新工科背景下機(jī)械原理及設(shè)計(jì)課程體系探索*

高曉輝 仝曉萌 劉永光

北京航空航天大學(xué) 北京 100191

0 引言

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，對一些傳統(tǒng)工科專業(yè)進(jìn)行升級改造，著力培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。在此背景下，很多高等院校根據(jù)自身特色，建立了“機(jī)器人工程”新專業(yè)，服務(wù)國家機(jī)器人工業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展需求，培養(yǎng)具有社會責(zé)任感，掌握機(jī)器人工業(yè)基礎(chǔ)知識并具有實(shí)踐創(chuàng)新能力的高素質(zhì)綜合型人才。機(jī)械原理及設(shè)計(jì)專門為機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)，是對傳統(tǒng)非機(jī)械類工科專業(yè)基礎(chǔ)必修課程機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的升級改造，重點(diǎn)補(bǔ)充學(xué)生在機(jī)械傳動與設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識，是完善學(xué)生知識體系不可缺少的重要內(nèi)容。

機(jī)械原理及設(shè)計(jì)作為新工科專業(yè)中一門核心專業(yè)課程，它對機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課的部分教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了增刪，更加注重機(jī)械知識的綜合性與系統(tǒng)性，加強(qiáng)了提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和開闊其國際化視野的內(nèi)容。目前很多專家主要針對機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程體系與教學(xué)方法開展深入的探索研究與改革[1-3]，這對補(bǔ)學(xué)生機(jī)械結(jié)構(gòu)知識之不足、提升學(xué)生實(shí)踐能力起到了重要推動作用。為激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)新與工程應(yīng)用能力，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)在教學(xué)內(nèi)容中融入具有學(xué)校培養(yǎng)特色的項(xiàng)目驅(qū)動方式，取得了良好的教學(xué)效果[4-6]。針對新工科培養(yǎng)需求，對課程理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)分別作了調(diào)整，以提高學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力[7-8]。充分挖掘課程思政元素，在傳授專業(yè)知識的同時，為大學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，也是新工科人才培養(yǎng)中的重要內(nèi)容[9]。盡管機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程根據(jù)新時代人才培養(yǎng)需求一直處于動態(tài)改革探索中，但與新工科人才培養(yǎng)需求還存在一定差距，處于摸著石頭過河階段，其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式與考核方法相對來說還不完善，課程特色不夠明顯，對學(xué)生基礎(chǔ)及其認(rèn)知能力的培養(yǎng)不足，亟須進(jìn)一步探索與改進(jìn)。

為適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)發(fā)展需求，基于機(jī)器人工程專業(yè)特色與學(xué)生知識體系特征，我們對該課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及考核方法上進(jìn)行了全方位改革與探索，以進(jìn)一步提升課程教學(xué)品質(zhì)，夯實(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)知識基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和社會責(zé)任感，提升學(xué)生對綜合知識的運(yùn)用與實(shí)踐創(chuàng)新能力，希望能對高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)模式發(fā)展起到重要推動作用。

1 教學(xué)內(nèi)容研究

1.1 現(xiàn)狀分析

機(jī)器人工程專業(yè)的課程很多都比較側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的控制能力與智能算法運(yùn)用，從課程設(shè)置來看，機(jī)械結(jié)構(gòu)類的課程相對較少。“機(jī)械原理及設(shè)計(jì)”作為一門綜合性機(jī)械類基礎(chǔ)課程，包含了大部分機(jī)械結(jié)構(gòu)類知識內(nèi)容，涉及金屬工藝學(xué)、互換性與測量技術(shù)、機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)等多門專業(yè)課程（圖1），總課程64 學(xué)時（理論學(xué)時58，實(shí)驗(yàn)學(xué)時6），目前教學(xué)內(nèi)容中金屬工藝學(xué)（2 學(xué)時，占比3.1%）、互換性與測量技術(shù)（2 學(xué)時，占比3.1%）、機(jī)械原理（24 學(xué)時，占比37.5%）、機(jī)械設(shè)計(jì)（27 學(xué)時，占比42.2%）、綜合實(shí)踐（3 學(xué)時，占比4.7%）、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（6 學(xué)時，占比9.4%）。該課程教學(xué)內(nèi)容中機(jī)械設(shè)計(jì)部分占比最高，涉及多種通用機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)方法，要求學(xué)生要具備扎實(shí)的理論力學(xué)與材料力學(xué)基礎(chǔ)知識，學(xué)習(xí)難度較大；機(jī)械原理部分占比其次，涉及通用傳動機(jī)構(gòu)的工作原理及技術(shù)特征，對機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的認(rèn)知分析起到指引性作用；金屬工藝學(xué)、互換性與測量技術(shù)這兩部分教學(xué)內(nèi)容相對較少，主要對機(jī)械制造工藝進(jìn)行科普；綜合實(shí)踐主要是從機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，對多種傳動機(jī)構(gòu)與零部件的組合應(yīng)用起到指導(dǎo)性作用；基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)物認(rèn)知與特性分析能力。

圖1 課程內(nèi)容分布

從目前教學(xué)內(nèi)容的分布特征來看，教學(xué)內(nèi)容重理論輕實(shí)踐、重設(shè)計(jì)輕原理、缺乏國際前沿與思政元素、機(jī)器人專業(yè)特色不夠鮮明。由于機(jī)器人工程專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生主要面向智能控制，學(xué)生機(jī)械類基礎(chǔ)知識薄弱，機(jī)械設(shè)計(jì)部分內(nèi)容較多且難度較大，尤其是設(shè)計(jì)理論部分，推導(dǎo)過程復(fù)雜，學(xué)生普遍表示學(xué)習(xí)難度較大，短時間內(nèi)無法掌握；機(jī)械原理部分主要講解通用傳動機(jī)構(gòu)，缺乏機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)與本校培養(yǎng)特色，尤其是有關(guān)先進(jìn)傳動機(jī)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容明顯不足；綜合實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容較少，短暫的實(shí)訓(xùn)課程對提升學(xué)生整體認(rèn)知分析設(shè)計(jì)能力明顯不足；實(shí)驗(yàn)課程比較集中，短時間內(nèi)學(xué)生無法深入感知體驗(yàn)機(jī)械元器件與傳動機(jī)構(gòu)特性；由于課時限制，缺乏先進(jìn)智能制造與機(jī)器人等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。因此，需要結(jié)合機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)及培養(yǎng)目標(biāo)需求，對該課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革與探索。

1.2 教學(xué)內(nèi)容發(fā)展規(guī)劃與改革探索

根據(jù)機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)與培養(yǎng)目標(biāo)需求，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，以講授最基礎(chǔ)的實(shí)用理論為主，以“必需、夠用”為度，突出機(jī)器人工程與本校專業(yè)培養(yǎng)特色，充分挖掘思政元素，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，突出實(shí)用性、動態(tài)性和前沿性，提升學(xué)生綜合實(shí)踐創(chuàng)新能力與社會責(zé)任感。

1）金屬工藝學(xué)（2 學(xué)時）與互換性與測量技術(shù)（2學(xué)時）課時不變，增加機(jī)械制圖3 學(xué)時，2 個學(xué)時用于重點(diǎn)講解裝配圖和零件圖構(gòu)成元素，1 個學(xué)時通過實(shí)際工程案例中裝配與零件圖的繪制將金屬工藝學(xué)、互換性與測量技術(shù)這兩部分內(nèi)容在機(jī)械制圖中進(jìn)行融合體現(xiàn)，提升學(xué)生對這兩部分內(nèi)容的理解與實(shí)踐能力；

2）增加仿生機(jī)器人、柔性機(jī)器人、空間機(jī)械臂等國際前沿機(jī)器人及本校專業(yè)培養(yǎng)方向特色傳動機(jī)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容3 學(xué)時，將機(jī)械原理部分調(diào)整為27學(xué)時，開闊國際前沿視野，啟發(fā)學(xué)生在機(jī)器人領(lǐng)域的創(chuàng)新思維，同時調(diào)整原有教學(xué)內(nèi)容，更加側(cè)重傳動機(jī)構(gòu)工作原理、特性、優(yōu)缺點(diǎn)與實(shí)際運(yùn)用場景的講解，弱化傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；

3）將機(jī)械設(shè)計(jì)部分減少到24 學(xué)時，重點(diǎn)講解通用機(jī)械零件設(shè)計(jì)公式參數(shù)物理意義及其顯性關(guān)聯(lián)因素，簡化理論公式推導(dǎo)過程，降低學(xué)習(xí)難度，弱化機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法，加強(qiáng)通用機(jī)械零部件與本校專業(yè)特色零部件工作原理、特性、優(yōu)缺點(diǎn)與實(shí)際運(yùn)用場景的講解，并通過實(shí)際工程案例對所有機(jī)械零件聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)行串聯(lián)講解；

4）綜合實(shí)踐授課內(nèi)容增加到6 學(xué)時，3 個學(xué)時用于本學(xué)校專業(yè)特色與經(jīng)典機(jī)器人系統(tǒng)工程案例講解，將前期所有學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行有效串聯(lián)，并通過分組的方式布置課程任務(wù)，讓學(xué)生在2 周時間內(nèi)，利用課余時間完成，3 個學(xué)時用于學(xué)生課程任務(wù)展示，教師進(jìn)行點(diǎn)評和學(xué)生互評，提升學(xué)生系統(tǒng)整體認(rèn)知理解分析與設(shè)計(jì)能力；

5）取消集中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分6 學(xué)時，將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)融入理論教學(xué)中，在平時上課過程中，針對每個課程的教學(xué)內(nèi)容，準(zhǔn)備多套教學(xué)工具和機(jī)械零件實(shí)物，通過隨堂講解與展示，進(jìn)一步提升學(xué)生的實(shí)物認(rèn)知，同時講授完課程之后，將教學(xué)工具和機(jī)械零件實(shí)物發(fā)到學(xué)生手中，在2 周時間內(nèi)，利用課余時間進(jìn)一步提升學(xué)生對機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和零部件的認(rèn)知和掌握能力；

6）根據(jù)課程特點(diǎn)，依托國內(nèi)外機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)發(fā)展史，結(jié)合自身科研經(jīng)歷逸聞趣事及實(shí)際項(xiàng)目中遇到的問題與解決方法，充分挖掘思政教育元素，貫穿于課程教學(xué)過程中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和責(zé)任感，實(shí)現(xiàn)“課程思政”元素隨堂融入。

2 教學(xué)模式研究

2.1 現(xiàn)狀分析

當(dāng)前機(jī)械類課程主要采用以教師為主的新媒體教學(xué)方法，普遍存在教學(xué)學(xué)時緊，教學(xué)方式單一枯燥，難以實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動，缺乏互動交流與項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生參與度低、沉浸感差，總體教學(xué)效果不佳的現(xiàn)狀。隨著科技的發(fā)展，多媒體教學(xué)方式不斷推陳出新，教學(xué)模式也相繼發(fā)生改變，傳統(tǒng)的板書教學(xué)理論授課方式逐漸被新媒體教學(xué)方式所替代。為提升教學(xué)效果，盡管教師采用了動畫、三維仿真和視頻等多種新媒體教學(xué)方法，加強(qiáng)教學(xué)互動，提升學(xué)生實(shí)物認(rèn)知與分析理解機(jī)械零部件及傳動機(jī)構(gòu)的能力，但由于涉及教學(xué)內(nèi)容多、各章獨(dú)立松散、連貫性差、知識碎片化嚴(yán)重，且學(xué)生機(jī)械類知識基礎(chǔ)差，普遍存在學(xué)習(xí)熱情不高、多章知識點(diǎn)串聯(lián)困難、實(shí)物特性認(rèn)知與運(yùn)動特性想象能力不足等問題。

2.2 教學(xué)模式發(fā)展規(guī)劃與改革探索

針對機(jī)器人工程專業(yè)授課過程中機(jī)械原理及設(shè)計(jì)教學(xué)模式存在的問題，將多媒體技術(shù)與現(xiàn)代化教學(xué)方法相結(jié)合，探索“以學(xué)生為中心”的多元化混合教學(xué)模式，打造開放式學(xué)習(xí)研討環(huán)境，注重工程實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

1）由于課程理論性強(qiáng)、教學(xué)內(nèi)容多、涉及范圍廣，對學(xué)生空間想象與實(shí)物認(rèn)知能力要求較高，教師應(yīng)合理運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段，采用“圖片+視頻+動畫+三維仿真+實(shí)物案例+實(shí)驗(yàn)演示+板書”多種教學(xué)手段的有效融合，尤其是將機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)與零部件實(shí)物引入課堂，把晦澀難懂的機(jī)械知識立體化，增強(qiáng)教學(xué)的直觀感與沉浸感，使學(xué)生更容易理解課程內(nèi)容。

2）圍繞線上與線下、課內(nèi)與課外、理論與實(shí)踐等多個方位，建立以學(xué)生為中心的“課上講授+課下線上復(fù)習(xí)+分組研討+綜合實(shí)踐”的多元化混合教學(xué)模式，規(guī)范線上線下混合式教學(xué)模式的“教”與“學(xué)”，打造開放式學(xué)習(xí)環(huán)境，做到覆蓋率100%與學(xué)生互動，增強(qiáng)教師與學(xué)生之間、學(xué)生之間的互動互評互測，讓學(xué)生在相互探討與集體學(xué)習(xí)中增強(qiáng)對知識的理解和掌握能力。

3）將具有本專業(yè)特色的科研工程范例轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例引入實(shí)踐課堂，把多種傳動機(jī)構(gòu)與機(jī)械零部件融為一體，解決知識模塊獨(dú)立松散的碎片化問題，同時布置相關(guān)作業(yè)，通過分組分工的方式完成，增強(qiáng)學(xué)生知識運(yùn)用與實(shí)踐創(chuàng)新能力。

4）采用啟發(fā)式與課程任務(wù)驅(qū)動式有機(jī)融合的教學(xué)方法，并將其貫穿整個教學(xué)過程中，同時穿插最新科研成果，動態(tài)構(gòu)建教學(xué)資源。每章學(xué)習(xí)結(jié)束后，布置相關(guān)開放性作業(yè)，增強(qiáng)學(xué)生主動思考的意識，將知識融會貫通的運(yùn)用能力。

3 考核方法研究

3.1 現(xiàn)狀分析

目前該課程和大多數(shù)課程一樣，采用期末考試占70%，平時成績占30%（其中考勤、平時作業(yè)與資源學(xué)習(xí)占20%，實(shí)驗(yàn)成績占10%）的考核方法。以閉卷考試為主的考核方法難免會讓學(xué)生采用集中復(fù)習(xí)、死記硬背的方式，考試完成之后，短暫的記憶很快消失，學(xué)生并未達(dá)到真正理解掌握知識的學(xué)習(xí)效果，實(shí)踐創(chuàng)新能力后勁兒明顯不足。平時成績主要側(cè)重于課堂表現(xiàn)與作業(yè)完成情況，無法真實(shí)體現(xiàn)學(xué)生的理解掌握能力。因此，課程考核方式過于單一，過程性評價明顯不足，學(xué)生求學(xué)熱情低，知識運(yùn)用、實(shí)踐訓(xùn)練與創(chuàng)新能力明顯不足。由于“機(jī)械原理及設(shè)計(jì)”是一門綜合類課程，更加側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的認(rèn)知理解分析與實(shí)踐創(chuàng)新能力，而有效的考核方法不但能夠真實(shí)客觀地評價學(xué)生的理解掌握能力，而且能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，形成良好的教學(xué)氛圍，增強(qiáng)學(xué)生的主觀能動性，對提升實(shí)踐創(chuàng)新能力具有良好的推動作用。

3.2 發(fā)展規(guī)劃與改革探索

為了充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)其實(shí)踐創(chuàng)新能力，我們積極推動以考促學(xué)、以考督學(xué)、教考融合，通過改進(jìn)考核方法來進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，夯實(shí)其機(jī)械類知識基礎(chǔ)，同時以考核作為反饋，對教授的知識點(diǎn)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)方法。

1）將期末考試成績占比調(diào)整為50%，側(cè)重考查學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解掌握能力，減少分析計(jì)算題目的占比，增加多種機(jī)構(gòu)對比特性分析，題目覆蓋每章學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時增加開放類設(shè)計(jì)題目（10分），增強(qiáng)學(xué)生對知識的運(yùn)用能力。

2）增加過程性評價，在總成績中占比20%，主要分為教師測評和學(xué)生互評，對課程任務(wù)的完成程度、所做工作與參與度進(jìn)行綜合打分，細(xì)化考評準(zhǔn)則，激發(fā)學(xué)生的參與度與實(shí)踐動手能力，更加強(qiáng)調(diào)將所學(xué)知識綜合運(yùn)用于實(shí)踐及創(chuàng)新能力的評價。

3）進(jìn)一步細(xì)化占比30%的平時成績評分準(zhǔn)則，構(gòu)建考勤、作業(yè)、回答問題、線上學(xué)習(xí)、課程設(shè)計(jì)等多元化綜合評價方法，側(cè)重課上課下、線上線下與教師之間的互動交流，實(shí)行積分制，及時公布每位學(xué)生的積分，實(shí)現(xiàn)過程性綜合評價，激發(fā)學(xué)生的危機(jī)意識與學(xué)習(xí)熱情。

4 結(jié)論

根據(jù)新工科背景下機(jī)器人工程專業(yè)培養(yǎng)特色及行業(yè)需求，基于學(xué)生理論體系特征與本學(xué)校專業(yè)培養(yǎng)特色需求，我們對“機(jī)械原理及設(shè)計(jì)”課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式與考核方法上進(jìn)行了全面改革探索，克服了傳統(tǒng)教學(xué)的缺點(diǎn)，凸顯了課程專業(yè)特色與時代前沿技術(shù)特征，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了其實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，進(jìn)一步完善了機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，引導(dǎo)鼓勵學(xué)生全面創(chuàng)新發(fā)展。目前，根據(jù)改革方案已經(jīng)完成了新一輪教學(xué)，通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生具備了一定的機(jī)械知識運(yùn)用能力，尤其在最后一輪的課程綜合實(shí)踐中，學(xué)生收獲滿滿，成績比改革前也有一定幅度的提升。