面向卓越工程師計(jì)劃的機(jī)械原理教學(xué)方法改革與實(shí)踐

田桂中 周宏根 李濱城 李純金 王淑妍

[摘 要]面向機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃，進(jìn)行了課程體系梳理和教學(xué)方法改革與實(shí)踐。構(gòu)建了課程間協(xié)調(diào)銜接、章節(jié)間有機(jī)聯(lián)系的教學(xué)內(nèi)容體系，實(shí)踐了基于慧魚(yú)組合模型的機(jī)械系統(tǒng)概念強(qiáng)化、基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的學(xué)生自主學(xué)習(xí)、基于計(jì)算機(jī)和編程技術(shù)的項(xiàng)目式課外大作業(yè)等教學(xué)模式，總結(jié)了教學(xué)改革與實(shí)踐的注意事項(xiàng)。實(shí)踐證明，教學(xué)改革方法激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，可有效培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)、創(chuàng)新能力、工程意識(shí)、科研素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械原理 卓越工程師計(jì)劃 教學(xué)內(nèi)容與課程體系 CDIO 教學(xué)方法改革

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 2095-3437（2015）01-0132-03

機(jī)械原理是機(jī)械類(lèi)和近機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)十分重要的主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，是理論課程向工程實(shí)踐課程轉(zhuǎn)換的過(guò)渡性環(huán)節(jié)，具有增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)械技術(shù)工作的適應(yīng)能力和開(kāi)發(fā)創(chuàng)造能力的作用，在機(jī)械類(lèi)高級(jí)工程技術(shù)人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)系列課程中是不可替代的。[1]但是，傳統(tǒng)機(jī)械原理教學(xué)存在目標(biāo)單一、內(nèi)容陳舊、方法死板、考核簡(jiǎn)單片面等不足，與理論力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)課程間存在教學(xué)內(nèi)容重復(fù)或脫節(jié)、整體協(xié)調(diào)性不足等問(wèn)題[2] [3]，導(dǎo)致教師講課費(fèi)力，學(xué)生聽(tīng)課乏力，教與學(xué)的效果不理想，甚至造成對(duì)立的師生關(guān)系。

學(xué)校針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)國(guó)家級(jí)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”項(xiàng)目的實(shí)施需要，進(jìn)行了基于項(xiàng)目的CDIO教學(xué)模式、基于網(wǎng)絡(luò)資源和創(chuàng)意興趣的自主學(xué)習(xí)模式等教學(xué)方法改革探索與實(shí)踐。本文從機(jī)械原理的課程體系、教學(xué)方法等角度進(jìn)行全面介紹。

一、面向卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建

處理好機(jī)械原理與理論力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課間分工和銜接，不同于機(jī)械制圖與建模、剛體運(yùn)動(dòng)與力分析、零部件強(qiáng)度計(jì)算與校核、材料成型與加工等專(zhuān)一知識(shí)和能力的培養(yǎng)[4]，機(jī)械原理以培養(yǎng)學(xué)生面向機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析能力為主，在機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器動(dòng)力學(xué)和常用機(jī)構(gòu)等基本知識(shí)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，更加注重機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)。[5]處理好機(jī)械原理課程內(nèi)部各章節(jié)間內(nèi)在關(guān)系，機(jī)械原理教學(xué)內(nèi)容可劃分為機(jī)械系統(tǒng)、基本原理和常用機(jī)構(gòu)三大模塊，構(gòu)建各教學(xué)模塊間有機(jī)聯(lián)系，課程體系與教學(xué)模塊關(guān)系如圖1所示。

機(jī)械系統(tǒng)模塊是培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀念的重要途徑，利用完整的機(jī)械系統(tǒng)實(shí)例把課程知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)，貫穿緒論、機(jī)器人機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)等章節(jié)的教學(xué)全過(guò)程，形成閉環(huán)。

基本原理模塊包括結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析、力分析、效率與自鎖、機(jī)械平衡、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)調(diào)節(jié)等章節(jié)，重點(diǎn)講授：1.機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析中機(jī)構(gòu)組成、自由度計(jì)算、組成原理和型綜合等知識(shí)點(diǎn);2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析中解析法;3.平面機(jī)構(gòu)力分析中運(yùn)動(dòng)副總反力和機(jī)構(gòu)受力分析;4.機(jī)械自鎖和速度波動(dòng)調(diào)節(jié)。而與理論力學(xué)等前期基礎(chǔ)課聯(lián)系緊密的運(yùn)動(dòng)分析圖解法采用實(shí)例化教學(xué)，在學(xué)生自學(xué)、練習(xí)、討論基礎(chǔ)上，點(diǎn)明速度影像和加速度影像等知識(shí)點(diǎn);實(shí)踐性較強(qiáng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖、機(jī)械平衡以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主線。

常用機(jī)構(gòu)模塊包括連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、齒輪系和其他常用機(jī)構(gòu)等章節(jié)，重點(diǎn)講授：1.連桿機(jī)構(gòu)中平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖解法和解析法;2.凸輪機(jī)構(gòu)中輪廓曲線設(shè)計(jì)解析法;3.齒輪機(jī)構(gòu)中漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪嚙合定律、嚙合傳動(dòng)、變位齒輪和斜齒圓柱齒輪;4.齒輪系的傳動(dòng)比和效率計(jì)算。而常見(jiàn)多桿機(jī)構(gòu)、凸輪基本尺寸確定、漸開(kāi)線特性、其他常用機(jī)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)以自學(xué)、調(diào)研等自主學(xué)習(xí)方式為主。

二、基于認(rèn)知規(guī)律的“以生為本”教學(xué)方法改革與實(shí)踐

國(guó)內(nèi)眾多高校長(zhǎng)期開(kāi)展機(jī)械原理精品課程建設(shè)，使教學(xué)理論、課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段等研究工作不斷深入，在教材、電子教案、電子教具、教輔參考資料、教學(xué)視頻和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等教學(xué)資源建設(shè)方面進(jìn)展顯著，為機(jī)械原理課程教學(xué)方法改革奠定基礎(chǔ)。

（一）基于慧魚(yú)組合模型的機(jī)械系統(tǒng)概念強(qiáng)化與貫穿

課程學(xué)習(xí)前，利用工程訓(xùn)練中心慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型，讓學(xué)生按照已有拼裝路線親手搭建典型的機(jī)械系統(tǒng)模型，如各種類(lèi)型機(jī)器人，使課程教學(xué)從“積木游戲”場(chǎng)景中開(kāi)始，逐步了解機(jī)械原理所學(xué)的連桿、凸輪、齒輪及齒輪系等機(jī)構(gòu);課程教學(xué)結(jié)束前，要求學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容，自主搭建一個(gè)新型的綜合型機(jī)械系統(tǒng)。學(xué)生能夠全程深度參與課程教學(xué)，實(shí)現(xiàn)寓教于樂(lè)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情。

以學(xué)生自主搭建典型機(jī)械系統(tǒng)模型為課程學(xué)習(xí)對(duì)象，貫穿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析和連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、齒輪系等教學(xué)全過(guò)程。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決其隱藏的科學(xué)問(wèn)題，包括概念理解、問(wèn)題分析、問(wèn)題求解等主要的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，教師承擔(dān)定義闡述、提出問(wèn)題、思路引導(dǎo)、方法總結(jié)和疑難解答等輔助性工作，激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、教師輔助指導(dǎo)的教學(xué)模式。

（二）基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的自主學(xué)習(xí)模式實(shí)踐

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，大學(xué)校園內(nèi)學(xué)生上網(wǎng)便捷快速，機(jī)械原理課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源十分豐富，如國(guó)家精品課程資源網(wǎng)[6]、江蘇科技大學(xué)課程建設(shè)與輔助教學(xué)平臺(tái)[7]、第一視頻教程網(wǎng)[8]等，為機(jī)械原理課程的自主學(xué)習(xí)模式探索奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，在學(xué)校課程建設(shè)與輔助教學(xué)平臺(tái)上開(kāi)設(shè)相應(yīng)的同步網(wǎng)絡(luò)教學(xué)班級(jí)，實(shí)現(xiàn)課上課下同步進(jìn)行。隨著基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的自主學(xué)習(xí)模式推廣，學(xué)生對(duì)機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性逐步得到加強(qiáng)。

由于網(wǎng)絡(luò)資源自主學(xué)習(xí)的時(shí)間、地點(diǎn)具有很大程度的自由，且學(xué)生對(duì)自主學(xué)習(xí)的效率存在差異，教師需做好前期引導(dǎo)和后期考核工作：每次課結(jié)束前，應(yīng)明確下次課教學(xué)內(nèi)容和對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源材料;每次課開(kāi)始時(shí)，需通過(guò)提問(wèn)、課堂練習(xí)等方法檢查學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)效果，對(duì)共同存在的疑難問(wèn)題要及時(shí)解釋?zhuān)瑥?qiáng)化理解?；诰W(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的自主學(xué)習(xí)模式，不但調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，而且自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)實(shí)際上是一次學(xué)習(xí)階段，課堂提問(wèn)與檢測(cè)環(huán)節(jié)則是二次學(xué)習(xí)階段，課后作業(yè)、答疑等環(huán)節(jié)則是三次學(xué)習(xí)階段，三者具有一定的時(shí)間差，對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的理論和吸收具有良好效果，尤其是課程教學(xué)。

（三）基于計(jì)算機(jī)和編程技術(shù)的項(xiàng)目式教學(xué)模式改革

項(xiàng)目式教學(xué)分為科技論文寫(xiě)作與課外大作業(yè)兩類(lèi)。在機(jī)械原理學(xué)科發(fā)展方向調(diào)研和文獻(xiàn)查閱基礎(chǔ)上，每位學(xué)生選擇一個(gè)自己感興趣的方向，如機(jī)械發(fā)展史、醫(yī)療機(jī)器人、生物機(jī)械、仿生機(jī)構(gòu)、微小機(jī)械等，嚴(yán)格按照國(guó)家科技論文寫(xiě)作要求和規(guī)范撰寫(xiě)報(bào)告，包含題目、中英文摘要、中英文關(guān)鍵詞、引言、正文、結(jié)論和參考文獻(xiàn)等部分。

課外大作業(yè)是項(xiàng)目式教學(xué)的重點(diǎn)，引入計(jì)算機(jī)技術(shù)和Matlab軟件進(jìn)行機(jī)械原理課程課外大作業(yè)的解析法分析。課外大作業(yè)包括運(yùn)動(dòng)分析、力分析、連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)、齒輪輪廓曲線設(shè)計(jì)和速度波動(dòng)調(diào)節(jié)這六種類(lèi)型，要求全體學(xué)生自行分成3-4人一組，從六類(lèi)大作業(yè)題目中分別選擇三項(xiàng)，共同完成分析建模、編程求解、報(bào)告撰寫(xiě)、演示答辯等環(huán)節(jié)，各團(tuán)隊(duì)成員必須有明確的分工與協(xié)作，禁止以逸待勞現(xiàn)象。完成后要求提交大作業(yè)實(shí)踐報(bào)告、Matlab程序源文件及分析建模的關(guān)鍵草稿紙等材料，實(shí)踐報(bào)告應(yīng)達(dá)到內(nèi)容完整全面、字跡圖標(biāo)工整清晰、格式符合國(guó)家科技論文規(guī)范等要求，Matlab程序源文件應(yīng)達(dá)到運(yùn)行流暢、注釋合理充分、格式整齊美觀等要求。

項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，以學(xué)生為主體，教師起引導(dǎo)答疑作用，實(shí)現(xiàn)科研基本思路和規(guī)范的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)和編程技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)、研究的能力，為學(xué)生后繼其他課程的學(xué)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以至畢業(yè)后科研創(chuàng)新打下良好的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究或工程設(shè)計(jì)的良好習(xí)慣。

三、課程綜合改革實(shí)踐效果與注意事項(xiàng)

通過(guò)機(jī)械原理課程教學(xué)改革與實(shí)踐，在掌握課程基本理論、基本知識(shí)和基本技能基礎(chǔ)上，學(xué)生的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、綜合、創(chuàng)新等專(zhuān)業(yè)能力和系統(tǒng)性工程意識(shí)、基本的科研素養(yǎng)得到顯著提高，在后續(xù)的專(zhuān)業(yè)課程、第二課堂（如課外科技制作、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等）、畢業(yè)設(shè)計(jì)等學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中充分發(fā)揮作用，尤其是第二課堂，機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生興趣濃厚，積極主動(dòng)，上手快，創(chuàng)意多，動(dòng)手實(shí)踐能力強(qiáng)。

由于機(jī)械原理課程教學(xué)改革涉及內(nèi)容體系、課堂教學(xué)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外大作業(yè)和期末考試以及相應(yīng)的考核方法，存在面廣、點(diǎn)多、工作量大等問(wèn)題。為保證課程教學(xué)與考核方法綜合改革實(shí)踐的效果，應(yīng)注意以下幾個(gè)事項(xiàng)：

（一）學(xué)生的興趣與投入。課程學(xué)時(shí)不斷壓縮，課堂教學(xué)時(shí)間越來(lái)越短，但教學(xué)內(nèi)容與要求反而提高，而課余活動(dòng)（尤其是網(wǎng)絡(luò)普及帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)）不斷豐富，導(dǎo)致學(xué)習(xí)時(shí)間減少。針對(duì)現(xiàn)狀，必須全面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，自主投入一定的課外時(shí)間用于課外學(xué)習(xí)，包括項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式課外大作業(yè)、課外科技創(chuàng)新與制作等內(nèi)容。

（二）教師的鉆研與投入。目前高校普遍存在“重科研、輕教學(xué)”的問(wèn)題，使職稱(chēng)評(píng)審、考核獎(jiǎng)勵(lì)等活動(dòng)的科研成果要求不斷提高，導(dǎo)致教師對(duì)教學(xué)的專(zhuān)研精神和精力投入不足，需從學(xué)校制度上做適當(dāng)引導(dǎo)，如我校職稱(chēng)評(píng)審中的教學(xué)綠色通道和重金獎(jiǎng)勵(lì)的教學(xué)模范獎(jiǎng)，將教學(xué)成績(jī)、學(xué)生評(píng)價(jià)作為考核指標(biāo)。

（三）課外學(xué)習(xí)資源的建設(shè)與應(yīng)用。課外學(xué)習(xí)的硬件資源包括場(chǎng)地（如開(kāi)放教室、實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房等）和慧魚(yú)組合模型、常用工具、常規(guī)機(jī)床等設(shè)備設(shè)施;軟件資源包括課外大作業(yè)的項(xiàng)目和本科生創(chuàng)新計(jì)劃、機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽等活動(dòng)。

四、結(jié)束語(yǔ)

為從知識(shí)、能力和素質(zhì)三個(gè)層次上提高機(jī)械原理課程教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)行了課程體系梳理、教學(xué)方法改革與實(shí)踐，構(gòu)建有機(jī)統(tǒng)一的課程教學(xué)模塊，實(shí)踐基于慧魚(yú)組合模型、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源、計(jì)算機(jī)和編程技術(shù)的新型教學(xué)方法，有效提高了學(xué)生知識(shí)水平、專(zhuān)業(yè)能力、工程意識(shí)和科研素養(yǎng)。

[ 注 釋 ]

[1] 孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2] 于曉紅，王小群，邱麗芳.機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程體系的優(yōu)化整合[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2008（7）：34-36.

[3] 趙京，賴(lài)德華，門(mén)淑貴.以認(rèn)知學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革[J].大學(xué)教育科學(xué)，2004（2）：50-52.

[4] 陳文華，陳秀寧.“機(jī)械原理”課程改革的實(shí)踐與探索[J].機(jī)械工業(yè)高教研究，2001（1）：71-74.

[5] 于曉紅，韓建友，邱麗芳，等.深化機(jī)械原理課程教學(xué)改革[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2005（4）：25-26.

[6] http：//video.jingpinke.com / details？uuid=8a833996-18ac928d-0118-ac9291e8-0636 / 2014-02-20.

[7] http：//ecsi.js.nclass.org / sc8 / 2014-02-20.

[8] http：//video.1kejian.com / university / ligong / 24220 / 2014-02-20.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]