基于雙一流建設(shè)的機(jī)械工程專業(yè)機(jī)械原理課程教學(xué)新思考

摘? 要 為實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)和中華民族偉大復(fù)興“中國夢(mèng)”，國家提出“雙一流”建設(shè)的重大戰(zhàn)略決策。同時(shí)，隨著時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械裝備的應(yīng)用范圍和智能化都取得極大發(fā)展。基于前述原因，進(jìn)行機(jī)械工程專業(yè)機(jī)械原理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等分析，提出契合高校“雙一流”建設(shè)的機(jī)械原理課程教學(xué)新思路。

關(guān)鍵詞 雙一流;機(jī)械工程;機(jī)械原理;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法;機(jī)器人;啟發(fā)式教學(xué);網(wǎng)絡(luò)資源

中圖分類號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）24-0113-03

Abstract In order to realize the “Two Centenary Goals” and the “Chinese Dream” of the great rejuvenation of the Chinese nation， the state has put forward the major strategic decision of “double first class” construction. At the same time， with the development of the era and the progress of science and technology， the application range and intelligence of mechanical equipment have been greatly deve-loped. Based on the above reasons， this paper analyzes the teaching content and teaching method of the mechanical principle course of the mechanical engineering major， and puts forward a new teaching idea of the mechanical principle course which is in line with the “double first class” construction of national colleges and universities.

Key words double first class; mechanical engineering; mechanical principles; teaching con-tent; teaching method; robot; heuristic tea-ching; network resources

1 引言

機(jī)械工程主要以有關(guān)自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，以及結(jié)合工程生產(chǎn)實(shí)踐中的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，用以研究和解決在機(jī)械裝備開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)用和維修等過程中的理論和實(shí)際問題的應(yīng)用學(xué)科。機(jī)械工程專業(yè)于1956年在我國正式開設(shè)，是國家工學(xué)教育一級(jí)學(xué)科，屬于傳統(tǒng)的工科專業(yè)。該專業(yè)培養(yǎng)具備機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、機(jī)電工程及自動(dòng)化基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用能力，能在科研院所、企業(yè)、高級(jí)技術(shù)公司利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造及技術(shù)分析，從事各種機(jī)械、機(jī)電產(chǎn)品及系統(tǒng)、設(shè)備、裝置的研究、設(shè)計(jì)、制造、控制、編程，數(shù)控設(shè)備的開發(fā)、計(jì)算機(jī)輔助編程，工業(yè)機(jī)器人及精密機(jī)電裝置、智能機(jī)械、微機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械等高級(jí)技術(shù)產(chǎn)品與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、開發(fā)、應(yīng)用研究，以及從事技術(shù)管理的高級(jí)工程技術(shù)人才[1]。

機(jī)械原理課程是國家一級(jí)學(xué)科機(jī)械工程中機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)械電子工程專業(yè)、車輛工程專業(yè)等專業(yè)的一門專業(yè)主干課程。隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械裝備的應(yīng)用范圍和智能化都極大推進(jìn)，特別是機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的興起，為機(jī)械原理課程的教學(xué)提出巨大挑戰(zhàn)和新要求[2-3]。

同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)國家“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)和中華民族偉大復(fù)興“中國夢(mèng)”，2015年8月18日，中央全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組第15次會(huì)議審議通過《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，決定統(tǒng)籌推進(jìn)建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科。2017年1月，經(jīng)國務(wù)院同意，教育部、財(cái)政部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)實(shí)施辦法（暫行）》。誠然，推動(dòng)機(jī)械工程學(xué)科“雙一流”建設(shè)的實(shí)現(xiàn)，離不開組成機(jī)械工程專業(yè)各門課程的優(yōu)化建設(shè)。因此，針對(duì)機(jī)械裝備發(fā)展的新情況和國家新時(shí)代對(duì)一流大學(xué)和一流學(xué)科的建設(shè)新要求，開展機(jī)械工程機(jī)械原理課程的教學(xué)改革研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 教學(xué)內(nèi)容分析

機(jī)械原理課程目前的教學(xué)課時(shí)量一般為60課時(shí)左右（包括課堂授課課時(shí)和實(shí)驗(yàn)課課時(shí)），主要的教學(xué)內(nèi)容包括機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析、平面機(jī)構(gòu)的力分析、機(jī)械的效率和自鎖、機(jī)械的平衡、機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)及其速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)、平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、齒輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、齒輪系及其設(shè)計(jì)、其他常用機(jī)構(gòu)以及機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)等內(nèi)容[4]，大多為歷史沿襲的教學(xué)內(nèi)容，鮮有更新。

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步對(duì)機(jī)械工程發(fā)展的極大推動(dòng)以及人們對(duì)工作高效率、生活高質(zhì)量的更高要求，促進(jìn)了各式各樣、各類型各功能的現(xiàn)代機(jī)械裝備的大量涌現(xiàn)和機(jī)構(gòu)學(xué)研究的突飛猛進(jìn)，產(chǎn)生眾多機(jī)械新機(jī)構(gòu)（如柔順機(jī)構(gòu)、變胞機(jī)構(gòu)等）、新理論（如柔順機(jī)構(gòu)學(xué)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)等）和分析設(shè)計(jì)新方法、新手段（如虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)等）。例如，機(jī)器人作為一種新型的機(jī)械裝置或設(shè)備，在社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、單元組成以及運(yùn)動(dòng)分析、力分析等的基本原理和方法與其他機(jī)械系統(tǒng)沒有本質(zhì)區(qū)別。同時(shí)，機(jī)器人作為一種特殊的多樣性、自動(dòng)化或智能化的機(jī)械設(shè)備，其機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、零部件組成、運(yùn)動(dòng)分析手段、力求解方法等又顯著區(qū)別于目前《機(jī)械原理》教材中介紹的一般平面機(jī)械系統(tǒng)，但機(jī)械原理課程的教學(xué)內(nèi)容中涉及機(jī)器人的內(nèi)容還較少，這不利于學(xué)生對(duì)機(jī)械工程新裝備、新技術(shù)、新方法的掌握，也不利于學(xué)生工作和科研能力的提升。因此，為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)研究的需要，有必要對(duì)機(jī)械工程專業(yè)機(jī)械原理課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 教學(xué)措施方法

基于國家對(duì)高校“雙一流”建設(shè)的要求，并根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）年》、“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”和《中國制造2025》實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)的主旨精神，契合國家培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)未來智能技術(shù)發(fā)展的工程技術(shù)人才的現(xiàn)實(shí)需要[5]，本文開展機(jī)械工程專業(yè)機(jī)械原理課程的教學(xué)措施分析。

教學(xué)內(nèi)容方面

1）壓縮煩冗章節(jié)，刪減陳舊內(nèi)容。機(jī)械原理課程是國家一級(jí)學(xué)科機(jī)械工程專業(yè)的主干課程，有著悠久的歷史沿襲。所以，在諸多《機(jī)械原理》教材或授課內(nèi)容安排上往往會(huì)存在一些較為陳舊的內(nèi)容，或現(xiàn)實(shí)機(jī)械分析與設(shè)計(jì)中所舍棄的方法，如凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)的圖解法、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的作圖法、機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)精力分析的圖解法等，還有平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的瞬心法、平面機(jī)構(gòu)的高副低代等內(nèi)容。這些內(nèi)容對(duì)于具有高速、高精密等要求的現(xiàn)代機(jī)械裝備來講已用處不大，建議在機(jī)械原理課程教學(xué)時(shí)舍棄或簡要介紹或安排學(xué)生自學(xué)即可。

2）擴(kuò)展新知識(shí)，引入新方法。近年來，社會(huì)對(duì)機(jī)械裝備性能的高速度、高精度、高效率以及機(jī)械裝備分析、設(shè)計(jì)的高質(zhì)量、低成本、短周期等都提出新要求，同時(shí)，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也為工程技術(shù)人員提供了新的數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，促進(jìn)了大量新型機(jī)械裝備的研發(fā)和推廣應(yīng)用。如利用微分幾何、旋量代數(shù)與李群、李代數(shù)等現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行機(jī)器人機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、自由度分析、運(yùn)動(dòng)特性研究等;利用三維造型軟件Pro/Engineer、SolidWorks或虛擬樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真軟件ADAMS、ANSYS等開展機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)態(tài)特性仿真等;利用數(shù)學(xué)軟件MATLAB等進(jìn)行機(jī)械裝備理論模型的推導(dǎo)、計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)或圖像處理等。還有，諸如并聯(lián)機(jī)構(gòu)、柔順機(jī)構(gòu)、可重構(gòu)/變胞機(jī)構(gòu)、柔性機(jī)構(gòu)、欠驅(qū)動(dòng)/冗余機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)展新方向新知識(shí)，都可以在機(jī)械原理課程中適當(dāng)引入，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)科前沿和發(fā)展趨勢(shì)的了解。在機(jī)械原理課程的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容中適當(dāng)引入前述新知識(shí)、新方法，既可以擴(kuò)展學(xué)生的視野，分析問題方法的多樣性，也可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與主動(dòng)性，提高解決實(shí)際工程問題的技術(shù)能力。

教學(xué)方法方面

1）利用機(jī)械裝備新實(shí)例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高智能化的機(jī)械裝備（如嫦娥登月車）逐漸被人們所熟知和關(guān)注，充分利用新型機(jī)械裝備實(shí)例的新奇性，對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性和探知欲大有裨益。如機(jī)器人在工業(yè)制造、資源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、救災(zāi)排險(xiǎn)、醫(yī)療服務(wù)、家庭娛樂、軍事國防和航天航空等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，這些機(jī)器人實(shí)例為機(jī)械原理課程的教學(xué)提供了豐富的新素材。授課教師可以根據(jù)課堂授課的具體內(nèi)容，選擇能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和興趣的機(jī)器人實(shí)例，包括機(jī)器人錄像、三維模型和圖片等[6]，進(jìn)行機(jī)械原理教學(xué)內(nèi)容的實(shí)例分析，通過理論知識(shí)與機(jī)器人實(shí)例相結(jié)合的方式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效率。如在講授機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算時(shí)，可以引入焊接機(jī)器人以及人體手、臂、腿、腰等自由度的計(jì)算進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的闡述分析。

2）采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。啟發(fā)式教學(xué)是一種創(chuàng)設(shè)問題情境、啟發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的教學(xué)方法，易于為課堂營造良好的學(xué)習(xí)探討氛圍和師生互動(dòng)關(guān)系[7]。教師可以結(jié)合日常生活中常見機(jī)械小問題，進(jìn)行相關(guān)機(jī)械原理課程內(nèi)容的教學(xué)，對(duì)學(xué)生來說既容易理解和接受，又可以極大地提升他們的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，從而收到良好的教學(xué)效果。如通過給出腳踏縫紉機(jī)為什么會(huì)卡死、搖頭風(fēng)扇如何實(shí)現(xiàn)搖頭、雨傘如何實(shí)現(xiàn)收放等問題，啟發(fā)學(xué)生思考、分析、探討，再通過教師的引導(dǎo)、解析等，促使學(xué)生主動(dòng)獲取平面四桿機(jī)構(gòu)及其特性的新知識(shí)，對(duì)提升教學(xué)質(zhì)量大有幫助。

3）利用網(wǎng)絡(luò)資源，廣汲知識(shí)營養(yǎng)。信息互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展正極大地改變?nèi)藗兩鐣?huì)生活的各個(gè)方面。師生可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲得國內(nèi)外著名高校推出的機(jī)械原理開放課程或國家精品課程的學(xué)習(xí)視頻或資料，鞏固或強(qiáng)化對(duì)機(jī)械原理知識(shí)的理解;也可以通過互聯(lián)網(wǎng)及時(shí)了解機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展的最新科研信息和前沿技術(shù)成果，激發(fā)對(duì)未知知識(shí)的探索欲。因此，利用網(wǎng)絡(luò)資源不但可以很好地促進(jìn)機(jī)械原理課程教學(xué)質(zhì)量的極大提升，而且可以開闊師生的學(xué)科視野，提升學(xué)生探索新知識(shí)的興趣與積極性。

4 結(jié)語

針對(duì)國家提出的“雙一流”建設(shè)重大戰(zhàn)略決策，進(jìn)行機(jī)械工程專業(yè)機(jī)械原理課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等問題的分析，提出一些具體教學(xué)措施，以促進(jìn)國內(nèi)機(jī)械工程專業(yè)機(jī)械原理課程教學(xué)效果的改善和課程教改的深入研究。

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