基于新工科的機械原理教學內容改革與思考

張艷平 王繼榮 張繼忠 戴作強 孫浩洋 周志梅

[摘 要]以新工科建設和更好地支持地方經濟發展為背景，以培養應用型人才為出發點，圍繞“以學生為中心”的工程教育理念，對機械原理課程教學內容進行了探討，引入QFD理論，以培養學生創新設計和綜合運用知識的工程素質。理論力學是機械原理的先修課，怎樣將二者有機結合，合理地選擇理論力學的教學內容，才能既節省教學資源又便于學生理解，文章從四個方面分析，提出了自己的一些看法。

[關鍵詞]新工科;QFD;機械原理

[基金項目]2017年山東省研究生教學優質課堂建設項目“現代設計方法”（8020296）;2018年青島大學研究生優質課堂建設項目“機械創新設計”（QDYK18037）

[作者簡介]張艷平（1973—），女，山東青島人，碩士研究生，講師，主要從事機械設計及理論研究;王繼榮（通信作者）（1967—），女，山東威海人，博士研究生，教授，主要從事機械設計及理論研究;張繼忠（1964—），男，河北唐山人，碩士研究生，教授，主要從事機械設計及理論研究;戴作強（1962—），男，山東青島人，碩士研究生，教授，主要從事機械設計及理論研究;孫浩洋（1978—），男，山東青島人，碩士研究生，教授，主要從事機械設計及理論研究;周志梅（1963—），女，山東青島人，碩士研究生，教授，主要從事機械設計及理論研究。

[中圖分類號] TH111[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）46-0-03[收稿日期] 2020-09-30

一、引言

2019中國“制造之美”年度評選頒獎典禮暨高峰論壇上，專家表示目前中國制造的內部優勢一是基礎建設，國內擁有相當完善的產能和配套;二是龐大的市場。相對來講，劣勢是品牌力，很少中國品牌能在全球市場贏得強大的影響力或者認知度。中國制造需要培養大批量的產品經理，讓產品經理切入進來，把中國制造的產品價值推送出去，而不僅僅是一個低價競爭的困局。這個機會在產品經理的身上才能得到。如何培養適合市場需要的人才，需要高校在課程設計上進行有效的改革。

二、課程地位

機械原理這門課能初步熟悉機電產品開發過程，理解基本機構等設計選型知識，通過項目制作實現機電產品涉及的機械原理、驅動傳感、能源動力等設計知識的運用，積累機電產品設計的基本經驗，培養學生機電產品方案創新設計能力。

機械原理與理論力學屬于技術基礎課程，理論力學是機械原理的先修課程。機械原理是將理論力學的有關原理應用于實際機械，有自己的理論體系。但在學習機械原理課程的相關內容時，用理論力學描述機械的運動及動力占相當的比例，其中有些機構力學模型在理論力學中已有闡述，但也有些沒有涉及。由于兩門課程的教師溝通很少，對彼此的教學內容了解不多，在理論力學課程講過的內容在機械原理又重復一遍，造成教學資源的浪費。而有些在理論力學沒有講過的機構模型，在機械原理課上又沒有作為重點講解，給學生的理解帶來困難。

機械原理課程的教學，借鑒了清華大學等知名高校的教學思路，在不斷改進課堂教學方法、更新教學內容的同時，更加注重在實踐教學環節中對學生的創新能力、團隊合作精神以及綜合素質的培養。鼓勵學生大膽嘗試、勇于創新，取得了明顯的教學效果。

（一）加入部分QFD理論

QFD方法是一種以顧客需求為驅動的產品設計開發方法。我們將QFD理論講授后設計一個項目，把每6名學生分為一個小組，然后讓學生按該方法去建立質量功能展開屋，將用戶的需求轉換為質量特性、產品構型、設計參數、技術特性及制造參數，使同學們分清產品層面、制造過程層面和控制方法層面的問題。例如，選取老年人用智能冰箱案例。同學們首先對老年人生理、心理等方面的需求進行精準定位。根據對相關冰箱賣家的走訪，對冰箱外觀語義和冰箱的顏色材料語義進行設計，其功能模塊不宜復雜，界面的交互行為需符合老年人的操作習慣，文字圖標語義應清晰易懂及交互有必要的反饋。技術支持包括物聯網、射頻識別（RFID）以及智能語音。同學們對分類需求進行篩選，通過“兩兩比較法”分析老年人需求之間的相關關系，得到了老人用智能冰箱質量屋。通過該案例的探討，課內師生交流的程度、學生在課內的發言和課外準備的程度、學生對于自己探索知識的學習方式的感受和以往有很大變化，知識掌握程度不再是唯一重要的。

（二）在兼顧機械原理課程的同時要保持力學知識體系完整及特點

由于機械原理在運用力學理論闡述機構的原理時，往往直接運用力學推導的結論，不重視求解過程，因此，有些力學掌握不好的學生不能夠很好地理解，也就是對機構的基本原理理解不透徹，會給以后機械機構設計帶來困難;因此，對于兩種學科共有的例題，在力學中應該用力學理論闡述清楚透徹。在分析案例時我們根據學生的實際情況擴展討論，這樣不但有利于學生對機械原理課程的理解，節約教學資源，而且進一步加深了對兩門課程的理解。比如在機械原理中講解機構各點位移、速度、加速度的方法時，講述的圖解法和理論力學有一定的差別，并且作圖比較煩瑣、精度差，在進行復雜機械分析時尤為困難。隨著計算機技術的發展，解析法成為一種更精確、 更高效的求解方法。特別是當機構由二維擴展到三維時，相應的運動學矢量方程就變成了空間矢量方程，這時只能使用解析法進行分析。所以機械原理中的運動學分析方法最好和理論力學中的對應內容保持一致。在機構運動分析的過程中，可以把圖解法、解析法等知識一并納入教學，讓學生對同一內容有更深刻全面的認識，從而增強學生獨立分析問題的能力。

（三）機械原理對機械類力學課程教改的啟示

機械原理課程主要教學目的是研究機構的組成原理及各種常用機構類型、運動、作用力、功能及設計。由于課時限制，不可能把所有機構的力學原理講述，只能是定性的分析，這就給力學課程提出新的任務。

1.怎樣使力學例題更接近實際，使學生更感興趣。力學教師應該以實際問題為研究對象，使抽象的力學模型具體化，增加學生對力學的興趣。增加機構的力學分析可以使學生對機械原理的機構有更深刻的認識、更透徹的理解，節省教時和難度，使課程在本課程的框架內有更大的擴展。例如在力學課程中應該增加的如圖1所示的攪拌機構例題。

2.利用機械原理的實體模型和設計思想，提高學生對力學知識的理解應用。力學課程應加強與其他學科的聯系，吸取其他學科先進的思想、教學手段與方法。例如，在講解典型機構的約束時，可以借鑒機械原理課中的三維機構的圖形講解，學生能夠很快理解約束的受力分析，也可以把現實的機構實體模型（圖2）與理論力學課堂上建立的力學模型進行對比分析。

3.把現代新的機構介紹給學生并進行力學分析。由于新機構的不斷涌現，增加對新機構力學的分析，讓學生深刻認識新機構，增強學生的創新能力。如圖3所示的波發生器裝置是機械原理中的機械結構，構思比較精巧，但在力學多數教材中沒有提及，在力學課程中應該把此類機構介紹給學生。

（四）教學方法和教學手段的改革創新

1.教學方法注重工程背景教育和科學思維、啟發創新。教學過程中注意引導學生對所學知識的歸納梳理、舉一反三、觸類旁通，培養學生科學思維和自主學習能力。

在學習機構演化和機構型式設計時，啟發學生通過改變構件尺寸、變換構件形態、轉換運動副類型、機構倒置構思新機構。如通過將擺動導桿機構中直線導桿變為具有半徑等于曲柄長度的圓弧段導桿，可以獲得具有停歇特征的導桿機構。進一步將導桿做成輪狀并適當布置導槽，可以獲得內外槽輪機構。再將槽輪展直，又可以獲得主動件連續轉動、從動件間歇直移、鎖止方式與槽輪機構相同的間歇直移機構。

2.教學手段力求形象生動、寓教于樂、引人入勝。充分利用電腦圖像動畫、工程應用視頻、網絡媒體資源、學生創新成果等，開發素材資源豐富多彩的CAI課件。

3.注重學生所學知識的綜合應用。在學習了機械原理課程中的凸輪機構工作原理、從動件運動規律、凸輪廓線設計原理等知識后，組織同學們課外創新設計了如圖4所示的“自由組合式典型凸輪廓線繪制儀”。

三、結語

為了提高教學效果，本次課程建設加入QFD理論并采用項目式教學法，淡化教師傳授知識的主導性，強調學生學習的自主性，讓學生分組參與進來，對其進行深入研究，加深了學生對QFD的了解，著重培養學生的動手能力及工程意識，達到了培養高素質人才的目的。針對機械原理與理論力學課程部分內容重疊的現象給出了建議，在機械原理的教學方法和教學手段上提出了創新改革方法。

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Abstract： With the construction of Emerging Engineering Education and better support for local economic development as the background， the new requirements for training applied talents in colleges and universities as the starting point， this paper discusses the teaching content of Mechanical Principles course around the concept of "student-centered" engineering education， and introduces QFD theory to cultivate students' engineering quality of innovative design and comprehensive application of knowledge. Theoretical mechanics is a prerequisite course of Mechanical Principles. How to combine them organically and choose the teaching content of theoretical mechanics reasonably can save teaching resources and facilitate students' understanding. This paper analyzes this problem from four aspects and puts forward some opinions.

Key words： Emerging Engineering Education; QFD; Mechanical Principles