新工科背景下“機械原理”課程建設探索*

李芳環 ，閆春愛 ，向 亮

（武昌工學院智能制造學院，湖北 武漢 430065）

2017 年國家提出“新工科”建設[1]，根據經濟發展的需求，除了建設一批新興的工科專業，原有的工科專業也要進行轉型升級，人才培養方面要改革。對人才培養提出的要求是要適應新經濟、新業態，知識結構要合理，有跨界能力，特別是對工程能力和創新能力提出了更高的要求。機械設計制造及其自動化專業是工科中的傳統專業，在“新工科”背景下，要對這些傳統專業進行新建設。“機械原理”課程作為機械設計制造及其自動化專業的一門專業核心課程，在該專業中起著銜接專業基礎課和專業課程的橋梁作用，這樣一門重要的課程，如何有效地建設和發揮它在人才培養中舉足輕重的作用是課程建設的重點。

1 課程現狀分析

1.1 教學方式僵化

教學內容多且學時有限，為了完成教學任務，基本的課堂形式是以教師的講授為主體，這種講授為主的原因主要有兩方面：1）作為教學主導者的教師工程經驗不足，不能很好地將有趣的工程案例引入教學中，課堂上對學生提出的問題缺乏高度和創新性，不能激發學生的探索欲望；2）作為學習主體的學生缺乏學習的主動性，習慣了被動接受知識，對課堂上講授的知識不能針對生活中的案例進行分析和內化。

1.2 教學內容陳舊

目前對于凸輪機構的設計、連桿機構的設計，教材中通常有圖解法和解析法兩種設計方法，在教學的過程中，以手繪圖解法的設計作為教學的重點。盡管圖解法比解析法簡單，但是在實際工程中，很少用到手繪圖解法的設計。所以目前圖解法的教學脫離了實際，未把CAD、SolidWorks、MATLAB 這些軟件結合起來教學[2]，和企業對人才的需求是相脫節的。

1.3 考核方式滯后

現有的考核分為平時成績、實驗成績、考試成績，雖然平時成績由作業、簽到、平時表現幾部分組成，但是在平時表現上沒有做到細化，考核不是很明確，設置的問題討論缺少深度和廣度，作業形式比較單一，基本是以習題為主，缺乏有創新性的題目和設計類的題目。實驗考評環節中驗證性的實驗偏多，課程的最終考核以書面考試的方式進行，題目答案基本是唯一的。

2 “機械原理”課程建設舉措

2.1 課程內容的取舍、整合和更新

1）教學案例選取上結合生活實際、工程實例，緊貼時代。課程大綱要根據企業對人才的需要做出適當調整，計算機技術已經非常成熟，“機械原理”課程中一些圖解法的設計要和CAD、SolidWorks、MATLAB 等軟件結合起來，在授課的過程中，適當地調整授課的環境，安排幾次課程在機房進行講解和授課。在連桿機構的案例選取上要結合生活中常見的機構，如雨傘收放機構、車門啟閉機構、雨刮器結構、牛頭刨床機構、爬樓梯機器人結構、翻斗車機構、起重機機構等作為重點案例進行講解。引導學生觀察生活中的實際案例，對所學的內容從機構到構件再到運動副的拆分進行回顧與觀察，并且思考和設計新機構。

2）教學內容注重共性知識的提煉。“機械原理”課程研究的是機械的共性問題，主要分為兩大模塊，機構學和機械動力學。機構學的對象是各種常見機構，如連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、間歇運動機構，研究內容為機構的組成原理和運動確定性以及機構的運動分析與綜合。機械動力學的研究對象是機構和機器的組合，它的研究內容是確定機械在已知力作用下真實的運動規律以及調節、摩擦力、機械效率和慣性力的平衡等問題。教材的章節上貌似是獨立成章，但是有一些共性的知識點可以提煉出來，有利于更好地內化。共性知識點如表1所示[3-4]。

表1 共性知識點

2.2 轉變教學理念

2.2.1 教師要樹立“新工科”教學理念

隨著科學技術的迅速發展，機械學的知識在不斷地增加和更新。教師作為教學活動中的主導者，不但要能把本門課程的專業知識理解通透、知識點梳理清楚、能清楚明白地講解給學生，更重要的是在授課的過程中要把本課程的理論知識和生活實例與工程問題結合起來，豐富教學內容，激發學習者的興趣。因此，教師本身要不斷地學習，跳出教材內容的限制，多關注本學科的發展動態，針對課程的授課方式方法要進行理論學習和實踐練習，在教學過程中不斷地反思和總結，針對教學活動進行教改研究，針對學科科學技術的發展進行科研項目研究，這樣才能讓自己的思想和眼界更開闊，在教學過程中自如地引入新案例、應用新理念和新方法。

2.2.2 以學生發展為中心進行教學活動的設計

教師在進行課程設計的時候，要以人才培育為主線，搞清楚本專業的培養目標，根據專業培養目標，確定課程目標，再制定每次課的教學目標，針對每節課的教學目標，進行課程教學活動的設計，確定是采用翻轉教學還是案例教學。教學活動設計的宗旨是教師是引導者，以學生為中心。教學活動要能涵蓋課前、課中和課后。“機械原理”課程主要是研究機械結構的，各章的中心要有所不同。按照以適用性為主的原則，把與中心無關的內容作適當調整。機構的結構分析、運動分析和受力分析，屬于機構中的共性問題，而連桿機構、凸輪機構、齒輪機構及輪系屬于機構中的特性問題。對重點章節，要進行深入細致的分析，講課時能有所側重。對非重點章節，如機械的平衡和機械速度波動的調節等，講課時則只作一般性的介紹，學生可以通過在線資料進行自學。

在課前的教學活動設計上要考慮到學生的時間、空間，課中要考慮學生在課堂上注意力集中的時間曲線，課后的作業設置上也要根據學生的實際情況以培養滿足新工科要求的人才為主線。比如，傳統的作業通常是以課后習題為主的作業，作業方式比較單一，改變傳統的單一的作業方式，為了滿足不同學生的需要，可以把作業分為三種類型，一是滿足基礎知識要求的題目，二是提高性的題目，三是以設計為主的題目[5]。第一類題目要求所有同學都完成和掌握，這類題目的答案通常是唯一的，可以利用信息化教學平臺進行完成，方便學生提交和老師批閱。第二類題目通常是在第一類的基礎上增加了一定的難度，這類題目作為附加的題目，可以滿足有深造想法的同學的需求。第三類是培養學生創新能力、工程訓練能力的拓展性題目，這類題目要求3~4 位同學為一組來進行創新設計。每位同學必須至少提出一種設計方案，然后大家討論選取一種最優方案進行設計，以團隊的形式完成，完成這類題目需要查閱文獻、研討方案、團隊協作，有利于培養復合型人才。比如，尋找生活中的案例，通過方案制定、運動簡圖繪制、軟件建模，到最后進行運動分析和動力分析、撰寫研究報告，并進行答辯。在答辯過程中，老師和其他組的同學可以進行提問和點評，對做得好的方面加以肯定和鼓勵。答辯也是大家互相學習和溝通的一次很好的機會，這樣在整個項目的完成過程中，就可以達到培養學生創新能力和綜合素養的效果。

實驗教學中適當地減少驗證性的實驗，增加創新設計性的實驗。在實驗教學過程中，老師要用頭腦風暴等創新思維引導學生多思考和分析。比如在機構創新實驗中，學生可以根據提供的桿件、運動副、凸輪、齒輪等進行結構的創新搭建實驗，學生在實驗教材給定的結構基礎上，進行合理化創新，實驗的創新首先要遵循安全的約束，在這個條件下，搭建能實現某種功能的機構。然后老師引導學生通過自由度的計算判斷該機構是否具有確定的運動，再思考其他能實現同樣功能的結構，從機構的復雜程度、運動副的摩擦力等方面進行機構性能的判斷，不但可以培養學生的創新能力，也可以培養學生的批判精神。

2.2.3 以立德樹人為目標

教育的根本是要為國家培養五育并舉的人才，教師在授課過程中，通過對機械發展史的引入，把古代的指南車，現代的天宮、蛟龍、國產航母、國產大飛機、超級計算機、北斗等融入課堂，培養學生主人翁意識，樹立愛國情懷、民族自豪感，引導學生對國家制造裝備、智能制造政策、核心價值觀的認同。教師通過自身言行樹立榜樣，用豐富的專業知識和人格魅力去贏得學生的尊重，潛移默化地影響學生的職業素養和人生觀[6-7]。通過對常見機構的講解，引導學生去探索身邊的各種機構，培養理論和實踐結合的學習習慣和思維方式。在機構創新中，通過對創新意義的講解，讓學生明白創新要符合社會發展的需求，不能為了自身利益做一些對社會和他人無益的事情，讓學生把安全、法律、規范放在心里，培養學生的法律意識和規范意識。

2.3 轉變學生學習理念

傳統教學中，學生習慣了老師安排什么做什么。那么在“新工科”背景下，老師是引導者，學生要能自己在老師的引導下進行學習。比如課前的預習，老師安排了任務，但只給出了時間段，學生要自己根據自己的時間和學習習慣去安排學習。如果安排了拓展型的設計作業，那么小組中的同學要互相協調進行任務的安排。引導作為學習主體的學生轉 變被動學習的習慣，做好時間規劃和管理，通過團隊協作、查閱資料、分析問題和解決問題從而完成項目。

2.4 優化考核評價方式

“機械原理”課程在整個機械課程體系中對培養學生的創新能力有著很重要的作用，所以考核方面要能體現學生的創新能力[8-10]。傳統的考核中分了平時、實驗、考試三部分。但是，以往的考核方式存在問題比較大的是平時成績和實驗成績，對學生的過程性考核做得比較粗糙，不能有效體現學生的個體差異和學習習慣。那么在考核方式的優化中，一方面要對學生的基礎理論知識進行考核，另一方面要對學生創新能力進行考核。考核評價方式優化后，平時成績占30%，實驗成績占20%，考試成績占50%。

過程性考核可以利用信息化的技術手段，對學生平時在課前的預習習慣、課后的作業習慣、參加討論的習慣、課中對問題的回答和理解、小組活動中的表現進行有效統計；對于創新能力，從小組活動、同組同學之間的打分、教師的觀察等各方面進行考核。傳統的實驗考核中只是以實驗報告的形式進行考核，而實驗報告也只是針對實驗目的、實驗內容、實驗方法的考核，對學生的實驗習慣、解決問題的能力沒有進行考核，所以在優化考核方式時要把實驗習慣、分析和解決問題的能力體現出來。

3 結語

綜上所述，課題組從“新工科”對傳統工科專業提出新要求的角度出發，分析了“機械原理”課程中存在的一些問題，根據多年的教學經驗，提出了應該從教學內容整合和取舍、教師自身綜合素養的提升、引導學生改變學習習慣、以學生的發展為中心的教學設計和評價體系進行課程的建設，概括講就是以新工科為背景、以學生的發展為中心、以立德樹人為目標的課程建設，以期提高教學質量。