“新工科”建設背景下“機械原理”課程的教學模式改革研究

程 誠，吳洪狀，楊 聰

（蘇州大學未來科學與工程學院，江蘇 蘇州215222）

0 引言

“新工科”建設是適應時代需求，推動工程教育創新的一項重要戰略舉措。2023 年2 月，教育部等五部門聯合印發“普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案”，提出“推動高校積極主動適應經濟社會發展需要，深化學科專業供給側改革，全面提高人才自主培養質量，建設高質量高等教育體系”的改革指導意見。“機械原理”“機械設計”“控制工程基礎”等傳統工科課程是培養工科學生的理論和技術基礎的重要課程，然而教材內容注重經典理論和方法的介紹，忽視了實際應用和跨學科的綜合性訓練。因此，照本宣科的培養模式不能滿足新時代對工科人才的要求。為了培養學生的創新思維、跨學科思維、實踐能力和綜合素質，在信息和科學技術的快速發展背景下，傳統工科課程的教學也需要不斷進行改革和創新[1,2]。

為了滿足“新工科”背景下多樣化、實踐型人才的培養訴求，“機械原理”等傳統工科課程教學改革勢在必行。近年來，許多學者對“機械原理”課程改革進行了研究。王大剛等[3]通過架構產-學-研融合的教學內容體系、課程混合式教學方法以及基于產出導向的課程考核評價體系，對“機械原理”課程進行教學改革研究，取得較好效果。王君鈴等[4]研究新冠感染疫情反復背景下的“機械原理”課程在線教學，發現“直播+在線資源”具有較好的教學效果。仝洪月等[5]提出將學科競賽引入“機械原理”課堂、借助多媒體實驗室及虛擬仿真平臺、采用線上線下混合模式進行教學，探索出一條適合民辦學校的教學模式。這些改革都取得了一些成效，但對現代工業發展現狀的結合不夠緊密，另外，思政內容還需進一步融入。

本文分析傳統工科課程的教學現狀，開展“機械原理”課程教學改革研究，旨在解決教學目標、教學內容、教學手段等關鍵問題。通過結合機械智能化發展現狀和先進實驗手段，引入先進案例教學和基于現代設計方法的開放性實驗，將“機械原理”課程教學內容與現代工業發展接軌，讓學生在充分了解“機械原理”課程的重要性的基礎上，將理論知識與工程實際緊密結合，提高學生的創新與實踐能力；并通過設計典型案例，將思政教育融入“機械原理”教學中，讓學生在學習工科課程的同時，潛移默化地提升學生綜合素質，使其更好地滿足“新工科”交叉背景下企業和社會對工業人才的要求。

1 傳統工科課程的教學現狀

“新工科”建設背景下，傳統工科課程教學面臨著許多問題和挑戰?！皺C械設計”“機械原理”“控制工程基礎”等傳統工科課程是機械工程類本科學生的必修課程，相關基礎知識與理論的學習，對工程實踐具有重要意義。但是，隨著科技和社會的快速發展，工程領域的需求和挑戰也在不斷演變。目前高校使用的教材和傳統教學模式往往過于注重理論知識的傳授，這雖然提高了學生的理論水平和學習能力，但是在現實工程實踐中，學生還需要掌握創新思維、跨學科合作、實際問題解決等能力。

“機械原理”作為機械類專業的專業核心課程，是研究機械共性問題的一門主干技術基礎課程，它通過探討機構學和機械動力學原理，為學生理解和分析機械系統運動、進行機構設計奠定了基礎[6]。該課程以“理論力學”知識為理論基礎，涉及了力學、數學等多學科的交叉知識，將“理論力學”用于機構和機器分析設計中，但并不是理論力學知識的簡單重復和堆砌，而需要結合空間想象、實際問題特點等進行問題分析與處理，具有較高的難度和很強的工程實踐性，采取傳統教學模式，學生難以理解和掌握。而且，由于工科課程的專業性較高，對思想政治內容的結合往往不夠深入，需要進一步提升“立德樹人”的教學效果。具體存在的問題如下。

1.1 課程難度大，抽象概念難以理解

“機械原理”課程教學內容多、涵蓋面廣、工程性應用性強，涉及多個學科的交叉知識，如力學、數學、物理等，要求將不同學科相關基礎進行整合，并形成完整的知識體系，課程難度大；包括很多抽象的知識，如機構運動簡圖繪制、圖解法、機構反轉法等，對空間想象能力要求高，僅通過傳統多媒體教學和視頻演示，學生難以理解和掌握。

1.2 教學方案與智能制造發展現狀不匹配

“機械原理”是一門經典課程，關注機構結構與運動規律，注重采用圖解法等傳統方法進行機構分析與機構設計，然而工業應用中已采用各種先進設計方法，如利用Matlab 編程求解動點坐標或矢量方程、采用ADAMS 軟件進行參數化設計與動力學分析等，教學方案與智能制造發展現狀不匹配。

1.3 思政建設不足，立德樹人效果欠佳

“機械原理”課程作為一門工科專業課程，思政教育尚處于探索和初步實踐階段，思政教育與專業教育多呈“兩張皮”現象，缺乏示范性思政課程案例；教師對思政內涵、價值、意義的認知不夠深刻，在思政元素挖掘、意識形態與課程內容融合等方面存在不足。

2 “機械原理”課程的教學模式改革

針對工科課程“機械原理”在教學過程中存在的問題，結合“工業4.0”下工廠生產模式，提出基于機械智能化現狀和先進實驗教學模式改革方案，通過案例引入、開放性實驗和創新創業項目，旨在解決教學目標、教學內容、教學手段等關鍵問題，提高學生的創新與實踐能力。具體方案如下。

2.1 強化跨學科融合，培養跨學科思維

在“機械原理”課程教學過程應該注重與其他學科的融合，培養學生跨學科思維能力。與電子工程、計算機科學等學科進行跨學科融合，探究智能機器人、人工智能、物聯網等領域的“機械原理”應用，讓學生從多個學科的角度思考問題，培養其跨學科思維能力。

案例1：智能機器人運動控制。在設計智能機器人時，機械原理的運動學和動力學知識至關重要。例如，當設計一個能夠在不同環境中自主導航的無人機時，機械原理可以幫助工程師分析飛行器的動態特性，如姿態穩定性和操縱性能，以確保安全穩定的飛行控制。

案例2：人工智能輔助設計。在機械設計中，結合人工智能可以加速創新和優化。通過將機械原理與機器學習相結合，可以開發出自動化設計工具，用于優化零部件的形狀、尺寸和材料，以實現更好的性能和效率。

2.2 注重創新創業教育，培養創新意識與實踐能力

在“機械原理”課程教學過程應該增加創新創業教育的內容，培養具有創新和創業能力的人才。教授如何將“機械原理”應用于創新創業項目中，引入工程與創新創業項目案例介紹，使學生了解“機械原理”在實際應用中的運作機制和解決問題的方法，提高創新意識和實踐能力。

案例1：可持續能源裝置。如微型風力發電機或太陽能跟蹤器，需要在不同環境條件下實現高效的能量轉換。機械原理的應用可幫助優化這些裝置的結構和運動機制，以確保在風、光等變化的條件下，能夠最大程度地捕獲和轉化能源。

案例2：智能家居設備。如自動窗簾、智能門鎖等，需要能夠實現精確的運動和位置控制。機械原理的知識可幫助設計師解決設備的動力傳輸、位置控制和安全性問題，從而提高用戶體驗并降低設備故障風險。

2.3 強化實踐教學，提升實際應用能力

在“機械原理”課程中，應該強化實踐教學，注重將理論知識與實際應用相結合。通過在課程中增加開放式實驗、課程設計等形式，結合“機械原理”理論知識與三維虛擬樣機技術、3D 打印等現代設計方法，以跨學科應用及創新創業項目實例為參考，讓學生自主探索“機械原理”的實際應用，進一步提升實際應用能力。

三維虛擬樣機技術允許學生在虛擬環境模擬機械系統的運動和行為，實時觀察和分析其運動學和動力學特性。例如：（1）虛擬力學實驗。學生可以在虛擬環境中搭建機械系統，如杠桿、滑塊、齒輪等，然后通過操控參數和施加力來觀察系統運動。幫助學生直觀地理解不同力的作用、力的平衡條件以及力矩的作用。（2）運動仿真實驗。學生可以使用三維虛擬樣機技術模擬機械系統的運動，比如擺錘的擺動、車輛的轉彎等。通過調整初始條件和參數，觀察系統如何隨時間變化，并分析速度、加速度等動力學特性。

3D 打印技術在機械工程中具有廣泛的應用，尤其是在原型制造、定制化設計和快速制造等方面。將3D 打印技術應用于“機械原理”的開放性實驗可以為學生提供實際的機械系統制造和觀察體驗。例如：（1）零件制造與裝配實驗。學生可以使用3D 打印技術制造各種機械零件，如齒輪、連接件、桿件等。然后，可以在實驗中將這些零件進行裝配，以模擬不同機械系統的構建和運動。通過親自參與制造和裝配過程，學生能夠更好地理解零件之間的關系，以及力、力矩和運動如何影響系統的行為。（2）動力傳遞系統實驗。學生可以設計和打印一個簡化的機械傳動系統，如帶有齒輪的機構。通過觀察這個系統的實際運動，驗證機械原理中的動力學概念，如速度比、轉矩傳遞和齒輪的相互作用。

2.4 結合思政教育，深化立德樹人效果

在“機械原理”課程中，應該將思政教育融入知識學習中，潛移默化地將國家和社會對學生的要求轉化為學生的價值選擇和行動自覺。設計典型案例，拓展思政元素的素材與資源，培養學生職業素養，結合機械行業現狀與發展形勢，激發學生科技報國、民族復興。

（1）平面連桿機構思政案例。通過選擇平面連桿機構的連桿上的不同點，可以得到不同的連桿曲線，以滿足不同的設計要求。據此，啟發學生思考“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”，在多面性的復雜世界中，存在一個不變的內核，連桿還是那個連桿，“廬山”還是那個“廬山”，唯一變化的是選擇的點或視角而已。因此，要立足于不變的內核，看到事物的多面性，同樣地，在遇到困難時，要從多個角度思考需求有效的解決方案。

（2）齒輪機構設計思政案例。中國是世界上機械發展最早的國家之一，例如中國古代發明的“指南車”通過齒輪傳動機構控制轉向，“記里鼓車”利用齒輪傳動機構報告行程里數。據此，引導學生的民族自豪意識與愛國情感，激發學生向榜樣看齊、愛國奉獻的情懷。

3 結語

在“新工科”建設背景下，“機械原理”教學內容與課程改革探索，對相關工科專業的傳統工科課程改革都具有一定的參考價值，主要：（1）以“新工科”為背景與目標，通過加入智能機器人、人工智能、物聯網等領域的“機械原理”應用，引入工程及創新創業項目實例介紹，增加先進案例講解、基于現代設計方法的開放式實驗與課程設計，保證學習內容與學習智能制造發展現狀接軌，培養其跨學科思維與創新實踐能力。（2）強調立德樹人與工科課程的有機深度融合，通過設計典型案例，擴展思政元素的素材與資源，潛移默化地將國家和社會對學生的要求轉化為學生的價值選擇和行動自覺，實現“潤物無聲”的課程思政目的。

課堂實踐表明，課程教學改革對教學起到了促進作用，好評率達到98.2%，學生上課積極性和教學效果顯著提高。生動有趣的案例介紹激發學生興趣，也使學生對“機械原理”課程的價值和機械行業工作有了更深入的理解；將創新創業項目和開放性實驗引入課程教學中，提高學生的創新和實踐能力，培養學生參加科研競賽、創新創業項目，為學生開展科學研究和自主創業奠定了基礎；把思政內容融入知識講授中，培養學生愛國情懷和綜合素養，以滿足“新工科”建設背景下的多樣化、實踐型人才培養需求。