卓越工程師培養(yǎng)背景下的 《機(jī)械原理》建設(shè)實踐

李公法，孔建益，蔣國璋，熊禾根

孫 瑛，鄒光明，侯 宇，湯 勃 （武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，湖北武漢430081）

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是貫徹落實 《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要 （2010～2020年）》的重大改革計劃，是教育部 “十二五”期間 “本科教學(xué)工程”的重要組成部分，該計劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)?；诖四康?，武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院依托學(xué)科與專業(yè)優(yōu)勢，通過實施 “卓越計劃”，致力于培養(yǎng)符合時代要求的卓越機(jī)械工程師。機(jī)械卓越工程師培養(yǎng)的需求，勢必對 《機(jī)械原理》精品的建設(shè)提出了更高的要求。下面，筆者基于機(jī)械卓越工程師培養(yǎng)的需求，對 《機(jī)械原理》課程建設(shè)進(jìn)行了探討。

1 《機(jī)械原理》課程教學(xué)改革的總體指導(dǎo)思想

《機(jī)械原理》課程教學(xué)改革的總體指導(dǎo)思想為：教改是先導(dǎo)，科研是動力，教材是基礎(chǔ)，課件是手段，實踐是關(guān)鍵。以教學(xué)研究和教學(xué)改革項目為先導(dǎo)，從最初的自發(fā)教學(xué)改革，到校級、省級、教育部的教學(xué)研究和教學(xué)改革項目，培育對 《機(jī)械原理》教學(xué)改革的理念；以顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)學(xué)、受控五桿機(jī)構(gòu)學(xué)、高副及高級別機(jī)構(gòu)運動分析方法等科研項目研究為動力，提升對 《機(jī)械原理》教學(xué)改革的能力，提高科研成果轉(zhuǎn)換教學(xué)資源率；以撰寫并出版獨具特色的 “全解析法”教材為契機(jī)，奠定 《機(jī)械原理》教學(xué)改革的基礎(chǔ)，鎖定教學(xué)研究和教學(xué)改革的成果；以編寫依據(jù)特色教材和多年教學(xué)研究成果的多媒體課件為目標(biāo)，展示教學(xué)研究和教學(xué)改革成果，豐富教學(xué)內(nèi)容和手段；以國家級機(jī)械實驗教學(xué)示范中心和創(chuàng)新基地的建設(shè)為依托，改善 《機(jī)械原理》實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，從而將學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)落到實處。

通過 《機(jī)械原理》課程建設(shè)，創(chuàng)新教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段以及教學(xué)環(huán)境，以點帶面，從一門課程的突破，帶動其它專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課程的改革，進(jìn)而促進(jìn)整個專業(yè)的改革，真正將人才素質(zhì)培養(yǎng)的目標(biāo)落到實處。

2 教學(xué)方法

《機(jī)械原理》課程內(nèi)容豐富，涉及面廣，學(xué)生對該課程學(xué)習(xí)的好壞、對有關(guān)知識點掌握的熟練程度，以及有效地實施相關(guān)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)等將直接關(guān)系到機(jī)械專業(yè)學(xué)生運用專業(yè)知識解決實際問題的能力［1］。因此，如何制定教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教材建設(shè)的改革是 《機(jī)械原理》課程建設(shè)的核心。

針對機(jī)械學(xué)科的發(fā)展，在課程建設(shè)中，基于機(jī)械工程自動化、機(jī)械電子和車輛工程等專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，通過制定合理的課程結(jié)構(gòu)體系、不斷更新教材內(nèi)容、改善實驗教學(xué)條件、優(yōu)化師資隊伍等措施，從而逐步形成了一套科學(xué)、先進(jìn)、完整的課程教學(xué)體系。同時，在教學(xué)過程中，采用靈活、互動性的教學(xué)方法，實現(xiàn)了理論教學(xué)與實踐教學(xué)、課堂講授與網(wǎng)絡(luò)自學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式。

2．1 靈活運用現(xiàn)代化教學(xué)平臺

利用現(xiàn)代信息技術(shù)，制作電子教案和課件，利用多媒體輔助教學(xué)，結(jié)合黑板板書，既增加課堂的信息量，又不至單調(diào)枯燥。將54萬字 《機(jī)械原理》共制作圖表231組、計畫面3286幅的多媒體教學(xué)課件，該課件體現(xiàn)了可讀性、內(nèi)容與講述的同步性、畫面得體變換、層層顯示突出重點、便于記錄等特點，使無聲的教材活躍在屏幕。在課件中對于需要記錄的語句力求簡短精煉并特別注明，還留有相應(yīng)的記錄時間。該CAI課件具有理論推導(dǎo)的同步性、實際工程機(jī)械運動的可視性、實驗和加工過程的演示性，用具體生動的畫面描述理論原理，并融合啟發(fā)式教學(xué)法、模式教學(xué)法、準(zhǔn)實踐教學(xué)法、設(shè)疑教學(xué)法等豐富的教學(xué)方法，有效調(diào)動學(xué)生積極參與學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生積極思考，開展研究性學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力發(fā)展。利用該CAI課件，提高了授課質(zhì)量和教學(xué)效率，使學(xué)生輕松、愉快地學(xué)習(xí)，加深對基本概念、基本原理的理解，牢固掌握各種分析和設(shè)計方法，提高對知識的掌握程度。

2．2 合理應(yīng)用ABCD法

《機(jī)械原理》課程各教學(xué)環(huán)節(jié)的安排均遵循由感性到理性，再由理性到應(yīng)用這一認(rèn)識過程。根據(jù)課程特點在教學(xué)中運用了啟發(fā)式教學(xué)法、模式教學(xué)法、設(shè)疑教學(xué)法、準(zhǔn)實踐教學(xué)法等教學(xué)方法，簡稱ABCD 法［2］。

1）啟發(fā)式教學(xué)法 將以往教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的學(xué)生最易出現(xiàn)錯誤的問題或是教材的重點、難點問題，采用自問、提問、討論等多種形式的畫面變換啟發(fā)思維與求知欲望，使學(xué)生集中精力地參與教學(xué)，畫面變換應(yīng)使提問和討論由淺入深由表及里地逐步進(jìn)行直到問題解決。這種由講述到自問、提問、討論的教學(xué)形式和畫面的變換 （包含語言上的輕重、抑揚頓挫地變換），即運用了有意注意與無意注意的相互轉(zhuǎn)換來增強注意力，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情與興趣，達(dá)到引導(dǎo)學(xué)生積極主動思維、提高教學(xué)效果的目的。

2）模式教學(xué)法 將某一理論、原理或概念，按照一定的模式進(jìn)行從感性到理性，從具體到抽象的加工，使其變?yōu)榫唧w的便于理解的圖形。由于新知識和概念是建立在已有的知識和概念基礎(chǔ)上的，因此應(yīng)利用這些直觀的或已知的經(jīng)驗、材料啟發(fā)回憶與新知識、概念有關(guān)的事物，并盡可能地用圖形加以描述使之準(zhǔn)確理解。如在講述 “速度瞬心”概念時，先將一個車輪 （平面剛體）在另一個平面剛體的直線軌道上作純滾動，車輪與軌道接觸點的相對速度為零，即速度瞬心P（已知的經(jīng)驗、材料）；再將兩剛體擴(kuò)大并去掉車輪與軌道，相對速度為零的點P即速度瞬心，且兩剛體任一點均繞P點轉(zhuǎn)動（啟發(fā)新知識、概念），由此得出結(jié)論：已知兩平面剛體上2個重合點的相對速度，則速度瞬心即兩相對速度垂線的交點（從具體到抽象的加工和應(yīng)用）。

3）設(shè)疑教學(xué)法 在講解某一原理、方法、問題時，有意地設(shè)置疑問，然后再講解解決問題的方法，以加深理解。平鋪直敘的講述方法如同平淡的語言一樣很難引起集中思維，只有當(dāng)思維出現(xiàn)波瀾或得出非預(yù)想的結(jié)果時才會引起有意注意而促進(jìn)積極思維和求知欲。設(shè)疑教學(xué)法即在講述問題時有意設(shè)置非預(yù)想的結(jié)果來促進(jìn)腦細(xì)胞的興奮。如講述 “計算機(jī)構(gòu)自由度應(yīng)注意的事項”時，把先講述注意事項后進(jìn)行機(jī)構(gòu)自由度計算得出正確結(jié)論的平鋪直敘的講述方法改為：先讓學(xué)生進(jìn)行機(jī)構(gòu)自由度計算得到錯誤的結(jié)果 （出現(xiàn)問題，引起有意注意），然后動畫演示機(jī)構(gòu)的運動 （確認(rèn)錯誤，引起腦細(xì)胞的興奮），再講述注意事項 （關(guān)注問題的關(guān)鍵），最后計算機(jī)構(gòu)自由度 （解決問題的檢驗，喜出望外）。

4）準(zhǔn)實踐教學(xué)法 《機(jī)械原理》是機(jī)械類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，其教學(xué)內(nèi)容與實際機(jī)械緊密相關(guān)，通過錄像、計算機(jī)模擬、多媒體教學(xué)手段的合理使用，展現(xiàn)實體的特征與動態(tài)、理論原理的推導(dǎo)、實驗的演繹過程，加深對實體、理論的認(rèn)識與理解，可以極大地提高教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)效果。

除了以上的教學(xué)方法外，還大力推廣討論式、研究式教學(xué)法，增加小設(shè)計和小論文，充分激勵學(xué)生探索和研究的熱情，讓學(xué)生學(xué)會科學(xué)研究的方法，把能力的培養(yǎng)落實在實處。

3 實踐教學(xué)

實驗教學(xué)是 《機(jī)械原理》教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，其構(gòu)建了理論教學(xué)與實踐教學(xué)、課堂教學(xué)與課外科技實踐密切結(jié)合的創(chuàng)新平臺。

3．1 創(chuàng)建多層次實驗項目

《機(jī)械原理》課程的實驗環(huán)節(jié)包括基本實驗、綜合實驗和創(chuàng)新實驗。通過這些實驗環(huán)節(jié)不僅可以鞏固理論課的基礎(chǔ)知識，還能培養(yǎng)了獨立科研工作的能力。對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，以課堂教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合、真實實驗與虛擬實驗相結(jié)合、課內(nèi)實驗與開放性實驗相結(jié)合 “三個結(jié)合”思想為指導(dǎo)，依托武漢科技大學(xué)國家級機(jī)械實驗教學(xué)示范中心的軟硬件環(huán)境，建立基礎(chǔ)實驗室、專業(yè)擴(kuò)展實驗室、開放實驗室、大學(xué)生創(chuàng)新基地，創(chuàng)建了基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計型、研究創(chuàng)新型等多層次實驗項目，打造 《機(jī)械原理》多元化實踐教學(xué)平臺，為能力培養(yǎng)與素質(zhì)培養(yǎng)提供堅實的支撐［3］。

3．2 強化工程實踐意識

針對學(xué)生工程實踐意識普遍不足的問題，以冶金行業(yè)中的飛剪機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)爐傾動機(jī)構(gòu)等為對象，進(jìn)行有針對性的示例分析及設(shè)計計算實訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生對行業(yè)機(jī)械的認(rèn)識和工程實踐能力。在實驗中強化實踐意識，如漸開線齒廓基本參數(shù)測量實驗貼近工程實際應(yīng)用、機(jī)構(gòu)組合設(shè)計實驗以工程實物為原型進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析、機(jī)構(gòu)運動與動力學(xué)參數(shù)測量實驗中融入傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理、運動控制等。課程設(shè)計以典型冶金設(shè)備如飛剪機(jī)構(gòu)等為對象，內(nèi)容包括型綜合與尺度綜合，以生產(chǎn)中的設(shè)計工藝參數(shù)為原始條件設(shè)計新型機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行方案的評價與優(yōu)選。

4 考核方式的多元化

機(jī)械原理課程考核方式和成績構(gòu)成為：每月進(jìn)行一次月考，占總成績的20%，平時作業(yè)占30%，課程編程 （1～2個），機(jī)構(gòu)運動仿真編程與機(jī)構(gòu)的三維設(shè)計與仿真，學(xué)生獨立完成或小組完成，占10%，期末考試占40%。月考和期末考試內(nèi)容上具有足夠的覆蓋率，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容重要程度、教學(xué)所需要時間等因素，從內(nèi)容與目標(biāo)兩個維度合理分配權(quán)重，對高級目標(biāo)適當(dāng)增大權(quán)重，對基礎(chǔ)知識考察其理解、應(yīng)用、分析、綜合的能力，并從題型上增加論述題、分析題和創(chuàng)新設(shè)計題，以促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新智能的發(fā)展。課程編程的內(nèi)容設(shè)置上，包括機(jī)構(gòu)運動仿真編程、創(chuàng)新機(jī)構(gòu)或機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計、機(jī)構(gòu)的三維動畫仿真、機(jī)械裝置的制作與工程訓(xùn)練等多種形式，學(xué)生可根據(jù)自己的特長與愛好選擇其中兩種作為課程編程，獨立完成或組隊完成，能夠因材施考，最大限度的調(diào)動學(xué)生的積極性，培養(yǎng)綜合能力。

5 教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)

建設(shè)了 《機(jī)械原理》網(wǎng)絡(luò)教學(xué)網(wǎng)站。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)網(wǎng)站主要包括多媒體課件、實驗教學(xué)、視頻點播、網(wǎng)上自測、網(wǎng)上答疑、課程論壇、課程導(dǎo)學(xué)、教學(xué)改革、教學(xué)信息發(fā)布、往年考題等。教師可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輔助教學(xué)，學(xué)生可進(jìn)行遠(yuǎn)程、自主的學(xué)習(xí)，共享教學(xué)資源。

6 教材建設(shè)

教材是精品課程建設(shè)的基礎(chǔ)。課程組在20多年潛心研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程教學(xué)實際和專業(yè)特點，編寫了一系列適用性強的教材，包括主編的教材、實驗教材以及輔助教材等。其中，主編的教材經(jīng)過了不斷的完善和充實，力求將最新的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和科研成果融入教材中，保證教學(xué)內(nèi)容的前沿性和時代感。創(chuàng)建一本以培養(yǎng)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計和創(chuàng)新能力為主線，采用現(xiàn)代計算方法的全解析法 《機(jī)械原理》是教材改革的方向。

1998年，湖北省首屆教學(xué)名師廖漢元教授和國家教學(xué)名師孔建益教授等主講教師提出了全解析法的教學(xué)改革思想，并將全解析法貫穿于整個教學(xué)環(huán)節(jié)，出版國內(nèi)第一本全解析法 《機(jī)械原理》 （第1版）。該教材主要介紹機(jī)構(gòu)及機(jī)械分析與綜合的幾本理論與方法，注重與現(xiàn)代設(shè)計方法相結(jié)合，在分析與設(shè)計中應(yīng)用了計算數(shù)學(xué)及優(yōu)化的有關(guān)知識與方法，并加強了機(jī)構(gòu)型綜合的內(nèi)容。2007年，對第1版教材的內(nèi)容進(jìn)行了修正和更新，出版了 《機(jī)械原理》（第2版）。2013年，出版了 “十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材 《機(jī)械原理》（第3版）。該教材在原有教材的基礎(chǔ)上，建立以機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計和培養(yǎng)創(chuàng)新能力為主線，以設(shè)計程序為順序選擇和安排教學(xué)內(nèi)容的教材新體系，對圓柱齒輪機(jī)構(gòu)和受控五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了較大的修改，并針對其他各章節(jié)在使用中發(fā)現(xiàn)的錯誤和不足進(jìn)行了修訂，從而保證了教學(xué)內(nèi)容的新穎性。教材內(nèi)容應(yīng)與時代發(fā)展相適應(yīng)，更新的內(nèi)容主要包括機(jī)構(gòu)型綜合的創(chuàng)造技法 （數(shù)值分析的機(jī)構(gòu)型綜合連桿組合法）、高級別機(jī)構(gòu)的newton－raphson迭代法、高副機(jī)構(gòu)及兩自由度機(jī)構(gòu)的運動分析、將圓柱齒輪機(jī)構(gòu)改為以變位齒輪為主線編寫，標(biāo)準(zhǔn)齒輪為其特例、增加 “機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計”、首次提出的考慮摩擦力分析的線性化法、建立平面連桿機(jī)構(gòu)尺度綜合的全解析方法、當(dāng)前機(jī)構(gòu)研究的熱點內(nèi)容：受控五桿機(jī)構(gòu)。近年來，教學(xué)組的教師在教材建設(shè)中傾注大量心血，主編或參編教材多部，形成了主教材、輔助教材 （含課程設(shè)計和實驗教材）、參考教材、多媒體課件有機(jī)結(jié)合的系列配套教材。新的系列教材適應(yīng)教改需要，優(yōu)化了課程體系，吸納了科研新成果，反映了當(dāng)代機(jī)械學(xué)科的發(fā)展方向。

7 師資建設(shè)

由國家名師孔建益教授、湖北省名師廖漢元教授領(lǐng)銜的課程教學(xué)團(tuán)隊由15位成員組成，其中，55歲以下的教師 （14人）均具有碩士或博士學(xué)歷，其中9人具有博士學(xué)位，占教師總數(shù)64%；教授3人，副教授 （含高工）8人，講師 （含工程師）4人，具有高級職稱的教師占教師總數(shù)的73%；50歲以上2人，40－50歲6人，30～40歲7人；從外校畢業(yè)的教師8人，其中從外校畢業(yè) （德國漢堡國防大學(xué)、華中科技大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等）的博士5人，碩士3人，占整個師資隊伍的53%。另長期聘請中石油勘探院蘇義腦院士為本學(xué)科特聘教授，指導(dǎo)并參與該課程的建設(shè)。課程團(tuán)隊的構(gòu)成層次分明，連接緊密；團(tuán)隊成員專業(yè)特色突出，優(yōu)勢互補；團(tuán)隊成員年齡結(jié)構(gòu)合理，老中青結(jié)合；團(tuán)隊成員職稱層次合理，配合有效；團(tuán)隊成員學(xué)緣分布廣泛，充滿活力。團(tuán)隊發(fā)展以教學(xué)為基礎(chǔ)，以科研為導(dǎo)向，以教學(xué)中的需求促進(jìn)科研發(fā)展，以科研中的成果反哺教學(xué)，學(xué)研互動，兩者的共同作用保證了團(tuán)隊教學(xué)與科研緊密結(jié)合。

課程組中資深教授和教學(xué)名師甘為人梯，對青年教師言傳身教，關(guān)心備至。青年教師為導(dǎo)師助課，經(jīng)歷教學(xué)全過程。通過 “傳幫帶”，青年教師的教學(xué)水平迅速提高，優(yōu)秀的教學(xué)經(jīng)驗得以薪火相傳。通過多年的培養(yǎng)教育和一線教學(xué)科研實踐，課程組90%以上的青年教師成為了教學(xué)骨干，5人在學(xué)校教學(xué)比武中獲一、二等獎，獲學(xué)校教學(xué)優(yōu)秀獎達(dá)8人次，1人晉升正教授，5人晉升副教授。

8 結(jié) 語

考慮機(jī)械卓越工程師的培養(yǎng)需求，經(jīng)過多年的國家精品課程的建設(shè)，《機(jī)械原理》基于機(jī)械學(xué)科的發(fā)展和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，做到了規(guī)范化、制度化和網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)過程。另外，積極開展各項教學(xué)研究工作，積極與國內(nèi)其他高校進(jìn)行教學(xué)交流和研討，吸取先進(jìn)的教學(xué)理論和經(jīng)驗，不斷地更新和充實教學(xué)內(nèi)容和方法，保證了精品課程的可持續(xù)發(fā)展。在教學(xué)過程中，嚴(yán)格執(zhí)行教學(xué)督導(dǎo)和學(xué)生的教學(xué)評價制度，教學(xué)效果及時反饋，保證了教學(xué)質(zhì)量。

［1］廖漢元，孔建益 ．機(jī)械原理 ［M］．第3版 ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013．

［2］孔建益，侯宇，楊金堂，等 ．“五橫五縱”矩陣型機(jī)械原理教學(xué)模式的探索與實踐 ［J］．武漢科技大學(xué)學(xué)報 （社會科學(xué)版），2009，11 （1）：101－104．

［3］侯宇，孔建益，楊金堂，等 ．機(jī)械原理多元化實踐教學(xué)體系研究 ［J］．中國冶金，2011（2）：33－36．