新工科背景下面向實踐和創新能力培養的機械原理課程教學改革與實踐

楊東宇，賈明川

（哈爾濱理工大學 榮成學院，山東 榮成）

“新工科”的概念最早于 2016 年被提出，是我國高等工程教育體系對實現“兩個一百年”奮斗目標，協調推進“四個全面”戰略布局，貫徹落實創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念，深入實施“創新驅動發展”“一帶一路”“互聯網＋”“京津冀協同發展”等重大戰略等國家重大戰略的積極反映[1]。2017年，教育部高等教育司正式推出高等工程教育改革“新工科”計劃。在一年之內，相繼形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”“交大篇章”等重要的新工科建設指導性文件和理念，為工程教育的建設與改革指明了方向[2-3]。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才，具有戰略型、創新性、系統化、開放式的特征。不論是新興工科的建設還是傳統工科的升級改造，對于工科專業的每門課程來說，都應在“新工科”建設的大背景下，結合“新工科”的內涵與理念進行課程教學改革[4-5]。

一 教學改革的背景

我院作為一所應用型本科高校，為助力地方經濟發展，立足學校內涵建設和長遠發展，推出“兩海一服”政策，即海洋智能裝備制造、海洋食品與生物工程與現代海洋服務業。機械專業的學生作為“兩海一服”政策培養的重點對象，在新工科背景下，面向區域經濟社會發展需求，確立了人才培養目標：培養具備扎實的機械專業知識，精湛的實踐、創新能力，良好的職業道德素養和科技報國情懷的應用技術型人才。

“機械原理”是學生接觸的第一門專業核心課，是基礎課程(包括高等數學、理論力學、材料力學、機械制圖等)與專業課程之間的橋梁課程，在整個知識體系中起到承前啟后的重要作用。課程主要研究機構結構學、運動學、動力學及常用機構及機械系統的設計問題，為學生畢業后從事有關機械方面的設計、制造、開發及研究工作奠定基礎。《機械原理》課程具有基本概念多、邏輯性強、公式多、內容難度大、與工程結合緊密的特點，學習難度較大。課程授課對象為大學本科二年級學生，該年級學生還未系統開展生產實習等工程能力訓練，工程實踐經驗匱乏；

二 傳統教學中存在的問題

（一） 教學內容與工程背景結合較差

由于學生工程實踐經驗少，加之教師在授課中也沒有很好地將工程案例與理論知識進行融合，加之課程本身難度高、需要具備一定的工程經驗才能很好地理解消化，多方面的原因使得學生對課程內容普遍感到抽象、難學，逐漸失去了學習興趣，甚至對后續專業課乃至從事機械行業工作的信心也造成了巨大打擊。

（二） 教學模式單一、學生主體地位不突出

在傳統課堂教學中，教學設計主要圍繞教師如何教展開，以教師為中心，缺少吸引學生注意力的教學活動，教師與學生交流較少，學生參與教學活動的機會少，大都采用灌輸式的教學方法進行授課，學生絕大部分時間在被動地接受知識，課堂枯燥無味，缺乏吸引力，造成一部分學生在課堂上不認真聽課、玩手機，學習效果不夠理想[6]。

（三） 學生知識向能力轉化效率不高

傳統的學習過程缺少有效的實踐應用訓練環節，大多數知識僅停留在紙上談兵階段，有一些學生上課好像聽明白了但是課下一做作業就發懵，不僅知識遺忘率高，還嚴重影響了后續機械設計、機械系統設計等專業課程的學習效果。加之考核評價體系不完善，使得大部分學生采取考前突擊過關，并不重視平時知識的積累，造成學生運用理論知識解決實際問題的能力較差，不利于實踐和創新能力的培養[7]。

（四） 思政教育與課程內容融合較差

對學生科技報國的家國情懷和使命擔當的激勵不夠，學生對學習目的認識不深刻，缺乏責任感和科技報國的內驅力，在學習上遇到挫折和困難就很容易放棄，不愿深入鉆研枯燥難懂的理論知識，隨著課程學習深入、難度加大，逐漸對課程失去興趣、放棄本門課甚至后續專業課的學習。

三 教學改革措施

（一） 整合教學內容，解決學生工程經驗匱乏、教學內容抽象造成的學習困難

在新工科背景下，創新復合型人才是工程教育的重要培養目標，在“以學生為中心”的教學理念指導下，著眼于學生發展需求，對教學內容進行整合。刪減過時的、與其他課程重復的內容，增加與時俱進的工程實例和交叉學科知識，及時把最新的“智能制造、外骨骼機器人”等學科前沿成果，及“生物科技、自動控制、機械工程材料”等交叉學科知識融入日常教學中。例如：在緒論中增加“都江堰”水利工程和西安地鐵“問題電纜”事件的工程倫理分析，培養學生的職業道德和工程倫理意識；在介紹機械行業的發展現狀中，增加融合了生物科技和定位導航技術的“手術機器人”的工作原理介紹。在第二章機構的結構分析中增加融合人工智能相關知識的“智能制造”、切比雪夫四足機器人的結構分析，提高學生對國家重大發展戰略、行業發展趨勢的了解。在齒輪機構一章中增加融合永磁牽引電機相關知識的“高鐵傳動系統”及融合航空發動機相關知識的“殲20隱形戰機航空發動機增速器”的設計等等。通過將體現前沿性、時代性、交叉融合性的知識與教學內容進行整合，提高課程的高階性，突出課程的創新性，增加課程的挑戰度，從而增加學生工程經驗，提高學生的學習興趣。

（二） “工程問題情境式”課堂，解決教學模式單一、學生主體地位不突出的問題

基于OBE理念，利用超星學習通平臺和釘釘群，實施傳統課堂與翻轉課堂相結合的混合式教學，在教學設計中突出“以學生為中心、以成果為導向”，關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，并依據課程評價結果做持續改進[8]。通過融入“工程問題情境”創設挑戰性問題，創造高階思維情境，激發學生內在動力，以工程實例引導——問題驅動——能力導向——應用拓展為主線開展課堂教學活動。

1.課前：創設問題情境，激發學習動力。課前教師以國家重大項目、發展戰略、機械裝置設計的困境等工程實例導入問題，明確對學生提出帶有問題解決、創造分析等高階認知策略的學習任務，讓學生在問題驅動下，完成課前參考文獻閱讀、預習視頻觀看及前測，教師根據前測結果進行問題導向的精準化教學。

2.課中：解決核心問題，建構認知體系。教師根據課程內容重難點及學生課前自主學習結果的反饋，進行精準化教學設計。以教師為主導，以學生為主體，引導學生對問題進行分析，以解決問題為驅動，通過探究式問答、課堂辯論、分組研討等互動環節，經過深度思考、思辨分析、合作交流、觀點碰撞建構認知體系，達到知識、能力、素養的訓練，最終獲得利用所學理論解決復雜工程問題的能力。

3.課后：內化提升能力，主動反思遷移。課后作業分為線上、線下兩部分。線上作業包括主題討論、文獻閱讀、知識測驗等，借助超星平臺、釘釘群，完成學生學習數據的回收。線下作業具有一定拓展性、挑戰性，開放性，幫助學生將知識遷移和轉化，實現能力的拓展提升，如表1所示。

表1 部分線下作業舉例

（三） 項目全過程嵌入式學習，解決知識向能力轉化率低的困境

1.項目全過程嵌入式學習模式。遵循“以學生為中心”的教學理念，著眼于學生的能力提升，挑選學生“跳一跳夠得著”的題目，建立項目全過程嵌入式課程學習模式，學習計劃如表2所示。項目貫穿課程始終，以項目為驅動，開展理論與實踐的同步訓練。教師首次課發布題目后，學生自動組隊選擇，以項目為驅動，進行各章節知識的訓練。例如在學習齒輪、凸輪等機構時，學生對各自項目中涉及到的齒輪、凸輪等機構進行設計，在學習運動和力分析時，學生團隊分工對項目中的不同機構進行運動和受力分析。整門課程的學習結合解決實際工程問題的“闖關挑戰”，學生的獲得感和成就感得到極大的提升。在完成各章節理論學習后立刻利用所學完成對應機構的設計工作。隨后，通過搭建實物模型、三維軟件運動仿真，檢驗機構的運動狀態。整個項目式學習通過真實的工程項目訓練，實現了知識向能力的轉化，提升了實踐創新能力。

表2 學習計劃

2.開放實驗室助力學習成果轉化。豐富的開放實驗室資源可以為學生提供多學科交叉融合的實踐環境，將真實世界的體驗融入工程教育。學生能夠利用開放實驗室將機械原理課程所學與機械控制、機械工程材料、3D打印技術實現跨學科交叉融合，將項目式學習成果轉化為實物。學生可以利用3D打印技術、慧魚模型、機構模型選擇自己擅長的方式，對項目式學習所設計機構進行運動驗證。鼓勵學生將學習成果做出實物參加各類學科比賽。目前已經有大批學生在實驗室將自己的機構創意實現，完成機械創新項目的實施。通過開放性實驗室相結合的形式引入項目建設中，為實現新工科的建設、轉變現有教學模式、促進人才全方位培養、強化動手實踐能力提供了保障。

3.參與各類學科競賽，激發學習熱情。學科競賽是培養學生實踐和創新能力的有效手段和重要載體。鼓勵學生參加與機械原理課程相關的各類比賽，不僅能積累工程經驗、提升實踐和創新能力、更能激發學習自主性、創造性。與機械原理課程相關的競賽主要包括全國大學生機械創新設計大賽、全國“挑戰杯”大學生課外科技作品競賽等。通過參與這些學科競賽，學生的繪圖能力、邏輯思維能力、溝通和協作能力、實踐和創新動能力都得到了大幅提升。

（四） 以“學習效果為中心”的考核方式改革，引領和撬動深層次培養

改變傳統“期末一考定成績”的評價方式，增加形成性考核項目，根據課程目標進行學習效果評價。提前給學生評價量表引導學習，通過反饋及時調整教學。加強形成性評價并持續改進，建立“目標-活動-反饋”課程三角形，實現循環與迭代式提升。形成性評價方式包括課堂表現、課堂討論、項目式學習等，如圖1所示為項目式學習評價標準。

圖1 項目式學習評價標準

（五） 以“全方位”育人為目標，開展課程思政建設，落實立德樹人根本任務，激發學習動力

根據機械原理的課程特點和課程內容結合人才培養目標確立思政目標為：有家國情懷和使命擔當，具有工程倫理意識和遵守國家標準規范的意識，具備運用哲學原理解決實際問題的能力。

根據課程內容特點建立包含“工業強國”戰略、馬克思主義哲學理論，“工程倫理”，“神州十三號”等國家重大項目在內的思政案例庫。在課前導入——課中分析問題——課后話題討論中，根據不同章節課程的內容與特點，靈活多樣地植入課程思政元素，如圖2為課程思政實施案例。

圖2 “齒輪機構”課程思政的實施過程

四 結語

新工科背景下，為達成培養具有實踐和創新能力的技術融合型人才的目標，對傳統機械原理課程的教學模式進行了改革，將OBE理念引入課程教學中，圍繞以“學生為中心”的教育理念優化教學內容、建立工程問題情境式課堂、變革考核方式、融入課程思政，開展以開放實驗室為支撐的項目全過程嵌入式教學改革和實踐，激發了學生的學習積極性，提高了學生的實踐和創新能力。