面向卓越工程師計劃的機械原理教學方法改革與實踐

田桂中 周宏根 李濱城 李純金 王淑妍

[摘 要]面向機械設計制造及其自動化專業卓越工程師教育培養計劃，進行了課程體系梳理和教學方法改革與實踐。構建了課程間協調銜接、章節間有機聯系的教學內容體系，實踐了基于慧魚組合模型的機械系統概念強化、基于網絡教學資源的學生自主學習、基于計算機和編程技術的項目式課外大作業等教學模式，總結了教學改革與實踐的注意事項。實踐證明，教學改革方法激發了學生學習興趣和主動性，可有效培養學生專業知識、創新能力、工程意識、科研素養。

[關鍵詞]機械原理 卓越工程師計劃 教學內容與課程體系 CDIO 教學方法改革

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）01-0132-03

機械原理是機械類和近機類專業十分重要的主干技術基礎課程，是理論課程向工程實踐課程轉換的過渡性環節，具有增強學生對機械技術工作的適應能力和開發創造能力的作用，在機械類高級工程技術人才培養的基礎系列課程中是不可替代的。[1]但是，傳統機械原理教學存在目標單一、內容陳舊、方法死板、考核簡單片面等不足，與理論力學、機械設計等相關課程間存在教學內容重復或脫節、整體協調性不足等問題[2] [3]，導致教師講課費力，學生聽課乏力，教與學的效果不理想，甚至造成對立的師生關系。

學校針對機械設計制造及其自動化專業國家級“卓越工程師教育培養計劃”項目的實施需要，進行了基于項目的CDIO教學模式、基于網絡資源和創意興趣的自主學習模式等教學方法改革探索與實踐。本文從機械原理的課程體系、教學方法等角度進行全面介紹。

一、面向卓越工程師教育培養計劃的教學內容體系構建

處理好機械原理與理論力學、機械設計等專業基礎課間分工和銜接，不同于機械制圖與建模、剛體運動與力分析、零部件強度計算與校核、材料成型與加工等專一知識和能力的培養[4]，機械原理以培養學生面向機械系統的機構設計與分析能力為主，在機構學、機器動力學和常用機構等基本知識學習基礎上，更加注重機械系統的設計和綜合創新能力培養。[5]處理好機械原理課程內部各章節間內在關系，機械原理教學內容可劃分為機械系統、基本原理和常用機構三大模塊，構建各教學模塊間有機聯系，課程體系與教學模塊關系如圖1所示。

機械系統模塊是培養學生系統觀念的重要途徑，利用完整的機械系統實例把課程知識點串聯，貫穿緒論、機器人機構及其設計、機械系統方案設計等章節的教學全過程，形成閉環。

基本原理模塊包括結構分析、運動分析、力分析、效率與自鎖、機械平衡、機械運轉速度波動調節等章節，重點講授：1.機構結構分析中機構組成、自由度計算、組成原理和型綜合等知識點;2.機構運動分析中解析法;3.平面機構力分析中運動副總反力和機構受力分析;4.機械自鎖和速度波動調節。而與理論力學等前期基礎課聯系緊密的運動分析圖解法采用實例化教學，在學生自學、練習、討論基礎上，點明速度影像和加速度影像等知識點;實踐性較強的機構運動簡圖、機械平衡以實驗教學為主線。

常用機構模塊包括連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、齒輪系和其他常用機構等章節，重點講授：1.連桿機構中平面四桿機構設計的圖解法和解析法;2.凸輪機構中輪廓曲線設計解析法;3.齒輪機構中漸開線直齒圓柱齒輪嚙合定律、嚙合傳動、變位齒輪和斜齒圓柱齒輪;4.齒輪系的傳動比和效率計算。而常見多桿機構、凸輪基本尺寸確定、漸開線特性、其他常用機構等知識點以自學、調研等自主學習方式為主。

二、基于認知規律的“以生為本”教學方法改革與實踐

國內眾多高校長期開展機械原理精品課程建設，使教學理論、課程體系、教學內容、教學方法與手段等研究工作不斷深入，在教材、電子教案、電子教具、教輔參考資料、教學視頻和網絡平臺等教學資源建設方面進展顯著，為機械原理課程教學方法改革奠定基礎。

（一）基于慧魚組合模型的機械系統概念強化與貫穿

課程學習前，利用工程訓練中心慧魚創意組合模型，讓學生按照已有拼裝路線親手搭建典型的機械系統模型，如各種類型機器人，使課程教學從“積木游戲”場景中開始，逐步了解機械原理所學的連桿、凸輪、齒輪及齒輪系等機構;課程教學結束前，要求學生根據學習內容，自主搭建一個新型的綜合型機械系統。學生能夠全程深度參與課程教學，實現寓教于樂，激發學生學習興趣和熱情。

以學生自主搭建典型機械系統模型為課程學習對象，貫穿機構結構分析、運動分析和連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、齒輪系等教學全過程。引導學生發現并解決其隱藏的科學問題，包括概念理解、問題分析、問題求解等主要的學習環節，教師承擔定義闡述、提出問題、思路引導、方法總結和疑難解答等輔助性工作，激發學生主觀能動性，真正實現學生自主學習、教師輔助指導的教學模式。

（二）基于網絡教學資源的自主學習模式實踐

隨著互聯網技術的發展，大學校園內學生上網便捷快速，機械原理課程的網絡教學資源十分豐富，如國家精品課程資源網[6]、江蘇科技大學課程建設與輔助教學平臺[7]、第一視頻教程網[8]等，為機械原理課程的自主學習模式探索奠定基礎。同時，在學校課程建設與輔助教學平臺上開設相應的同步網絡教學班級，實現課上課下同步進行。隨著基于網絡教學資源的自主學習模式推廣，學生對機械原理課程的學習主動性和積極性逐步得到加強。

由于網絡資源自主學習的時間、地點具有很大程度的自由，且學生對自主學習的效率存在差異，教師需做好前期引導和后期考核工作：每次課結束前，應明確下次課教學內容和對應的網絡資源材料;每次課開始時，需通過提問、課堂練習等方法檢查學生課后自主學習效果，對共同存在的疑難問題要及時解釋，強化理解。基于網絡教學資源的自主學習模式，不但調動了學生的主動性和積極性，而且自主學習環節實際上是一次學習階段，課堂提問與檢測環節則是二次學習階段，課后作業、答疑等環節則是三次學習階段，三者具有一定的時間差，對課程知識點的理論和吸收具有良好效果，尤其是課程教學。

（三）基于計算機和編程技術的項目式教學模式改革

項目式教學分為科技論文寫作與課外大作業兩類。在機械原理學科發展方向調研和文獻查閱基礎上，每位學生選擇一個自己感興趣的方向，如機械發展史、醫療機器人、生物機械、仿生機構、微小機械等，嚴格按照國家科技論文寫作要求和規范撰寫報告，包含題目、中英文摘要、中英文關鍵詞、引言、正文、結論和參考文獻等部分。

課外大作業是項目式教學的重點，引入計算機技術和Matlab軟件進行機械原理課程課外大作業的解析法分析。課外大作業包括運動分析、力分析、連桿機構設計、凸輪輪廓曲線設計、齒輪輪廓曲線設計和速度波動調節這六種類型，要求全體學生自行分成3-4人一組，從六類大作業題目中分別選擇三項，共同完成分析建模、編程求解、報告撰寫、演示答辯等環節，各團隊成員必須有明確的分工與協作，禁止以逸待勞現象。完成后要求提交大作業實踐報告、Matlab程序源文件及分析建模的關鍵草稿紙等材料，實踐報告應達到內容完整全面、字跡圖標工整清晰、格式符合國家科技論文規范等要求，Matlab程序源文件應達到運行流暢、注釋合理充分、格式整齊美觀等要求。

項目式教學實施過程中，以學生為主體，教師起引導答疑作用，實現科研基本思路和規范的訓練，培養學生運用計算機和編程技術進行學習、研究的能力，為學生后繼其他課程的學習、課程設計、畢業設計以至畢業后科研創新打下良好的基礎，培養學生進行科學研究或工程設計的良好習慣。

三、課程綜合改革實踐效果與注意事項

通過機械原理課程教學改革與實踐，在掌握課程基本理論、基本知識和基本技能基礎上，學生的機構設計、綜合、創新等專業能力和系統性工程意識、基本的科研素養得到顯著提高，在后續的專業課程、第二課堂（如課外科技制作、機械創新設計大賽等）、畢業設計等學習環節中充分發揮作用，尤其是第二課堂，機械類專業學生興趣濃厚，積極主動，上手快，創意多，動手實踐能力強。

由于機械原理課程教學改革涉及內容體系、課堂教學、課內實驗、課外大作業和期末考試以及相應的考核方法，存在面廣、點多、工作量大等問題。為保證課程教學與考核方法綜合改革實踐的效果，應注意以下幾個事項：

（一）學生的興趣與投入。課程學時不斷壓縮，課堂教學時間越來越短，但教學內容與要求反而提高，而課余活動（尤其是網絡普及帶來的網絡活動）不斷豐富，導致學習時間減少。針對現狀，必須全面激發學生的學習興趣，自主投入一定的課外時間用于課外學習，包括項目驅動式課外大作業、課外科技創新與制作等內容。

（二）教師的鉆研與投入。目前高校普遍存在“重科研、輕教學”的問題，使職稱評審、考核獎勵等活動的科研成果要求不斷提高，導致教師對教學的專研精神和精力投入不足，需從學校制度上做適當引導，如我校職稱評審中的教學綠色通道和重金獎勵的教學模范獎，將教學成績、學生評價作為考核指標。

（三）課外學習資源的建設與應用。課外學習的硬件資源包括場地（如開放教室、實驗室、機房等）和慧魚組合模型、常用工具、常規機床等設備設施;軟件資源包括課外大作業的項目和本科生創新計劃、機械設計創新大賽等活動。

四、結束語

為從知識、能力和素質三個層次上提高機械原理課程教學質量，進行了課程體系梳理、教學方法改革與實踐，構建有機統一的課程教學模塊，實踐基于慧魚組合模型、網絡教學資源、計算機和編程技術的新型教學方法，有效提高了學生知識水平、專業能力、工程意識和科研素養。

[ 注 釋 ]

[1] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2] 于曉紅，王小群，邱麗芳.機械原理與機械設計課程體系的優化整合[J].中國大學教學，2008（7）：34-36.

[3] 趙京，賴德華，門淑貴.以認知學習理論指導機械原理和機械設計課程的教學改革[J].大學教育科學，2004（2）：50-52.

[4] 陳文華，陳秀寧.“機械原理”課程改革的實踐與探索[J].機械工業高教研究，2001（1）：71-74.

[5] 于曉紅，韓建友，邱麗芳，等.深化機械原理課程教學改革[J].中國大學教學，2005（4）：25-26.

[6] http：//video.jingpinke.com / details？uuid=8a833996-18ac928d-0118-ac9291e8-0636 / 2014-02-20.

[7] http：//ecsi.js.nclass.org / sc8 / 2014-02-20.

[8] http：//video.1kejian.com / university / ligong / 24220 / 2014-02-20.

[責任編輯：鐘 嵐]