與海洋特色實踐項目結合的機械原理課程教學模式探索

文章編號：1671-489X（2025）06-0085-05DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.06.085

0 引言

2022年7月，中國工程教育專業認證協會發布《工程教育認證標準》[1，提出學生畢業時應達到工程知識、問題分析、設計／開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理、終身學習等12條要求，其中有10條要求與工程實踐相關。強化工程能力培養是當前高等工程教育教學改革的關鍵。

機械原理是機械設計制造及其自動化專業本科生的主干基礎課，也是輪機工程、船舶與海洋工程、車輛工程等專業的基礎理論課程[2]。機械原理課程具有理論性強、知識面廣、知識點分散的特點[3]學生普遍感覺入門較難[4]。為了解決上述問題，培養符合社會發展需求、具有工程實踐能力的高素質應用型人才，本文以中國海洋大學機械設計制造及其自動化專業為例，從教學內容、教學方法和教學手段、實驗環節與實踐設計項目等方面對機械原理課程教學改革進行探索。

1機械原理課程教學中存在的問題

1.1機械原理概念抽象難以理解

傳統的機械原理課程教學模式是教師講解為主，學生采用聽課、記筆記等方式被動接受知識，然而機械原理課程的理論概念如自由度、虛約束、壓力角等抽象且復雜，傳統的“板書 + PPT”式授課模式無法滿足部分學生理解抽象概念的學習需求[5]。工程教育專業認證要求以學生為中心，通過評價學生學習成果的達成情況來評價專業辦學的有效性。因此，將抽象的理論概念具體化，提升學生的工程能力成為教學改革的目標之一。

1.2 機械原理教材與海洋特色專業課聯系不夠緊密

目前，中國海洋大學機械設計制造及其自動化專業所選的教材為機械工業出版社出版，張策主編的《機械原理與機械設計》。該教材上冊為機械原理部分，包括機構的組成和分析、常用機構及其設計和機器動力學基礎三部分，其中涉及的工程項目多為內燃機、牛頭刨床、Delta并聯機器人等車輛工程或機械工程方向的應用案例，幾乎沒有涉及海洋特色的實踐項目，與中國海洋大學特色專業課如水下機器人技術、海洋工程裝備技術等聯系不夠緊密，學生在后續專業課的學習中體會不到機械原理的實用性。

1.3理論課程與相關專業軟件課程缺乏聯系

傳統的機械原理課程只教授機械原理相關知識，并沒有充分利用現代工程軟件。中國海洋大學機械設計制造及其自動化專業本科生培養方案中，為二年級學生開設了計算機輔助設計（48學時）、計算方法及應用（32學時）等相關專業軟件課程。SolidWorks、MATLAB等工程軟件可以幫助學生設計、分析機械系統，操作軟件的過程能夠幫助學生更好地理解和應用機械原理的知識。然而，傳統的機械原理課程教學并沒有建立與相關專業軟件課程的聯系，導致學生應用所學知識的能力稍弱。

1.4實驗教學內容枯燥，學生學習積極性不高

中國海洋大學機械原理課程共安排68個學時，其中8個學時是實驗教學。實驗教學內容包括縫紉機機構認知和運動簡圖測繪、漸開線齒輪范成實驗、漸開線齒輪參數測量、剛性轉子動平衡等。不可否認，腳踏式縫紉機的機構設計巧妙，但目前本科二年級學生普遍出生于2003年至2005年，許多學生從未見過腳踏式縫紉機，對此類傳統機械缺乏興趣，導致其學習認知機構的積極性不高。因此，選取合適的實驗項目，豐富教學手段，提高學生的學習積極性成為教學改革的目標之一。

2構建以學生為中心的機械原理課程教學模式

2.1機械原理課程體系及其教學內容編排

傳統的機械原理課程教學以內燃機、牛頭刨床為導論，學生由此認識機器和機器的組成。在學生對機器有一定感性認識的基礎上，引入機構的結構分析、運動分析、力分析，之后依次講述常用的連桿、凸輪、齒輪、輪系等機構，最后再介紹機械系統動力學和機械的平衡等內容。這種課程體系將機械原理劃分為三大模塊：機構的組成分析、常用機構及其設計、機器動力學。雖然各模塊的內容劃分明確，但三大模塊之間缺少必要的聯系，學生學習常用機構設計時，對之前所學的機構運動分析和力分析內容有所遺忘。

針對上述情況，以中國海洋大學機械設計制造及其自動化專業為例，對機械原理（68學時）課程體系進行適當調整，增加海洋特色工程裝備如水下機器人、波浪滑翔機、波浪動力船、無人帆船等為導論。海洋特色工程裝備在一年級機械工程概論課程（8學時）中已經進行了介紹，學生對其有所了解，由此引入連桿、齒輪、凸輪等機構。隨后講解連桿機構，通過對連桿機構的結構分析、運動分析和力分析完成機構的組成分析內容講解。在講述凸輪、齒輪等其他常用機構的過程中穿插相關機構的結構分析、運動分析和力分析內容。最后進行機器動力學部分內容的講述。教師在授課過程中穿插學生感興趣的研究話題和工程案例，適當增加課堂學習過程中的提問互動環節，調動學生課堂學習的積極性。

2.2在教學設計中融入實際案例和多媒體網絡資源

機械原理課程中的大部分理論與概念相對抽象，僅靠聽教師講解，學生很難深刻理解。因此，在設計教學內容時，可適當減少抽象的機械結構案例，增加與生活貼近和與工程實際相關的代表性案例。例如，在講解連桿機構時，增加公交車開關門，傘骨架，健身用的坐式推胸器、深蹲機等日常生活中常見的連桿機構，并通過引入三維模型和視頻動畫，實現真正意義上的“用”教材而非“講”教材。此外，利用抖音、快手、嗶哩嘩哩、好看視頻等平臺，搜索“連桿曲線”“差速器原理”等視頻資源，幫助學生更好地理解抽象的理論。

2.3設計具有海洋特色的實踐、實驗教學項目

中國海洋大學是一所具有海洋特色的綜合性大學，機電系教師大多都會從事與海洋相關的科研項目，機械設計制造及其自動化專業學生在初步認識專業時，參觀過機電系教師的科研實驗室，對海洋裝備如波浪船、水下機器人、水下滑翔機、無人帆船等具有一定的認知。本科二年級學生學習了機械制圖、高等數學、理論力學等課程，正在學習計算機輔助設計和計算方法及應用等軟件課程，并且二年級學生具有實踐動手能力強的特點，許多學生組建團隊申請了“本科生研究發展計劃（SRDP）項目”，部分學生團隊SRDP項目經費達到了1.8萬元。面對這樣的學情，將課堂理論教學和中國海洋大學特色項目相融合，讓學生通過實踐項目學習理論知識更具優勢。

在學生進行機械原理課程導論學習時，教師將設計項目任務發給學生，學生自由組隊選擇項目。已經申請SRDP項目的團隊，可根據其SRDP項目需求設計機械機構；沒有申請SRDP項目的學生，可組隊選擇布置的項目任務，如無人帆船調帆機構、水下滑翔機可變機翼機構、波浪船撲翼機構、水下機械手機構等。設計項目下發之初，學生明確項目需求和工作環境特點，然后根據課程內容設計機械機構，并進行運動分析和力分析。同時，改革實驗教學內容，機構認知和機構運動簡圖測繪實驗除了面向傳統的腳踏式縫紉機外，學生還可以選擇對學院科研實驗室已有設備、儀器等進行機構測繪。此外，對課程要求和教學大綱進行全面優化和升級，并改革考核方式，提高綜合成績中實踐項目、實驗教學項目的占比。

2.4加強機械原理課程與軟件類課程之間的聯系

將機械原理和計算機輔助設計軟件與計算分析軟件結合，幫助學生深入理解機械系統的工作原理，并掌握使用軟件進行機械系統設計和模擬分析的方法。如前所述，中國海洋大學為機械設計制造及其自動化專業二年級本科生開設了計算機輔助設計和計算方法及應用等軟件課程，其中計算機輔助設計課程學的是SolidWorks軟件，計算方法及應用課程學的是MATLAB軟件。機械原理課程教師在教學過程中應增加與軟件課程教師的聯系交流，結合機械原理授課內容布置任務，指導學生應用軟件進行建模分析，并與軟件課程教師一同對學生的學習結果進行評價。

在講述平面機構的整體運動分析法時，對學生進行分組，給定各桿件的長度和原動件角速度，要求各組分別應用MATLAB軟件建立曲柄滑塊機構、曲柄搖桿機構、擺動導桿機構的數學模型，并計算分析機構的從動件和執行件的速度和加速度；在講述平面機構的動態靜力分析時，給定各桿件的角度、長度、速度、加速度、重力、轉動慣量和阻力矩，要求學生應用MATLAB軟件建立鉸鏈四桿機構、轉動導桿機構的數學模型，并求解約束反力和平衡力矩；在學生開展實踐設計項目時，可以要求學生應用SolidWorks建立機構的三維模型，并制作動畫進行演示。通過理論學習、軟件建模，將機械原理知識與計算分析軟件、CAD軟件技能結合，學生加深了對機械原理和軟件的理解，為未來解決實際工程問題打下堅實基礎。

2.5 評價方式多元化

為綜合考查學生利用機械原理解決實際問題的能力，改變以往一次考試定終身的考核方法，將結果考核模式改為過程考核模式，將綜合成績分為課堂表現、實踐項目、實驗成績和考試成績四個部分。

2.5.1 課堂表現

課堂表現包括課上隨機提問、隨堂測驗和課后作業的成績。課上隨機提問注重考查學生的知識應用能力，多提與講述內容相關的工程應用案例的問題。例如，講述機構的自鎖與效率時提問與自鎖相關的工程應用如車用剪式手搖千斤頂、自行車快拆坐管夾等問題，講述棘輪機構時提棘輪機構的工程應用如棘輪扳手、貨車捆綁收緊器等問題，引導學生思考，督促學生認真聽課，根據學生的回答情況記錄相應分數。在課程開始時將每節課的重點內容、作業整理好，上課時抽取一部分內容作隨堂測驗，及時檢查學生對重點內容的掌握情況。課后作業上交后教師要及時批改，給出作業分數，根據作業中的問題調整課程內容進行針對性講解。

2.5.2 實踐項目

為保證實踐項目評價結果的客觀性和公正性，采用邀請 2～3 位專家教師打分和學生互評的評價模式。項目答辯日期設置在機械原理課程學期最后的兩個課時，要求以團隊為單位撰寫答辯PPT和項目報告書。答辯PPT內容包括但不限于項目背景、機構設計方案、機構運動分析和機構力分析、任務分配等。專家教師根據答辯PPT和項目報告書對所采取機構的可行性、運動分析和力分析的準確性進行提問，并給出實踐項目成績。結合學生互評結果，選取兩個優秀的項目，使用教學研究項目經費購買配件制作縮尺樣機模型，學生留作紀念。

2.5.3 實驗成績

實驗教學中適當減少驗證性實驗，鼓勵學生在教師指導下互相合作。例如，在機構測繪實驗中鼓勵學生以團隊為單位觀察各科研實驗室的儀器設備，在保證設備和人身安全的前提下，對儀器設備完成機構測繪，重點考查機構測繪的基本手段和方法。同時，適當增加創新設計性實驗，培養學生的創新能力和科研探索能力。例如，在機構創新實驗中，學生基于提供的桿件、凸輪、齒輪、運動副等進行機構的創新搭建，實驗需要安全可控，搭建的機構能實現特定功能。學生需要計算自由度，判斷機構是否有確定的運動，并思考其他可實現同一功能的機構。通過進行機構的復雜度、摩擦力、壓力角等性能評估，培養學生的創新精神和批判精神。

2.5.4考試成績

考試形式為閉卷考試，考試的內容適當減少記憶型題目，增加發散型的題目，重點考核學生綜合運用機械原理解決實際問題的能力。如設計一個簡易的水泵系統，利用機械原理將手動操作轉換為水的抽送，描述其結構和工作原理。該題目將機構實現運動形式的轉換與工程應用聯系在一起，考查學生運用機械原理解決實際問題的能力。

3機械原理課程改革效果

3.1提高了學生的學習積極性與主動性

通過觀看教師在課件PPT中插入的機構三維動畫和運動視頻，學生對機構運動有了直觀認識，激發了好奇心和求知欲，積極主動參與教學活動，課堂氛圍更加活躍。例如，在講解平面連桿機構軌跡綜合時，學生會積極參與并提出再次播放連桿曲線視頻以加深理解；在播放完差速器原理視頻后，學生會自覺點頭表示對差速器有了直觀理解。這種反饋表明學生對所學內容產生了認同和興趣。同時，將機械原理與實際生活案例聯系起來，幫助學生認識所學知識的實用性和應用場景，可以激發學生的學習積極性。例如，講解偏心夾具的自鎖原理后，引導學生聯系學校內共享單車的座椅調節器，這種聯系使得抽象的理論變得具體而有意義；講解槽面摩擦力大于平面摩擦力后，引導學生聯系農用車的三角皮帶，讓學生深刻體會機械原理在實際生活中的廣泛應用。這種啟發式教學方法不僅提高了學生的學習興趣，還激發了他們的學習主動性，增強了課堂教學效果。

3.2提高了學生的專業軟件應用能力

在機械原理課程教學過程中，授課教師結合自身的科研經歷，將課程內容與專業軟件的應用聯系起來，為學生提供更為全面的學習體驗。學生不僅學習了理論知識，還通過專業軟件的應用將這些知識加以實踐和運用。例如，學生利用CAD軟件進行機械零件的設計和運用MATLAB進行運動學分析時，可使用ADAMS軟件進行動力學分析和模擬。將專業軟件與課程內容結合，不僅可以幫助學生更好地理解機械原理課程內容，還可以提高學生運用所學知識解決實際工程問題的能力，提升他們的專業素養。

3.3提高了學生的實踐動手能力與創新能力

學生參與具有海洋特色的實踐項目，通過需求調查、信息收集、文獻查閱、獨立思考、團隊合作、小組討論等開展實踐項目，運用機械原理知識滿足項目需求，培養實踐動手能力和創新能力。例如，在水下撲翼推進器（見圖1）項目中，各團隊分別采用連桿機構、齒輪機構等，提出不同的撲翼方案，并進行相關理論計算和三維制作。經過項目評價后選取可行性較高的項目制作縮尺模型，方案中部分內容被實驗室教師采納，并進行實驗探究。這一過程不僅加深了學生對機械原理的理解，還提升了他們的創新意識和實踐動手能力，學生的團隊合作能力也得到了培養和加強。教師對實踐項目結果的認可肯定了學生成果的價值和實用性，反過來再次激發學生投入實踐項目的積極性。通過逐步的實踐過程，學生更深入地理解了各種機械機構的運作原理，同時也加深了對不同機構特性的了解。

3.4提高了學生的自主思考能力和持續學習能力

教師在課堂上啟發學生將機械原理知識與日常生活實例建立聯系，學生在后續SRDP項目中面對機械相關問題時，會主動思考并復習所學知識尋找解決方案。例如，2022級卜同學參與了“基于并聯機械手的水下作業機器人”項目，他運用學到的連桿知識，設計了曲柄滑塊機構，并分析了壓力角和可行域，成功實現了機械手的抓夾。2022級吳同學參與了“波士頓龍蝦機器人”項目，他建立了仿生龍蝦尾部的機構運動簡圖，并對其運動自由度進行了計算分析，通過應用齒輪機構和連桿機構的組合，實現了仿生蝦腳的推進運動。此外，學生在開展SRDP項目中遇到難以解決的機械相關問題時，會主動聯系任課教師進行討論，這體現了他們對知