾年來，全國各高效都在積極推進課堂教學改革。李磊等[3]進行了翻轉課堂教學模式的探索；江帆等[4]對“機械原理”課程在MOOC環境下的混合式教學進行了研究，取得顯著效果；蘇昭群等[5]就械原理課程教學存在的問題，對教學內容、教學方法、實踐教學等方面進行改革探索，且效果顯著；鄧偉剛等[6]探索了機械原理多模式融合化教學方法，在提高教師綜合能力和提高學生學習能力方面有顯著效果。為達到應用型人才培養要求，提高學生的機械創新和實踐能力，改革機械原理課程，提升本課程的教學質量勢在必行[1]。

1 課程特點及存在問題

機械原理課程是我院機械專業的核心基礎課，它以工程應用為背景，具有較強的理論性、邏輯性和工程實踐性。在學生掌握基本理論知識的同時，本課程主要培養學生機械創新能力和解決工程實際問題的能力[7]。

本課程以講解各種機構運動特點、工作原理和設計方法為主，知識結構復雜，理論性強，某些知識較抽象，學習過程比較枯燥，學生學習成效甚微。且傳統課堂上的缺少直觀的體驗，不利于培養學生的創新和工程實踐能力。以往的課程授課方式是以教師講授為主的應試教育，學生則被動接受知識，整個教學過程缺乏創造性的勞動，缺乏對學生實際應用能力和創新思維能力的鍛煉和培養[8]。機械原理課程結構原因導致重理論輕實踐，理論與實踐聯系不緊密，存在脫節現象，學生不能將所學理論知識應用到實踐中解決工程實際問題。

2 課程教學改革探索

由于在教學過程中存在以上問題，面對更高質量的應用型機械人才需求，針對煙臺理工學院學生的特點，充分利用我校教學資源，近幾年機械原理教研室以提高機械原理課程的學習效果、提高學生的機械設計創新和工程實踐能力為教學目標，合理地進行教學設計和教學方法探索，形成了符合我校學生的機械原理課程改革方案。

2.1 引入學科競賽，激發學生學習興趣

2.1.1 將學科競賽引入課堂教學

由于教材及課件中的教學案例過于陳舊，不能引領學科前沿，且與學生聯系不太密切，學生缺乏學習興趣。因此，我院課題組在授課過程中，引入械設計創新大賽的作品、我院學生參加山東省大學生科技創新大賽、山東省機電產品創新大賽和三維數字化大賽等獲獎的作品以及比較新型的科技產品等。把這些作品作為新的教學案例，利用這些案例來講解相應知識點，學生在學到理論知識的同時，又拓寬了視野。且能引導學生思考創新設計，激發學生對科學競賽的興趣，培養學生的創新能力。

通過對案例中的機械結構進行分析，對不同的機構在進行運動演示的同時，進行相關理論知識的講解，將枯燥的理論知識通過實踐演示來詮釋。通過深入淺出的方式將理論知識既直觀又通俗的表達清楚，便于學生理解、掌握和靈活應用。

比如，山東省機電創新比賽獲獎作品“墻壁清洗機”，其中應用到了連桿機構，通過連桿機構帶動清潔刷清洗墻壁。以往在講授連桿機構運動特點等知識點時，都是以課件上的平面機構簡圖為例，現在以立體的三維模型作為講解案例，直觀通俗易懂，容易引起學生的學習興趣。

2.1.2 學科競賽與課程設計相結合

為了提高學生的創新能力，在學期初將學科競賽項目作為本學期機械原理課程設計的主題方向。首先，學生要先確定方案，明確各部分要實現的功能以及如何實現這樣的功能。在學習理論知識的同時，學生也會在不斷思考各種機構的功能，以及通過何種機構可以實現預期的功能要求。在學習中，學生不斷思考，不斷修改最初方案，直至得到最優化的機械結構，實現機械結構的創新。

將學科競賽引入課程教學中，在學習理論知識的同時，又將理論知識與實踐應用相結合，提高了學生的聽課質量。將學科競賽與課程設計相結合，通過這樣一個問題引導式學習，既能激發學生的好奇心，提高學生學習主動性，又鍛煉學生的思考能力。學生在不斷學習、不斷思考的過程中，提高了機械創新和工程實踐應用的能力。比如，2022年機械創新設計大賽的主題是仿生機械和生態修復機械。以這個作為主題方向，學生自擬題目。最終完成的作品有仿生魚、海洋垃圾處理器等，結構合理，基本能實現相應功能，作品質量比較高。

2.2 將理論教學與實驗操作結合

機械原理課程與實踐操作結合比較密切，若在理論學習中，融入實踐操作，能加深學生對知識的理解，提高學生學習興趣及課堂學習效果。所以本教研室充分利用有限的實驗教學資源，盡可能將理論知識與實踐操作進行融合，降低理論知識學習的難度，加強學生對知識的掌握程度。在機械原理授課過程中，機構運動簡圖的繪制、齒輪范成原理以及齒輪根切等理論知識，比較難理解，學生不易掌握。為此，依托我院多媒體機械原理實驗室，將與實驗相關知識點的學習在實驗室進行。

實驗一：機構運動簡圖的繪制。首先利用多媒體設備播放理論教學課件，先理論講解機構運動簡圖的繪制方法，然后以其中的幾個實物模型為例，按照機構運動簡圖繪制步驟，來分析該機構。理論講解完后，由學生完成機構運動簡圖的繪制實驗。最后再次利用機構模型，進行運動分析，引出機構具有確定運動的條件。通過這種實物演示的方式，進行理論講解，提高課堂學習效率。

實驗二：利用多媒體動畫，先講解齒輪范成法加工原理，然后再利用實驗室的齒輪范成儀，進行范成法加工齒輪原理的講解。根據范成實驗的理論講解原理，由學生完成實驗操作。利用學生繪制的三個不同的齒輪輪齒形狀，進行對比分析，引出知識點：什么是齒輪根切，產生根切的原因以及不根切的條件等。

在實驗操作中融入理論知識講解，在理論學習中進行實驗操作，并從實驗操作中延伸出下一個理論知識點。將理論講解與實驗相融合，學生不僅加深鞏固了理論知識，又鍛煉了動手操作能力，達到了知識學習和能力提升的目標。

2.3 將虛擬仿真平臺引入課堂教學

受實驗條件的制約，在授課過程中，有些機構缺乏實物模型，且多種機構組合的實物模型也比較缺乏。由于獨立院校學生基礎薄弱，對機構感性認識不足，面對授課過程中機構的平面結構圖，不能形成立體性的直觀模型畫面，在進行機構工作原理、運動特點以及設計方法的講解時，學生不能理解透徹。

利用虛擬仿真平臺，將機構模型的三維動畫，引入到課堂教學中，使學生更加直觀的認識機構的運動原理和特點。利用虛擬仿真平臺模擬各個機構的設計方法，將以往難講、逆向思維的知識，直觀表達出來，促進了學生對理論知識的理解和掌握，提高了課堂聽課質量和教學效果。

例如，利用虛擬平臺演示各種類型的凸輪的輪廓曲線的詳細的繪制過程，通過這種生動的方式便于學生理解掌；通過虛擬平臺中對間歇運動機構的應用進行案例引用，且進行三維立體演示，便于學生加深對棘輪機構的掌握。

2.4 采用“線上”+“線下”混合式教學

傳統的機械原理課堂教學主要以教師講授為主，學生被動參與，整個過程中學生缺乏創造性的勞動。在教學過程中師生雙方缺少必要的互動，難以建立良好的師生關系，不利于學習效果的提升。由于課程學時的壓縮，很難在有限的課堂中進行全部理論知識的學習。因此，我院改變傳統的教學模式，將線上線下“翻轉課堂”應用到理論教學中。以教師講授為中心轉變成以學生學習為中心，整個過程分為課前、課中和課后。

課前，教師將本節課的學習任務、線上學習視頻、思考題討論題等通過線上學習平臺進行發布，要求學生通過線上自學，完成學習任務，并進行線上互動討論、檢測等，通過這種方式來增強學生的自主學習意識。

課中，教師對課前學生學習中遇到的問題進行講解，并對本節中的重難點知識進行強調，并引例分析。整個授課過程中，教師主要起引導作用，重點在引導學生進行分析問題和解決問題，使學生變成了課堂的主體，提高學生的學習積極性。這種授課方式加強了師生間的互動交流，端正了學生學習態度，提高了學生課堂參與度，更好地使學生掌握課程知識，提高了學習效果的。

課后，學生完成知識鞏固學習任務。其中包過所有基礎知識的復習、知識的應用、應用所學知識解決一些工程問題等高階性題目以及知識點的拓展。通過理論知識的復習，進一步加強學生對知識的掌握；通過應用理論知識解決一些工程問題，培養學生分析問題、解決問題的能力。

例如，機械原理第二章機構自由度的計算。課前，首先根據發布的任務要求由學生通過自學了解構件的自由度、機構的自由度的概念，試推導出機構自由度的計算公式，并通過簡單地四桿機構案例驗證公式的正確性，完成顎式破碎機、包裝機送紙機構的自由度的計算，帶著自學過程中的問題，進行線下學習。課中，由老師對自由度計算公式進一步講解，并對包裝機送紙機構進行進一步分析，在講解過程中，不斷地對學生進行引導、提問，最后引出機構自由度計算注意事項等新的知識點，并進行相關練習完成知識鞏固。課后，由學生完成小型壓力機等機構的自由度計算。

線上線下混合式翻轉教學可以貫穿到整個課程各章節教學的始終。利用學習通app作為為線上學習平臺，合理進行教學設計，充分發揮學生的主觀能動性，提高課堂教學效果，最終達到知識、能力、素養培養的教學目標。

2.5 融入課程思政進行價值引領

教師的作用是教書育人，但近幾年，育人功能面臨被弱化的危險。因此，需要充分發揮課堂教學在育人中主渠道作用，將思政教育貫穿于整個課堂教學中，深入發掘課程的思政元素，發揮課程育人的功能，落實教師的育人職責。

在授課過程中，我院教師不斷挖掘課程中的思政點，將其融入課程教學。比如講到齒輪機構，引入中國科學院院士王立鼎的故事，王院士被稱為“精密齒輪王”，于2017年帶領其團隊研制出Ⅰ級精度基準標準齒輪，填補了國內外Ⅰ級精度齒輪制造工藝技術與測量方法的空白。王院士從滿頭華發到雙鬢染霜，始終在精密齒輪領域深耕不輟，且將自己的專業方向始終與祖國的需要同頻共振。通過王院士的故事，啟示大學生年應勇挑重擔、奮發有為，夯實專業基礎，提升綜合素質，做有家國情懷的社會主義建設者和接班人[9]。

通過將思政元素融入到課堂教學，把思想價值引領貫穿教育教學全過程和各環節，達到顯性教育和隱形教育相統一的目標。在學生獲得知識的同時，又樹立了正確的人生觀、價值觀，實現教育的育人作用。

3 教學改革效果

針對我院校學生基礎較差的情況，本教研室進行了一系列適合我校學生的機械原理課程改革方法，且取得良好效果。近兩年學生的學習積極性有了很大的提高，成績明顯提高，不及格率降低，且在山東省機電創新比賽中，取得特等獎2項，一等獎7項，二等獎18項，三等獎6項，且申請專利8項。這一系列成績的取得，都說明本院的機械原理課程改革是有一定的成效。