培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的機械原理課程教學模式改革

張婧　趙堅　張玲莉　汪文津

摘 要 機械原理是機械類各專業(yè)的主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，為了適應新時期機械工程學科的發(fā)展和人才培養(yǎng)的需要，我們對該課程進行了教學改革的研究與探索。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標和特點，從課程教學內(nèi)容、教學方法和網(wǎng)絡化教學環(huán)境構(gòu)建等幾個方面進行了研究與實踐，并取得了初步成效。

關(guān)鍵詞 機械原理 教學內(nèi)容 教學方法 網(wǎng)絡化 教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.04.061

Abstract The theory of Machines and Mechanisms is a major technical basic course in various mechanical specialties. The teaching reform is discussed to meet the need of mechanical engineering in the new period of development and personnel training. According to the specialty training aims and characters， the teaching contents， teaching methods and network teaching environment construction and so on several aspects have been investigated and practiced. Preliminary achievements are acquired.

Key words the theory of Machines and Mechanisms； teaching contents； teaching methods； networking； teaching reform

創(chuàng)新型人才就是具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力并能夠取得創(chuàng)新成果的人才。①高等教育肩負著培養(yǎng)高素質(zhì)工程技術(shù)人才和創(chuàng)新型人才的重要使命。因此，高等院校機械專業(yè)的教學過程要面向國家現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展需求， 重視基本知識和創(chuàng)造性工程實踐能力的培養(yǎng)， 才能培養(yǎng)出適應當前發(fā)展需要、具有創(chuàng)新能力的高級應用型人才。②③④

機械原理作為機械專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的主要課程之一，在培養(yǎng)學生的機械設(shè)計能力和創(chuàng)新能力方面占有十分重要的地位。機械原理課程為學生從事機械方面的設(shè)計、制造、研究和開發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)， 在培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維以及訓練機械工程實踐能力等方面具有重要的作用。⑤由于它具有較強的理論性、實踐性和應用性，傳統(tǒng)的教學模式注重課堂講授和理論推導，缺乏對學生興趣、創(chuàng)新思維、工程應用思維的培養(yǎng)。為此，我校機械原理課程從凝練教學內(nèi)容、調(diào)整教學方法、建立自主學習網(wǎng)絡教學模式等幾方面進行了教學改革的探索與實踐。

1 提高教學內(nèi)容的實用性、系統(tǒng)性

機械原理課程的教學內(nèi)容多，而學時數(shù)卻比以前有所減少，這就要求教師必須從實用性出發(fā)，根據(jù)“能力導向”原則精選教學內(nèi)容、優(yōu)化學生知識結(jié)構(gòu)。一方面重點講解基本理論、基本知識、分析和設(shè)計方法，使學生達到靈活掌握的要求；另一方面增加學科前沿中重要的、比較成熟的新成果，使學生對學科發(fā)展前沿有所了解，從而激發(fā)學生的學習興趣。以國家級“十三五”規(guī)劃教材為基礎(chǔ)，介紹同一典型機電產(chǎn)品的概念設(shè)計、運動學分析、動力學分析，介紹驅(qū)動子系統(tǒng)的參數(shù)選取和機械零件的工作原理、特點、選用及其設(shè)計計算方法等。培養(yǎng)學生初步確定機械運動方案、分析和綜合常用機構(gòu)的能力，使學生樹立正確的設(shè)計思想，學會運用手冊、標準、規(guī)范等資料。

機械類課程目前已形成設(shè)計、制造兩大課程體系，以及由認知性實驗、金工實習、生產(chǎn)實習、課程實驗、課程設(shè)計等構(gòu)成的實踐教學環(huán)節(jié)。但是各門課程多側(cè)重于自身的完整性，缺乏將知識與技能有機連接的載體和機制，學生學到的知識與技能是孤立和分散的，限制了機械類創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。因此，我們結(jié)合學校特色和科研項目研究背景，選擇了一個典型機電產(chǎn)品為案例，從機械原理課程開始，貫穿相關(guān)課程的課堂教學和課程實驗。并且作為大學四年級綜合實驗的一項內(nèi)容，學生以小組為單位完成用于特定工作的創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計、分析、制造等工作，完整體驗產(chǎn)品的設(shè)計與制造全過程，提高了各教學環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)度，提高了學生的實際動手能力、分析和解決工程問題的能力、合作學習和協(xié)同工作的能力。

2 實現(xiàn)教學方法的多樣性

由于機械原理課程具有較強的理論性、綜合性和實踐性等特點，因此在教學過程中，應該盡量采用靈活多樣的教學手段和教學方法來激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的學習主動性，提高課堂效率和教學質(zhì)量。許多學生由于前期理論力學基礎(chǔ)不扎實，從而影響了機械原理課程學習的積極性和學習效果。為此，可以從已學過的知識入手，將課堂講授與學生科技活動相結(jié)合。

2.1 設(shè)立大作業(yè)激發(fā)學生學習興趣

首先，設(shè)立機構(gòu)認知大作業(yè)，利用先前學過的知識和手段，從簡單問題入手，目的在于激發(fā)學生的學習興趣。學生可以通過觀察，選擇實際生活或生產(chǎn)中用到的機構(gòu)，也可以選擇科技場館中展示的機構(gòu)，對其進行結(jié)構(gòu)分析，利用繪圖軟件繪制機構(gòu)的運動示意圖，說明其工作原理，計算機構(gòu)的自由度。例如：起重機變幅機構(gòu)模型如圖1所示。起重機變幅機構(gòu)利用了雙搖桿機構(gòu)使重物繞回轉(zhuǎn)軸線作徑向水平移動，可以提高起重機的生產(chǎn)率，擴大工作范圍，改善工作機動性。其機構(gòu)運動示意圖如圖2所示，起重機變幅機構(gòu)是通過原動件搖桿AB運動來改變幅度，進而調(diào)整取物裝置的工作位置，以適應裝卸路線的需要。該機構(gòu)為平面機構(gòu)，其中活動構(gòu)件數(shù)為3，低副個數(shù)為4，高副個數(shù)為0，根據(jù)平面機構(gòu)自由度的計算公式可以得到其自由度為1。

在理論課程教學后期，設(shè)立機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計大作業(yè)，選題要符合工業(yè)發(fā)展方向和市場需要，一般選用全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的題目，要求學生5人一組，綜合利用所學的知識、方法和工具完成創(chuàng)新設(shè)計，但是不能為了創(chuàng)新而將機構(gòu)復雜化，同時還要關(guān)注設(shè)計的可行性和經(jīng)濟性。最終，提交設(shè)計說明書1份，說明設(shè)計意圖、工作原理及機構(gòu)組成等，并利用三維繪圖軟件完成實體建模。大作業(yè)經(jīng)教師評閱后，利用課堂時間進行講解和學生互評。例如：圖3為學生設(shè)計的手搖式削面機的機構(gòu)運動簡圖，圖4為其三維模型圖。手搖式削面機運用了齒輪機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)和帶傳動。由曲柄滑塊機構(gòu)控制刀片往復運動，使用齒輪齒條機構(gòu)向上擠壓面團，從而實現(xiàn)削面過程。整個過程采用手柄驅(qū)動，通過齒輪傳動和帶傳動實現(xiàn)運動的傳遞。

設(shè)立大作業(yè)可以使學生在學習的過程中不局限于書本上的知識，能較好地解決學以致用、好學善用的問題，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和合作精神。

2.2 與學生科技活動形成良性循環(huán)

在機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計大作業(yè)中，由教師精心篩選，經(jīng)過個別指導，使用現(xiàn)代化的設(shè)計方法完善設(shè)計作品，繪制成套零件圖和裝配圖，并結(jié)合后續(xù)相關(guān)課程知識，完成實體加工制作。設(shè)計的作品可以參加省、市乃至全國性的各類競賽，如全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯比賽、機器人大賽和大學生科研立項等大學生科技活動。

在學生的科技活動中，將會暴露出學生對于所學基礎(chǔ)知識及其應用方面的很多問題，可以將這些問題進行總結(jié)，并引入到課堂教學之中，使理論教學更加生動、印象深刻，進而為日后的學生科技活動打下良好的基礎(chǔ)。因此，理論教學和學生科技活動之間互相促進，形成了良性循環(huán)。例如：新型擦鞋機是我校參加第四屆天津市大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的參賽作品，圖5為Solidworks繪制的新型擦鞋機三維實體圖，圖6為加工得到的實物樣機。

以大學生科技活動為平臺，使學生運用所學知識進行了全面的、整體的、深刻的訓練，可以增強學生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力。機械原理課程教學為大學生科技活動奠定了良好的理論基礎(chǔ)；大學生科技活動又使機械原理課程教學得到了延伸。

3 建立自主學習網(wǎng)絡教學模式

隨著計算機技術(shù)的不斷進步，網(wǎng)絡資源的廣泛應用，使得課程教學網(wǎng)站的建立更加便捷，學生可以充分利用校園網(wǎng)進行自我提高。機械原理課程的教學網(wǎng)站可以將電子課件、教案、課程素材、學習重點與難點、典型例題、自測題庫、課程實驗和課程設(shè)計指導書等大量學習資料放在網(wǎng)站上，可以滿足學生復習、考研、擴大知識面等各種學習需要。在日趨完善的校園寬帶網(wǎng)絡平臺的基礎(chǔ)上，結(jié)合Web的開放式技術(shù)和協(xié)同設(shè)計技術(shù)，構(gòu)建機械原理交互式網(wǎng)絡教學平臺，實現(xiàn)網(wǎng)上答疑、在線討論、創(chuàng)新園地等專欄，為學生創(chuàng)造了良好的網(wǎng)絡學習環(huán)境。

4 結(jié)束語

通過對機械原理課程的教學改革與實踐探索，我們根據(jù)“能力導向”原則凝練了教學內(nèi)容，提高了各教學環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)度，采用了靈活多樣的教學方法，建立了適合我校特點、可持續(xù)發(fā)展的學生課外科技活動機制，將課堂教學與網(wǎng)絡自學緊密結(jié)合在一起，教學效果得到了明顯的提高。

在機械原理課程教學內(nèi)容和教學方法的改革過程中，培養(yǎng)了學生興趣驅(qū)動、主動實踐和銳意創(chuàng)新等意識，全面提高了學生的工程實踐能力和綜合素質(zhì)，為我國制造業(yè)的振興和可持續(xù)發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人才提供了新思路。

基金項目：天津市普通高校本科教學質(zhì)量與教學改革研究計劃項目（D01-0802）；天津城建大學教學改革項目（JG-1423）

注釋

① 鐘秉林.國際視野中的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].中國高等教育，2007（3）：37-40.

② 嚴新平，謝峻林，李志峰.應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的構(gòu)思[J].理工高教研究，2009.28（1）：74-77.

③ 王麗燕.教師實踐共同體：專業(yè)發(fā)展的平臺[J].河北師范大學學報（教育科學版），2010.12（8）：26- 29.

④ 劉慶運，錢瑞明.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機械原理課程教學[J].教育教學論壇，2012（16）：33-34.

⑤ 教育部高等學校機械基礎(chǔ)課程教學指導分委員會.高等學校機械基礎(chǔ)系列課程現(xiàn)狀調(diào)查分析報告暨機械基礎(chǔ)系列課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社，2012.1.