新工科背景下機械設計類課程教學改革與探索

摘"要：機械設計類課程實驗涵蓋了機械制圖、機械原理以及機械設計等多門學科，提高課程實驗的教學質量，對培養學生分析和解決工程實際問題的能力，提高學生的創新及實踐能力，具有十分重要的作用。本文針對機械設計類實驗課程目前存在教學內容及教學過程固化，偏重自身完整性，不能滿足新工科背景下培養復合型的新型人才的需求等問題，提出了以機械設計類實驗課程結合機器人技術開展交叉融合實驗的實踐教改措施。結果表明，以賽促教的教學改革措施取得了顯著成效，提高了學生分析解決實際工程問題的能力和人才培養的質量。

關鍵詞：新工科；機械設計類專業；課程實驗；教學改革

中圖分類號：TH122；G641""文獻標識碼：A

Abstract：The"experiment"of"mechanical"design"course"covers"many"subjects"such"as"mechanical"drawing，mechanical"principle"and"mechanical"design，all"of"which"contribute"significantly"to"improving"the"course"experiment's"teaching"quality，training"students'"ability"to"analyze"and"solve"practical"engineering"problems，and"improving"students'"innovation"and"practical"ability.This"paper"addresses"the"issues"currently"present"in"mechanical"design"experimental"courses，such"as"rigid"teaching"content"and"processes，and"a"focus"on"selfcontained"completeness"that"fails"to"meet"the"demand"for"cultivating"versatile"new"talents"under"the"new"engineering"education"paradigm.It"proposes"practical"educational"reform"measures"by"integrating"mechanical"design"experimental"courses"with"robotics"technology"to"conduct"interdisciplinary"experiments.The"results"indicate"that"the"teaching"reform"measures，which"promote"teaching"through"competitions，have"achieved"significant"success，improving"the"quality"of"talent"cultivation"and"enhancingnbsp;the"ability"to"analyze"and"solve"practical"engineering"problems.

Keywords：New"engineering"education；mechanical"design"major；course"experiments；teaching"reform

隨著人工智能、大數據、深度學習、虛擬現實等新技術的蓬勃發展，社會對高素質復合型應用型人才的需求不斷提高。為了更快地與世界接軌，在“新工科”背景下，我們應建立多學科交叉融合的新型人才培養模式，培養具有創新能力的高素質應用型人才來滿足經濟社會發展的需要，讓更多的“中國制造”變成“中國創造”［13］。

機械設計類專業的基礎核心課程主要有“機械設計”“機械原理”“工程制圖”“材料力學”等［4］，這些課程的開展有利于提高學生的專業基礎知識和實踐能力，但目前仍存在課程內容結構固化的問題，導致與之配套的實驗課程不能有效地開展。此外，這些實驗課程往往過于偏重自身完整性，缺乏與其他學科的交叉融合，從而難以培養出復合型的新型人才。為此，一些學者進行了一些課程改革。林旭［5］通過結構化調查問卷的方式對“機械設計基礎”課程進行學情分析，在此基礎上運用ANSYS軟件開展線上線下混合教學模式，提高了學生的學習興趣、實際操作能力和互動性。唐斌等［6］針對“機械原理”課程在選題、設計、考評等方面存在的不足，提出了對“機械原理”課程設計進行教學改革的一些思路和建議，培養了學生的興趣愛好、實踐能力和工程意識。盧文娟等［7］針對學生個性差異大、教學內容陳舊、教學模式固化等一系列問題，提出基于OBE教育模式對課程內容和課程體系進行建設與改革，提高了學生的創新能力和解決實際工程問題的能力。以上研究主要是針對基礎課程和課堂的教學改革，目前對于實驗課程的改革及其與其他學科交叉融合的研究相對較少。為此，本文將探討在新工科背景下，如何在機械設計類實驗課程中進行教學改革與實踐。

1"機械設計類實驗課程的教學現狀與存在的問題

1.1"機械設計類實驗課程的教學現狀

機械設計類基礎實驗包含了“機械制圖”“機械原理”以及“機械設計”等三門機械類學生必須掌握的必修課程的系列實驗［8］，這些實驗可以讓學生加強對機械結構、原理的認知，掌握專業技能，培養學生的創新思維、動手能力以及分析解決實際工程問題的能力，為機械設計類基礎實驗教學的順利開展提供重要保障。

然而，隨著社會對高素質的復合型人才的需求不斷增多，對學生的創新能力和實踐能力也提出了更高的要求。目前，單一的實驗課程和實驗內容不能激發學生的學習興趣，從而導致學生的學習效率低下，難以滿足新工科背景下對工程人才素質和能力的需求。機械設計類實驗課程存在的問題主要體現在以下幾個方面。

1.2"機械設計類實驗課程存在的問題

1.2.1"教學內容單一，過程僵化

雖然機械設計類實驗課程已經獨立，但教學內容仍以輔助教學的驗證性實驗為主，且實驗內容都是經過驗證的經典實驗，教學內容單一［9］。此外，實驗內容趨向于驗證性實驗代替探究性實驗，實驗教學趨向于模擬實驗代替演示性實驗，教學方式趨向于講實驗代替做實驗，最終導致與工程實際脫節等問題，學生實踐能力提升有限，難以達到新工科對現代大學生的要求。

1.2.2"實驗內容單一，缺乏創新

機械類實驗課程在培養學生的基礎技能和理論知識方面發揮了重要作用，然而，過于注重自身結構的完整性，而忽視了與其他學科的交叉融合實驗，從而缺乏將所學基礎知識應用到機器人技術、流體運動控制等新興學科的能力。這種局限性不僅限制了學生的創新思維和跨學科能力的發展，也影響了機械類專業與現代社會需求的對接。

2"教學改革與實踐

為了應對這一挑戰，我們需要積極推動機械類實驗課程的改革與創新。

2.1"教學改革

2.1.1"優化教學過程

傳統的教師講學生聽這種固化的授課過程已經不能適應新工科背景下培養人才的需求，教師應采用以學生為中心的教學方法，通過如翻轉課堂、合作學習等方法優化教學過程，提高學生的學習興趣。提前下發實驗指導書，制定合適的實驗室使用規則，讓學生有充足的時間了解實驗設備的使用方法，并在原有實驗的基礎上開展創新性實驗設計。充分利用現代教學資源，采用線上線下相結合的綜合教學方法［10］。先利用云平臺技術［11］，讓學生模擬試驗過程，增加試錯成本，激發學習興趣。在學生熟悉試驗過程后，再結合線下實驗室開展實驗，這樣不僅能加深學生的印象，在完成實驗的同時鍛煉學生的團隊協作能力和創新意識，豐富現有教學手段，而且有助于進一步開展創新性實驗的設計。

2.1.2"探索與其他學科的交叉融合實驗

加強機械類專業與其他學科的交流與合作，如計算機科學、電子工程、材料科學、機器人技術等，共同設計跨學科實驗項目，讓學生在實踐中掌握多學科知識，將所學專業知識應用于解決實際工程問題，培養學生綜合解決問題的能力。同時，引入更多具有實際應用背景的實驗項目，讓學生了解機械類專業在現代社會中的應用和發展趨勢，激發他們對專業的興趣和熱情。同時，通過參與實際項目，學生還能更好地掌握實驗技能和方法，提高實驗數據的準確性和可靠性。

2.1.3"以賽促教

注重培養學生的創新思維和實踐能力。通過引導學生參與科研項目、創新實驗等活動，讓他們在實踐中發現問題、解決問題，培養其獨立思考和解決問題的能力。同時，鼓勵學生參加學科競賽、創業實踐等活動，鞏固應用知識的同時拓寬他們的視野和知識面，提高其綜合素質和競爭力。反過來，學生在競賽中遇到新問題或看見其他好的設計方案思路時，應及時和教師反饋，從而進一步促進教學的實施。

2.2"實踐

以機械設計類實驗課程結合機器人技術開展交叉融合實驗為例開展試點實踐。我院配備移動機器人、雙足機器人、多足機器人、機械臂等大型機器人實驗設備幾十套，如圖1、圖2所示；開設機器人實驗課程的專用實驗場地面積為500多平方米；具有機器人系統控制原理、機器人機構控制設計原理、機械設計類實踐指導、學科競賽創新指導相關專業教師和實驗教師幾十余人，具備開展交叉融合課程的建設條件。具體的實施過程如下。

首先，通過機械設計類實驗課程的學習，學生能夠了解機械的基本結構和工作原理及設計方法，并在此基礎上融合機器人技術，了解并掌握機器人的結構、組成、功能和工作原理。其次，學生掌握機器人的編程和控制方法，控制單臺或多臺機器人執行任務或進行功能演示。最后，學生運用所學知識結合機器人創新比賽主題，分組設計機器人結構模型及控制系統。

通過實踐，以機械設計類實驗課程結合機器人技術開展交叉融合實驗的教學改革取得了顯著成效。近年來，學生在以“智能機器人在助老助殘等方面的交互設計”“智能機器人助力農業發展，拓展機械設計智能化技術”“機器人仿生設計的應用與實踐”等為主題的比賽中多次獲得省部級以上學科競賽獎，團隊指導的“互聯網+”本科生創意組獲得國家級銀獎。以目標為導向，以學生為中心，將實驗教學與創新創業相融合，形成一個獨立的課程體系，有利于提升學生的工程認知與實踐能力。

結語

本文根據新工科背景下對復合型人才的需求，探討了機械類實驗課程在教學中存在的問題，提出了針對機械設計類實驗課程的教學改革措施，并以機械類實驗課程結合機器人技術開展交叉融合實驗為例開展試點實踐，取得了顯著成效。課程改革培養了學生的創新思維、動手能力以及分析解決實際工程問題的能力，激發了學生的學習興趣，為機械設計類基礎實驗教學的順利開展提供了重要保障。

參考文獻：

［1］孫小路，李國平，周春俠，等.新工科背景下礦業類機械設計基礎課程改革與探索［J］.創新創業理論研究與實踐，2024，7（1）：5254+64.

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［5］林旭.基于ANSYS的《機械設計基礎》線上線下混合教學探索［J］.機械管理開發，2024，39（2）：9194.

［6］唐斌，劉征宏，鄭俊強，等.強化實踐內容的“機械原理”課程設計教學改革［J］.南方農機，2024，55（4）：192194.

［7］盧文娟，曾達幸，王帥，等.新工科背景下機械設計基礎課程教學創新研究［J］.高教學刊，2024，10（6）：6972.

［8］徐春明，周艷，孫瑛，等.基于“卓越計劃”的《機械設計基礎》實驗教學改革探索［J］.教育教學論壇，2019（5）：269272.

［9］任小勇，劉雨薇，李秀明，等.“以學生為中心”的機械原理實驗課程教學改革探索［J］.中國現代教育裝備，2022（21）：115117.

［10］申會鵬，曹毅，丁浩，等.新工科背景下的機械原理課程改革初探［J］.機械工程師，2022（7）：4649.

［11］陳清奎，魏鑫鑫，何芹，等.基于“VR+云平臺”的機械類專業實驗教學模式改革與實踐［J］.實驗技術與管理，2020，37（7）：14+30.

基金項目：教育部實驗教學和教學實驗室建設研究項目“構建‘政、理、實、創、研、用’一體化機械類專業實驗教學體系研究”（SYJX2024041）；示范性實驗項目建設立項項目（SFSY2023002）；專創融合課程建設項目“機器人系統綜合實踐”（ZC2023006）；專創融合課程建設項目“機電專業創新實踐”（ZC2023003）；內蒙古工業大學機器人工程專業優秀教學團隊

*通信作者：蘭月政（1985—"），男，漢族，工學碩士，碩士生導師，高級實驗師，主要從事機械設計類課程教學研究。