機械原理課程高階教學模式探索與實踐
——以運動副的分析與設計為例

張 涵，馬雪亭，趙 軍，丁 羽，王海明

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆維吾爾自治區 阿拉爾 843300）

1 問題提出

基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求，國家提出新工科3E（Emerging Engineering Education）這一工程教育改革方向。其理念是應對變化，塑造未來；要求是培養未來多元化、創新型卓越工程人才，對我國工程教育提出全新要求[1]。本科工程教育的核心目標是聚焦培養學生解決復雜工程問題的能力，復雜問題最主要特征是必須運用深入的工程原理經過分析才可能解決。這就要求理論教學必須包括足夠深入的基本原理，而且強調使學生學會分析和使用的典型思想和方法，從而使學生具備扎實的理論基礎，以及分析問題的能力[2]。可以看出，新工科、工程教育認證都注重培養學生面向未來的工程能力，強調學生解決復雜工程問題的能力。工程能力是工程人才知識儲備和能力結構的綜合體現，除了相應的知識儲備，重要的是利用基礎理論知識分析、解決工程實際的能力以及創新能力，包括知識儲備和能力結構兩個層面。

機械原理課程作為機械類專業一門必修的基礎課，是研究機器與機構基礎理論與方法的學科，是未來工程師和產品開發者必須學習和掌握的技術基礎課程，適應各類機械專業知識學習和從事各類機械技術及管理工作，在培養高級工程技術人才的全局中，具有重要的教學和人才培養作用。

地域差異、學校差異、學生差異，如何考慮這些差異，同時考慮新工科、國際工程教育認證背景，探索符合機械原理課程特點的教學模式，歷史性地擺在了人們面前，進行這方面的討論研究十分重要。

2 高階教學模式的探索

機械原理（機構學）的主要任務是通過對機構分析和綜合方法的研究，最終實現新機構的設計。機構設計本身則是一個不斷進行綜合、分析和決策的過程[3]。可以看出，新機構設計或對已有機構進行分析、評價時，必須在掌握機構基礎知識即記憶、理解、應用之上，進行分析、評價和創造才能完成。

高階思維HOTS（Higher-Order Thinking Skills）源于布魯姆等人的認知分類學，該理論將學習目標從低到高分成6 類：記憶、理解、應用、分析、評價和創造，前3個屬于低階層面，后3個屬于高階層面。高階思維主要解決劣構問題，體現的是學習者的問題求解能力、決策能力等方面。讓學習者投入到需要運用高階思維的學習活動稱之為高階學習，與之匹配的教學模式是高階教學模式。通過高階學習的高階知識是一種獲取新知識的能力、水平和方式[4]，其特征是學生主體、教師主導、探究與創新等，這與本課程培養目標高度吻合。

高階教學模式的高階性，首先體現在教學理念的先進性。作為工程教育，其理念應該是既符合工程本質屬性，又能體現學生中心的特征。因此，借鑒目前工程教育先進的實踐教學理念，強調“做中學”“學中做”“做中思”“思中做”“學思結合，知行統一”，最終做到“不教而教”“教為不教”[5]。

高階性還體現在教學內容上，結合工程實際，創設工程環境，具有開放性特征。高階性最終落實在教學方法上，新工科、工程教育認證要求學生“終身學習”，所以，學生必須“會學”。因此，采用探究式、啟發式等教學方法，調動學生學習的積極主動性，引發學生思考，最終做到“不教而教”“教為不教”。

綜上所述，只有構建“理論教學—實驗課—設計訓練—課程設計—學科競賽”五位一體的高階教學模式，才能逐步培養學生解決復雜工程問題能力。

3 高階教學模式的實踐

運動副作為組成機構的基本元素，機構的運動和動力傳遞，都是通過運動副進行；運動副的摩擦、磨損，直接影響機構運行的效率；運動副的間隙直接影響機構的運動性能和動力性能，尤其是在高速、重載、精密機構中，運動副間隙的影響更大[6-12]。所以，在對已有機構進行分析、評價及新機構設計整個過程中，運動副的相關知識及其應用至關重要。但是，囿于知識體系的完整性和教材的篇幅限制，運動副的內容僅限于簡單的理論介紹，未涉及運用該知識點的相關內容分析、評價現有機構等內容，不能培養學生分析、評價、創新的工程意識和工程能力。為此，引入高階教學模式進行實踐。針對高階教學模式特點，在理論教學、設計訓練等環節，教學內容結合工程實際分別設置辦開放、開放的工程問題，探索完整的問題復雜性漸進式遞增的高階性學習模式。

3.1 理論教學

實踐教學理念下的理論教學強調的是主動思考，核心是學思結合。為了激發學生學習的興趣并引發學生積極思考、主動學習，采用探究式、啟發式、討論式、參與式等相結合的教學方式講授。將“灌輸課堂”轉換為對話課堂，實現知識對話，思維對話；將知識課堂轉換為能力課堂，建設能力導向，突出能力培養。

基于此，對教學內容、教學步驟、教學方法進行設計。選取工程普遍使用、學生接觸較多的動力機械——內燃機包含的幾個典型的運動副為例講述，并分別從加工、制造、機構運行、特殊工程環境下運動副的材料及類型選擇等環節創設工程環境，安排、設計教學內容。同時，結合學生認知規律，按照由簡單到復雜，由具象到抽象進行遞推式講述。依據教學內容，采用不同教學方法分別進行。

3.1.1 概念的引入

先播放內燃機實體的工作視頻，再播放模型動畫，同時結合實物模型，讓學生觀察其組成和運動，引出運動副的概念。

3.1.2 概念的理解與分析

（1）引導學生觀察并思考。曲柄與連桿、連桿與活塞、齒輪之間的運動形式、組成運動副的元素是否一致？哪一種承載能力更強？

（2）學生總結。總結出轉動副、移動副、齒輪副概念，并且判斷低副——因為運動副元素為面面結合，承載能力更強。

（3）學生思考。引入自由度和約束概念，對照模型動畫，一起分析這幾個運動副分別是幾級副。同時引導學生思考運動副對機構運動約束個數不同，哪一種更容易實現復雜運動規律？

3.1.3 概念的分析與評價

（1）教師發問。從運動副的加工、制造角度，低副與高副哪種容易加工并且更容易裝配、保證運行精度？實際工程機構中由于制造、裝配誤差，運動副中尤其是轉動副軸不可避免地存在間隙，對機構運動、動力學是否有影響?

（2）學生討論。曲柄與連桿之間的轉動副、連桿與活塞組成的滑動副，兩者之間的摩擦分別屬于什么性質，運行過程中，哪種效率高？設計機構時，優先選擇轉動副還是滑動副？

（3）歸納總結。運動副在制造、裝配環節不可避免地存在誤差，運行過程中由于摩擦、磨損存在，造成運動副的間隙不均勻、運動副的構件間歇性接觸，導致機構產生沖擊、碰撞和噪聲；導致機構運動軌跡偏離預期軌跡，使機構運行精度下降，甚至失效。

3.1.4 創新思維培養

（1）啟發學生。在現代機械日趨精密、高性能、高效率的今天，諸如宇航、機器人、光學等領域，選用何種運動副，才能做到無摩擦、無磨損、無間隙、無噪聲？引出柔性鉸鏈、柔性機構的概念，并且讓學生在自己身體上、自然界動物身上尋找柔性機構，加深對柔性鉸鏈及柔性機構的理解。

（2）教師發問。在特殊環境比如同時具有高壓、腐蝕、低溫的海洋環境，高溫、強振動、超重工作環境下的航空航天機構，運動副的材料怎么選擇？啟發學生創新思維。

結合工程實際，通過啟發式、探究式、組合式的教學方法，激發學生的學習興趣和熱情，調動學生的積極思考意識。同時做到“學中思”“思中學”，記住運動副及其分類的基本知識，同時初步具備運動副分析、評價能力。

3.2 設計訓練

為加深對運動副的進一步認知，運用理論課的知識對具體工程實際的分析和評價，設置設計訓練環節。課后一道習題，因為其自由度為0 不能運動，讓學生進行方案修改，要求至少給出4 種修改方案，并結合運動副的相關知識，分析幾種不同方案間的優劣，再對具體方案給出總體評價。該環節學生分組進行，組內分工協作，相互補充，組間相互質疑。鞏固對基礎知識的理解，提升工程問題的分析能力。

3.3 實驗課

實踐教學理念下強調的是主動實踐，是“做中學”“做中思”，既動手又動腦的主動實踐。設計訓練結束后安排一次實驗課，設計訓練環節給出的修改方案，在實驗平臺搭建具體機構，并結合其運轉情況，驗證理論上對具體機構的分析、評價。學生動手搭建機構，親身感受到機構組成過程，對運動副的認知、分析、評價能力得以落實到工程實際。

3.4 課程設計

理論教學、設計訓練環節獲得的相關知識、思維等，需要在工程實際中得以落實和提升。學期結束，在課程設計環節，結合工程實際設置不同設計題目，學生按照不同的功能、使用要求，擬定機構運動方案、分析工作原理，然后進行機構選型、機構綜合。在具體機構選型、機構設計過程中，結合工程實際，運用運動副的相關知識及分析、評價能力進一步提升，創新能力得以培養。

3.5 學科大賽

結合全國三維數字化創新設計大賽、大學生創新創業訓練計劃項目、互聯網+等學科競賽，學生分析、評價能力最終提升，創新能力進一步增強。

4 教學效果

通過高階教學模式探索，具體落實到運動副這一知識點講述上的實踐，學生扎實掌握了這一知識點，并養成了運用理論基礎知識分析、評價機構性能、方案優劣的能力。設計訓練環節給出不同修改方案，而且分析、評價到位，后續的課程設計方案分析比較正確，之前方案雷同、機構簡單組合、堆積的現象幾乎消失，并且學生參加學科競賽人數、獲獎人數明顯提高。

5 結語

機械原理課程是機械類專業學生必修的一門專業核心課，結合新工科、工程教育專業認證，探索了適合于本課程特點的高階教學模式，并結合課程中重要的知識點——運動副進行實踐。得出以下結論：一是高階教學模式能培養學生的高階思維，適合新工科、工程教育專業認證背景下工科學生的培養要求，學生工程能力逐步培養完成；二是高階教學模式，學生自主學習意識、能力得到培養，最終達到“教為不教”的教學目的。