基于STEP教學(xué)模式的機(jī)械原理課程教學(xué)探索與實(shí)踐

劉 佳，劉紅寧，楊 蓓

（石家莊學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

培養(yǎng)具有扎實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)、實(shí)踐應(yīng)用能力強(qiáng)、創(chuàng)新意識好、良好團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、綜合素質(zhì)高的多元化、創(chuàng)新型工程人才是我國工程教育的改革方向.機(jī)械原理是高等學(xué)校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)普遍開設(shè)的一門集基礎(chǔ)性、工程性、實(shí)踐性、創(chuàng)新性于一體的核心技術(shù)基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)機(jī)械類人才的創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)能力和應(yīng)用能力等專業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)的過程中起著不可或缺的重要作用.

立足應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的實(shí)際需求，傳統(tǒng)的機(jī)械原理教學(xué)模式存在以下三方面問題：1）課程大綱的整體設(shè)計(jì)存在矛盾或定位模糊，“應(yīng)用型本科”和“本科職業(yè)教育”的概念定位不清[1]，使得課程大綱的整體設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的本科層次側(cè)重理論和職專層次側(cè)重實(shí)踐兩個方面搖擺不定.2）缺乏有效支撐理論內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)體系，當(dāng)前，大多數(shù)高校的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)仍是以傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生學(xué)完課程后很難形成屬于自己的知識架構(gòu).3）教學(xué)評價手段旨趣彰顯不足，多元評價體系踐行不力，傳統(tǒng)的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式對于教學(xué)質(zhì)量并未形成公平客觀的評價體系.在實(shí)際教學(xué)過程中，以做題為主的考核方式依然在評價體系中占據(jù)較高比重，而創(chuàng)新、設(shè)計(jì)等反映學(xué)生綜合素養(yǎng)能力的方式并未得到有效體現(xiàn).

國內(nèi)外許多高校和研究機(jī)構(gòu)對此做了大量的探索和實(shí)踐工作.在國外，對于工程教育改革，世界各國提出了多種教學(xué)模式.其中，代表性的有：麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院的CDIO模式[2]（以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，建立相互支撐和有機(jī)聯(lián)系的課程體系）、美國學(xué)者Spady[3]提出的OBE工程教育模式（基于成果導(dǎo)向的教學(xué)模式）、丹麥奧爾堡大學(xué)提出的PBL教學(xué)模式[4]（基于項(xiàng)目的教學(xué)模式）等.在國內(nèi)，宋娓娓等[5]、田桂中等[6]、王硯軍等[7]基于CDIO教學(xué)模式對機(jī)械原理課程及考核方式進(jìn)行了改革探索；王廷劍等[8]基于OBE教學(xué)模式反向設(shè)計(jì)了機(jī)械原理課程的教學(xué)內(nèi)容，并開展第二課堂教學(xué)，以多元化的考核方式評價學(xué)習(xí)產(chǎn)出；余軍合等[9]基于OBE教學(xué)模式從模型構(gòu)建、運(yùn)動分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)三個層次設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以培養(yǎng)學(xué)生機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案分析的能力；陳殿生等[10]提出了“PBL&CBL”（基于項(xiàng)目和競爭的教學(xué)模式）教學(xué)模式，并將其應(yīng)用到了機(jī)電一體化[11,12]課程.

但是這些探索與研究工作存在以下三方面的缺憾：1）以項(xiàng)目為主線，結(jié)果為導(dǎo)向的教學(xué)模式容易破壞理論知識的整體性和內(nèi)在邏輯關(guān)系，這也是在國外前述3種代表性教學(xué)模式少見應(yīng)用于機(jī)械原理課程的根本原因.2）構(gòu)建能夠?qū)C(jī)械原理的主要理論知識有機(jī)融合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并非易事，眾所周知，一個完整的機(jī)械系統(tǒng)，除了機(jī)械本體的方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，還包括電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，那么一些學(xué)生可能會因?yàn)榛A(chǔ)知識的薄弱而削弱其作為學(xué)習(xí)主體的積極性，最終盡管完成預(yù)定的各項(xiàng)任務(wù)，卻喪失了學(xué)習(xí)熱情.3）前述3種代表性教學(xué)模式均需要優(yōu)質(zhì)的師資與團(tuán)隊(duì)支撐、持續(xù)充足的教學(xué)資源和經(jīng)費(fèi)投入以及小班化教學(xué).

1 STEP教學(xué)模式的內(nèi)涵

STEP 是軟件（Software）、理論（Theory）、實(shí)驗(yàn)（Experiment）和項(xiàng)目（Project）的簡稱，是一種將軟件、理論、實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目相結(jié)合的教學(xué)模式[13].

當(dāng)今，無論是科學(xué)研究還是產(chǎn)品研發(fā)，都離不開軟件工具的支撐.熟練應(yīng)用各種仿真軟件已經(jīng)成為機(jī)械領(lǐng)域從業(yè)人員的重要能力.而與機(jī)械原理課程緊密相關(guān)的軟件是ADAMS.傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)ADAMS的形式主要是短期培訓(xùn)和自學(xué)，而把ADAMS貫穿于機(jī)械原理的整個教學(xué)環(huán)節(jié)將是一種新的嘗試.

與傳統(tǒng)的項(xiàng)目式教學(xué)模式相比，STEP教學(xué)模式具有以下特點(diǎn)：

1）STEP教學(xué)模式包含了項(xiàng)目式教學(xué)，但并不是純粹的項(xiàng)目式教學(xué)，其項(xiàng)目設(shè)置的目的主要是支撐課程的理論知識.2）STEP教學(xué)模式最大程度保證了機(jī)械原理課程的整體性和內(nèi)在邏輯關(guān)系.3）STEP教學(xué)模式的組織形式更為靈活，對于師資力量有限、教學(xué)資源匱乏、經(jīng)費(fèi)投入不足的普通高校的機(jī)械原理課程建設(shè)，是一種值得探索的具有建設(shè)性的教學(xué)模式.

2 STEP教學(xué)模式下的機(jī)械原理課程教學(xué)實(shí)踐

2.1 構(gòu)建設(shè)計(jì)與分析并重的教學(xué)課程體系

機(jī)械原理的主要內(nèi)容為兩大部分：1）機(jī)構(gòu)的共性問題：機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析；2）三大機(jī)構(gòu)（平面四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動特性及設(shè)計(jì)方法.傳統(tǒng)授課方式的缺點(diǎn)是分析重于設(shè)計(jì)，即教學(xué)內(nèi)容主要以理論分析為主，這樣就會導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)完本課程后仍不清楚機(jī)械原理在整個課程體系中的地位，不清楚在實(shí)際工程實(shí)際中的應(yīng)用價值.因此，在對課程內(nèi)容中的理論分析部分做了有限度壓縮的基礎(chǔ)上，增加了對具有實(shí)際工程背景的案例分析，構(gòu)建了設(shè)計(jì)與分析并重的教學(xué)課程體系.例如：在“凸輪機(jī)構(gòu)”這一部分內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容主要包括凸輪機(jī)構(gòu)的基本概念、從動件常用運(yùn)動規(guī)律、凸輪廓線的設(shè)計(jì)、基本尺寸的確定，但這些內(nèi)容主要以理論分析為主，為此，在課程內(nèi)容中以“自動拾球凸輪機(jī)械手”為例，將課程的基本內(nèi)容融入到案例的設(shè)計(jì)過程中，將傳統(tǒng)的理論分析轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).

需要說明的是：這并不同于CDIO、OBE、PBL等以項(xiàng)目統(tǒng)領(lǐng)整門課程的教學(xué)模式.其主要區(qū)別在于：STEP教學(xué)模式下所選擇的“項(xiàng)目”，僅僅是為了支撐某一章節(jié)的理論內(nèi)容，有效保證了機(jī)械原理課程的整體性和邏輯性.如前所述的“自動拾球凸輪機(jī)械手”，其主要目的是支撐凸輪機(jī)構(gòu)這一章的理論知識，而課程進(jìn)行到“齒輪機(jī)構(gòu)”時，又會有新的工程案例予以支撐.

2.2 創(chuàng)建以ADAMS貫穿始終的綜合性、多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

目前，機(jī)械原理開設(shè)的實(shí)驗(yàn)主要包括：機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪、機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)測定和分析、齒輪范成實(shí)驗(yàn).這些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.以齒輪范成實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生利用齒輪范成儀完成標(biāo)準(zhǔn)齒輪與變位齒輪的對比實(shí)驗(yàn)后，除了驗(yàn)證教材上的理論知識外，對于如何將齒輪傳動應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目并無實(shí)際推動作用.因此，配合理論教學(xué)中的教學(xué)案例，在保持已有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系做了以下調(diào)整：

1）將課堂中的實(shí)際教學(xué)案例與已有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相結(jié)合，要求學(xué)生以大作業(yè)的形式提交實(shí)驗(yàn)報告，并將ADAMS仿真貫穿始終，以驗(yàn)證所提方案的可行性，在邏輯上形成閉環(huán).例如：在“基于ADAMS的牛頭刨床運(yùn)動學(xué)分析”的實(shí)驗(yàn)中，通過給定兩種不同的牛頭刨床機(jī)構(gòu)，讓學(xué)生定性分析輸出構(gòu)件的位移、速度、加速度的變化規(guī)律，基于ADAMS仿真獲取輸出構(gòu)件的位移、速度、加速度的變化曲線，并基于曲線變化情況分析兩種牛頭刨床機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣.在這個實(shí)驗(yàn)中，綜合融入了傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪、機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)測定和分析3個實(shí)驗(yàn)，并將ADAMS仿真貫穿始終，使原有的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變成了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).

2）在課程設(shè)計(jì)階段，將學(xué)生分成每組3～4人的小組，讓學(xué)生以小組的形式在課設(shè)指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下開展課程設(shè)計(jì).與傳統(tǒng)的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)不同的是：STEP教學(xué)模式下的課程設(shè)計(jì)需要學(xué)生最終加工出實(shí)際樣機(jī)模型.以“抓持機(jī)械手的設(shè)計(jì)”為例，每個小組的學(xué)生分別負(fù)責(zé)方案設(shè)計(jì)、ADAMS仿真、撰寫設(shè)計(jì)說明書、制作加工.

2.3 制定公平客觀的多元評價體系

當(dāng)前，大多數(shù)高校機(jī)械原理的考核方式主要是以理論考試和實(shí)驗(yàn)成績分別乘以不同系數(shù)加和而成.這種評價體系盡管易于操作，但展示出的是學(xué)生的應(yīng)試能力而非實(shí)際應(yīng)用能力.基于此，在保留理論考試的前提下，降低其在成績中的占比（50%），將實(shí)驗(yàn)考核形式按實(shí)驗(yàn)評估（30%）和實(shí)驗(yàn)講述（20%）兩個方面展開評價.在實(shí)驗(yàn)評估部分，將課程大作業(yè)按照方案設(shè)計(jì)（10%）、ADAMS仿真（10%）、撰寫設(shè)計(jì)說明書（10%）三個方面進(jìn)行評定.在實(shí)驗(yàn)講述部分，每個小組選一名同學(xué)對本次實(shí)驗(yàn)做總結(jié)陳述，不足之處由小組內(nèi)其他同學(xué)作補(bǔ)充，與所有學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn).任課教師對每組進(jìn)行點(diǎn)評、總結(jié).綜合評定三部分成績，最后確定每個人的成績.

實(shí)驗(yàn)報告以及課堂展示的結(jié)果表明，兩種考核方式有效地鍛煉了學(xué)生的書面和語言的邏輯表達(dá)能力，對本學(xué)期的課程做了全方位的總結(jié)，并在課堂展示的過程中通過學(xué)生演講和教師提問的互動方式查漏補(bǔ)缺，充分體現(xiàn)了彈性教學(xué)模式“讓每個學(xué)生有收獲，使更多學(xué)生有創(chuàng)新”的教育理念.

3 教學(xué)方法評估

為了調(diào)查學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲情況以及學(xué)生對本課程的反饋意見.課程結(jié)束后，對2016年（傳統(tǒng)教學(xué)模式）和2017年（STEP教學(xué)模式）學(xué)習(xí)本課程的學(xué)生進(jìn)行了對比.

在理論考試方面，STEP教學(xué)模式下的班級成績優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)模式的班級，不及格率由2016級的61.22%降至2017級的39.53%，下降幅度為21.69%，這表明新的教學(xué)模式顯著提高了學(xué)生對知識的掌握能力.

在實(shí)驗(yàn)大作業(yè)部分，以齒輪傳動部分“爬壁機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)”為例，其中有3個小組分別提出了利用齒輪齒條的運(yùn)動方案，有1組提出了非完整齒輪齒條的運(yùn)動方案，有1組提出了齒輪傳動與曲柄滑塊相結(jié)合的運(yùn)動方案，有1組提出了切比雪夫四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方案.由于每位學(xué)生對知識的掌握和對題目的理解存在差異，因此并非每一名學(xué)生均提出了屬于自己的設(shè)計(jì)方案，每組有1名同學(xué)提出運(yùn)動方案并做最后的實(shí)驗(yàn)講述，其他2名同學(xué)分別負(fù)責(zé)ADAMS仿真和撰寫設(shè)計(jì)說明書，并在此過程中進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)習(xí).

4 結(jié)論

從當(dāng)今社會對具有機(jī)械專業(yè)背景的復(fù)合型技能人才需求以及應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合機(jī)械原理課程實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，基于STEP教學(xué)模式對機(jī)械原理課程進(jìn)行了探索與實(shí)踐.經(jīng)過一學(xué)期的探索實(shí)踐，考核結(jié)果和調(diào)查結(jié)果均表明STEP的教學(xué)模式能夠有效滿足機(jī)械原理的教學(xué)需求.

教學(xué)實(shí)踐具有以下三方面的特點(diǎn)：

第一，將ADAMS仿真貫穿機(jī)械原理課程的始終，為機(jī)械專業(yè)其他課程開展面向工程教育的課程改革做了有益的探索.

第二，STEP教學(xué)模式下的項(xiàng)目實(shí)踐有效保證了機(jī)械原理課程的內(nèi)在邏輯性，克服了傳統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)對理論知識體系的破壞.也就是說，項(xiàng)目不再是課程的主體，而是對理論知識的支撐.

第三，在保證每個學(xué)生掌握基本理論知識的同時，通過實(shí)驗(yàn)報告與課堂展示相結(jié)合的考核方式，進(jìn)一步鞏固了學(xué)生對理論知識的掌握，提升了學(xué)生的動手能力、寫作能力和語言表達(dá)能力，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情.

盡管如此，未來還有以下兩方面的工作有待改進(jìn)：第一，從機(jī)械專業(yè)的課程主線（機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)電一體化）考慮，可以將STEP教學(xué)模式引入設(shè)計(jì)類課程群的教學(xué)過程，而不僅僅是局限于機(jī)械原理所涉及的項(xiàng)目方案設(shè)計(jì).第二，從項(xiàng)目設(shè)置的角度考慮，可以選擇合適的科研項(xiàng)目將其按照課程的理論主線分解為若干小項(xiàng)目，從而實(shí)現(xiàn)理論內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在知識邏輯性上的雙重統(tǒng)一.