以學生能力培養(yǎng)為中心的機械原理課程教學改革

趙榮榮，魏紅梅，張煒煒

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

引言

山東華宇工學院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)定位于服務山東“一區(qū)一圈一帶”和德州京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的需要，為山東省新舊動能轉(zhuǎn)換和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級培養(yǎng)專業(yè)人才。本校《機械原理》課程作為車輛工程、機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在人才培養(yǎng)體系中起著重要作用。本課程主要學習機構(gòu)分析與設(shè)計的理論與方法，即機構(gòu)組成原理與分析、機械系統(tǒng)動力學分析、常用機構(gòu)的分析與設(shè)計、機械系統(tǒng)方案設(shè)計等[1]，重點培養(yǎng)學生的機械運動方案設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。《機械原理》課程相對后續(xù)專業(yè)課程不僅具有較強的理論性，而且與工程實際密切聯(lián)系，其學習效果直接影響著學生工程能力的培養(yǎng)。為更好地發(fā)揮《機械原理》課程在人才培養(yǎng)體系中的地位，適應學校應用型人才培養(yǎng)需求，進行《機械原理》課程的教學改革勢在必行。

1 本校《機械原理》課程教學現(xiàn)狀

1.1 課程知識點多且散，學生難以充分理解，出現(xiàn)學完不會用

山東華宇工學院車輛工程與機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)所開設(shè)的《機械原理》課程共56學時（理論48學時+實驗8學時），課時相對較少。《機械原理》課程知識點多且零散，涉及到《理論力學》課程中運動學和力學的知識，課程內(nèi)容相對抽象，理論性又較強。但是對于生源分數(shù)較低的民辦本科院校來說，學生的理論知識基礎(chǔ)相對比較薄弱，學習能力也比較有限，理解力和抽象能力也相對不足。因此，在民辦本科院校就存在著授課內(nèi)容繁雜、學生理論基礎(chǔ)薄弱而授課學時有限的矛盾，給教師的授課帶來了非常大的難度，經(jīng)常導致授課教師在教學中出現(xiàn)顧此失彼的現(xiàn)象，使學生的學習難度加大，無法準確把握課程的重難點。

本校《機械原理》在車輛工程與機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)分別開設(shè)在大二上學期和大二下學期，此時學生的工程知識、實踐經(jīng)驗匱乏，對課程涉及的機構(gòu)結(jié)構(gòu)學、運動學和動力學等內(nèi)容會普遍感到抽象、難學，加之教師在授課中也沒有很好地把握工程實踐與理論知識的融合、學校實驗設(shè)備又較為陳舊等現(xiàn)實條件，使學生原本就不高的學習積極性大受打擊，造成學生在課程上玩手機、抬頭率低的現(xiàn)象，很難提升學生的學習效果。

1.2 教師與學生交流較少，學生學習被動，很難融入單聲道的傳統(tǒng)課堂教學，學習效果差

在傳統(tǒng)課堂教學中，強調(diào)學生學習課程后能否系統(tǒng)、完整地掌握專業(yè)知識，教學設(shè)計主要圍繞教師如何教展開，以教師為中心，大都采用灌輸式的教學方法進行授課，學生參與教學活動的機會很少，絕大部分時間處于被動地接受知識，課堂枯燥無味，造成一部分學生在課堂上不認真聽課、玩手機，還有一些學生上課好像聽明白了但是課下一做作業(yè)就發(fā)懵。傳統(tǒng)教學影響著機械原理課程的教學效果，使學生在后期的機械原理課程設(shè)計中面臨著就教師布置的任務難以設(shè)計出解決方案的困境，造成了學生應用所學知識解決實踐工程問題的能力較差。總之，這種傳統(tǒng)教學模式忽略了學生的主動性和創(chuàng)造性，把學生當作灌輸?shù)膶ο螅處煹娜蝿諏Ｗ⒂趥魇谥R，而學生的任務是理解并消化教師講授的內(nèi)容，不利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的工程人才[2]。

2 《機械原理》課程教學改革的探索

2015年，國務院總理李克強在政府工作報告中指出：“推進‘互聯(lián)網(wǎng)+’戰(zhàn)略，利用互聯(lián)網(wǎng)的平臺，利用信息通信技術(shù)，把互聯(lián)網(wǎng)和包括傳統(tǒng)行業(yè)在內(nèi)的各行各業(yè)結(jié)合起來，在新的領(lǐng)域創(chuàng)造一種新的生態(tài)。”翻轉(zhuǎn)課堂就是一種充分利用計算機與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新興教學模式，將學生在學習中的地位由被動接受者變成主動提出問題并解決問題的探究者，側(cè)重于培養(yǎng)學生自主學習能力、分析事物能力和創(chuàng)新能力，是更深層次的主動性學習活動[3]。單純的翻轉(zhuǎn)課堂教學效果過分依賴學生課前學習的自覺性和學習能力，要求教師具有較強的控制能力，有時候并不能起到很好的效果[4]，特別是民辦本科院校的師資流動性大、青年教師較多，學生的學習能力也比較有限，因此，單純實施翻轉(zhuǎn)課堂是不可能的事。

在先進裝備制造產(chǎn)業(yè)背景下，全面落實“三教”改革、打造高質(zhì)量專業(yè)課程是一項重要任務[5]，對機械原理課程進行教學改革勢在必行。鑒于傳統(tǒng)教學和翻轉(zhuǎn)課堂在本校所面臨的問題，本課題探索實施的是將傳統(tǒng)課堂與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的混合式教學，在教學設(shè)計中突出“以學生為中心、以成果為導向”，關(guān)注學生學習后具備什么樣的能力及能做什么，教學實施與評價都圍繞著學習成果展開，并依據(jù)課程評價結(jié)果做持續(xù)改進。

2.1 課程整體教學設(shè)計

本課程堅持以學生為中心，能力產(chǎn)出導向的教學理念，教學內(nèi)容圍繞學生的學習產(chǎn)出設(shè)置，確保學生通過課程內(nèi)容的學習達到預期的學習效果——擬定并分析機械系統(tǒng)方案，強化學生分析能力、設(shè)計能力的培養(yǎng)。按照從機械認識、機械設(shè)計到機械研究創(chuàng)新的認識規(guī)律，分為“機構(gòu)組成原理與分析”、“機械系統(tǒng)動力學分析”、“常用機構(gòu)設(shè)計”和“機械系統(tǒng)方案設(shè)計”四大模塊。其中，機構(gòu)組成原理與分析主要圍繞工程實例的運動簡圖，以培養(yǎng)學生的抽象思維和圖解邏輯思維為主；機械系統(tǒng)動力學分析以動力學模型和經(jīng)典理論在解決工程實際問題中的應用為主；機械系統(tǒng)方案設(shè)計模塊為綜合性項目訓練在機械原理課程設(shè)計教學環(huán)節(jié)完成，通過擬定機械運動方案使學生初步具有機構(gòu)選型與組合和確定運動方案的能力，并能從多角度對運動方案的優(yōu)劣性進行評價，培養(yǎng)學生分析和解決復雜機械工程問題的能力。

課程以“夠用、實用、應用”為原則，淡化了與《理論力學》相重疊的內(nèi)容，減少了平面機構(gòu)的運動分析與力分析章節(jié)的課上時間，將時間大部分放在了課程的核心內(nèi)容常用機構(gòu)的設(shè)計上。為培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)，根據(jù)機械原理課程的工程性、實踐性、應用性的特點，在課程的教學中引入工程實例，將枯燥的理論知識與新穎或常見的工程問題結(jié)合，以解決工程應用實例的問題為目標來展開課程教學，既完成了教學任務又實現(xiàn)了理論知識與工程實踐的有機結(jié)合。在課堂采用的工程實例既是本節(jié)課題的出發(fā)點，也將是該課題的終點，使學生能夠?qū)W以致用，提升學生的學習激情，讓學生在感悟、驗證、設(shè)計中逐步提高學習能力和分析解決問題能力。目前，本課程在教學中常用的工程載體如表1所示。

2.2 教學實施過程設(shè)計

在傳統(tǒng)教學的基礎(chǔ)上，將分解后的《機械原理》課程知識點利用PPT、動畫、視頻等形式進行呈現(xiàn)，上傳至超星學習通網(wǎng)絡教學平臺，建立課程線上學習資源，為實施以任務驅(qū)動為主線、問題引領(lǐng)為導向的教學奠定了基礎(chǔ)。在教學中，堅持以學生能力培養(yǎng)為本位，采用傳統(tǒng)教學與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，理論以工程實例引入，以問題驅(qū)動，以互動探討帶動課程氛圍，激發(fā)學生學習興趣，讓學生真正融合課堂，既提高了課堂的抬頭率，又培養(yǎng)了學生分析解決問題的能力。在《機械原理》課程教學中堅持先學后教、以學定教、教學合一，探索并實施了課前自主探究、課中知識內(nèi)化、課后提升的三階教學過程。主要實施過程如下：

課前自主探究——首先，任課教師根據(jù)本節(jié)的重難點內(nèi)容制定任務清單[6]，指出學生在學習過程中需要解決的問題與掌握的知識點，通過學習通網(wǎng)絡教學平臺或QQ班級群下發(fā)任務清單。然后，學生以小組為單位通過學習通網(wǎng)絡教學平臺，學習教師上傳的課程資源或者教師推薦的一些優(yōu)質(zhì)課程網(wǎng)絡資源進行問題的探究。最后，學生把在自學的過程中遇到的問題可以通過學習通平臺或者QQ反饋給授課教師，這樣既可以讓老師及時把握學生的課前學習情況，為課堂教學設(shè)計做好準備，同時教師還可以把學生提出問題和解決問題的次數(shù)與質(zhì)量作為平時考核成績的一部分，做到考核形式的多元化。

課中知識內(nèi)化——以新穎的工程實例引導－問題驅(qū)動－能力導向－應用拓展為主線開展教學活動，對于重難點及學生在課前自主學習中所遇到的疑難點應以教師講授為主。在課堂教學過程中堅持傳統(tǒng)講授與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，從工程問題引導思考，從理論知識到工程應用，很好的激發(fā)了學生的求知欲與創(chuàng)新性思維。另外，教師在課堂教學進行總結(jié)時應重點強調(diào)學生們在課前自主學習中所遇到的疑難問題及知識點。以機械原理課程中“平面四桿機構(gòu)的急回特性”這一知識點為例來說明課堂教學實施的邏輯如圖1所示。

圖1 本課程改革后課堂教學實施范例

本節(jié)課就工程應用中的牛頭刨床的運動，提出問題：牛頭刨床是如何切削材料的？刀具工作時，如何實現(xiàn)切削行程速度慢而返回空行程速度快以提高工件加工質(zhì)量以及生產(chǎn)率的？引發(fā)學生思考，提出機構(gòu)運動特性的問題——急回特性。通過典型的曲柄搖桿機構(gòu)引入機構(gòu)急回特性的基本概念（包括極位、極位夾角、急回特性等），重點講解機構(gòu)急回特性的定量描述——行程速比系數(shù)K的相關(guān)知識點。通過讓學生思考牛頭刨床實現(xiàn)此功能采用的機構(gòu)類型及如何設(shè)計往復運動功能需求不同的牛頭刨床，將急回特性理論知識回歸到牛頭刨床工程應用中。最后，給予學生拓展分析的問題，讓學生在探討、質(zhì)疑中達到知識的掌握與應用。這種課堂教學方式不僅幫助學生掌握了理論知識，更能夠突出強化學生在實際工程中的機構(gòu)設(shè)計能力。

課后提升——課后布置一定難度、挑戰(zhàn)性的作業(yè)，例如讓學生自行設(shè)計搭建一些實現(xiàn)某種功能的機構(gòu)或零部件，既能實現(xiàn)作業(yè)“增負”，又能讓學生通過做中學、學中做達到知識的綜合應用，實現(xiàn)拓展提升。

3 改革成效

通過實施任務驅(qū)動的課堂教學改革，積極引導學生進行思考，提高了學生的學習興趣，使課堂抬頭率有了大幅提升，極大改善了課堂教學效果。其中，2018級本科機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)1班學生的《機械原理》課程考核成績比2017級本科機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)1班的學生優(yōu)秀率提高了10.6%，不及格率下降了20.04%，如表2所示。

表2 《機械原理》課程改革前后考核分數(shù)成績統(tǒng)計對比表

4 結(jié)論

通過對民辦應用型本科院校《機械原理》課程的教學現(xiàn)狀進行分析，探索實施了以工程實例為載體，以任務為驅(qū)動的課堂教學改革，初步實現(xiàn)了理論知識與工程實踐有機結(jié)合，在教學中強調(diào)了理論知識的實踐應用，培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題-思考問題-解決問題的工程素養(yǎng)。