《機(jī)械原理及設(shè)計》課程教學(xué)方法與考核機(jī)制探索

周脈樂 楊啟志 韓佃雷 徐立章

摘? 要：近年來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，探索工程教育新模式，使得高等工程教育面臨新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化專業(yè)主要培養(yǎng)學(xué)生對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化系統(tǒng)的設(shè)計、管理和運(yùn)用能力，對工程創(chuàng)新能力具有較高的要求?！稒C(jī)械原理及設(shè)計》是農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化專業(yè)的必修課，對于提升學(xué)生農(nóng)業(yè)裝備的設(shè)計和解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化問題的能力具有重要作用。工程教育專業(yè)認(rèn)證強(qiáng)調(diào)以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，注重學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)，對《機(jī)械原理及設(shè)計》課程的教學(xué)也提出了新的要求。針對現(xiàn)有《機(jī)械原理及設(shè)計》教學(xué)體系和基本教學(xué)要求，以新工科人才培養(yǎng)要求及工程教育專業(yè)認(rèn)證為改革目標(biāo)，文章提出了針對《機(jī)械原理及設(shè)計》課程教學(xué)方法的一些改革建議?；趯W(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式，在教學(xué)方法和課程考核兩個方面提出改革建議。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理及設(shè)計;農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化;新工科;教學(xué)與考核;工程教育

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）33-0095-04

Abstract： In recent years， the Ministry of Education has actively promoted the construction of "emerging engineering education" and explored a new mode of engineering education， which makes higher engineering education face new opportunities and challenges. The major of agricultural mechanization and automation mainly cultivates the ability of design， management and application of agricultural production mechanization system， and has higher requirements for engineering innovation ability. "Mechanical principle and design" is a compulsory course for agricultural mechanization and automation specialty， which plays an important role in improving students' ability of agricultural equipment design and solving agricultural production mechanization problems. Engineering education professional certification emphasizes student learning as the center， pays attention to the cultivation of students' engineering practice ability， and puts forward new requirements for the teaching of mechanical principle and design. In view of the existing teaching system and basic teaching requirements of mechanical principle and design， taking the requirements of emerging engineering education talents training and engineering education professional certification as the reform objectives， this paper puts forward some reform suggestions for the teaching method of mechanical principle and design course.The educational model based on outcomes-based education takes enriching students' knowledge， puts forward reform suggestions in two aspects of teaching methods and curriculum assessment.

Keywords： Mechanical Principle and Design; agricultural mechanization and automation; emerging engineering education; teaching and assessment; engineering education

引言

2017年以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，大力推動高校教育體制機(jī)制創(chuàng)新，使高等工程教育面臨新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)。江蘇大學(xué)是教育部首批卓越工程師教育培養(yǎng)計劃試點(diǎn)高校，其農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化專業(yè)（以下簡稱農(nóng)機(jī)專業(yè)）以學(xué)生能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，將通識教育與專業(yè)教育有機(jī)結(jié)合，以力學(xué)、機(jī)械學(xué)、農(nóng)學(xué)、控制工程等學(xué)科為主體，兼顧工程科學(xué)教育與工程實踐訓(xùn)練，培養(yǎng)能從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計、制造、運(yùn)行管理等工作的工程技術(shù)人才。

《機(jī)械原理及設(shè)計》是農(nóng)機(jī)專業(yè)的必修課程，是緊密聯(lián)系農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計的基礎(chǔ)課程，學(xué)生掌握機(jī)械設(shè)計的基本技能，才能培養(yǎng)實踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才?！稒C(jī)械原理及設(shè)計》已經(jīng)形成了一套完整的理論和實踐課程體系，對于農(nóng)機(jī)專業(yè)本科生建立基礎(chǔ)知識框架來說是十分重要的，是必備的知識和技能。但是，傳統(tǒng)的《機(jī)械原理及設(shè)計》課程教學(xué)內(nèi)容以講解機(jī)械原理、公式和設(shè)計方法為主，知識結(jié)構(gòu)復(fù)雜、理論性強(qiáng)，教學(xué)過程比較枯燥、抽象，缺少形象思維和直觀體驗，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，學(xué)生學(xué)習(xí)成效甚微，課程的發(fā)展受到嚴(yán)重限制[1]。很多高校開始嘗試機(jī)械類專業(yè)課程的改革，如開展案例式教學(xué)[2]、基于系統(tǒng)論的教學(xué)設(shè)計[3]、增材制造技術(shù)應(yīng)用[4]、基于創(chuàng)新能力發(fā)展平臺的教學(xué)模式[5]、多種考核方式相結(jié)合的考核方案[6]、“大作業(yè)”改革[7]、以學(xué)生為中心[8]、基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)[9]和翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式的教學(xué)改革[10]、項目式教學(xué)模式[11-12]等，取得了一定的成效。本文基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式，注重學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，以新工科人才培養(yǎng)要求及工程教育專業(yè)認(rèn)證為改革目標(biāo)，從教學(xué)方法和課程考核兩個方面對《機(jī)械原理及設(shè)計》課程進(jìn)行教學(xué)方法探索，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。

一、《機(jī)械原理及設(shè)計》教學(xué)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)多數(shù)高校的農(nóng)機(jī)專業(yè)均設(shè)有《機(jī)械原理及設(shè)計》課程，包括機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計兩部分內(nèi)容。課程設(shè)置通常有三種情況：1. 分別開設(shè)《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計》，且課程設(shè)計獨(dú)立進(jìn)行;2. 《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計》分別單獨(dú)教學(xué)，但是課程設(shè)計合二為一;3. 將機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計兩部分內(nèi)容合并為一門課程，即《機(jī)械原理及設(shè)計》。傳統(tǒng)的教學(xué)過程采用第一種方式，但越來越多的學(xué)校開始了合二為一的改革探索，教材將機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計兩部分內(nèi)容結(jié)合為《機(jī)械原理及設(shè)計》或《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》[13-14]。

根據(jù)課程的基本教學(xué)要求，多數(shù)教材中機(jī)械設(shè)計的內(nèi)容包括機(jī)械零部件的工作能力計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核等內(nèi)容，部分教材增加了機(jī)械優(yōu)化設(shè)計等內(nèi)容?，F(xiàn)階段，農(nóng)機(jī)專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容與機(jī)械專業(yè)相似，以機(jī)械零部件的計算、設(shè)計為主，但農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)物料和工作環(huán)境存在多樣性，與工程實際聯(lián)系更緊密。由于《機(jī)械原理及設(shè)計》課程有非常強(qiáng)的實踐性，而教師在實踐方面經(jīng)驗不足或缺失，將無法為學(xué)生提供全面的指導(dǎo)。另外，在課程內(nèi)容上過度強(qiáng)調(diào)以教材為中心，存在一定的知識滯后性問題。面對更高質(zhì)量的農(nóng)機(jī)人才要求，《機(jī)械原理及設(shè)計》課程的教學(xué)內(nèi)容與方法尚存在較大的改革空間。

本文針對農(nóng)機(jī)專業(yè)，將《機(jī)械原理及設(shè)計》課程改革分成教學(xué)方法和課程考核兩個方面進(jìn)行，以學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為目的，同時緊緊抓住課程教學(xué)的三個層次（基本知識、專業(yè)興趣和工程實踐能力），將《機(jī)械原理及設(shè)計》改造為理論和實踐課程一體化、多樣化的專業(yè)課程，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，適應(yīng)新時代農(nóng)機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)需求[15]。

二、教學(xué)方法探索

農(nóng)機(jī)專業(yè)本科教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化系統(tǒng)的設(shè)計、管理和運(yùn)用能力。農(nóng)機(jī)專業(yè)本科生培養(yǎng)需要注意兩點(diǎn)，一是傳授農(nóng)機(jī)專業(yè)基本知識，二是培養(yǎng)學(xué)生“知農(nóng)、愛農(nóng)、為農(nóng)”的情懷。在《機(jī)械原理及設(shè)計》課程中，可以通過教學(xué)互動環(huán)節(jié)、隨堂作業(yè)和綜合創(chuàng)新訓(xùn)練的形式來增強(qiáng)學(xué)生專業(yè)知識和情懷的培養(yǎng)，同時增加對教師的培養(yǎng)與考核，促進(jìn)“雙師”型教師隊伍建設(shè)，提高教學(xué)質(zhì)量。

（一）增強(qiáng)教學(xué)互動

《機(jī)械原理及設(shè)計》的課堂里，大多教師的教學(xué)方法以講授基本知識為主，學(xué)生則全程被動接受知識。在教學(xué)過程中，教師是課堂的中心，一切教學(xué)活動都是圍繞教師展開的，雙方缺少必要的互動，難以建立良好的師生關(guān)系，學(xué)生學(xué)習(xí)成果不顯著。在《機(jī)械原理及設(shè)計》教學(xué)中，教師需要講授大量的機(jī)械知識、力學(xué)公式和設(shè)計方法等，內(nèi)容枯燥乏味，需要師生間的互動提高教學(xué)質(zhì)量。近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越普及，多媒體教學(xué)手段逐漸增多，教師可以借助網(wǎng)絡(luò)資源增加授課內(nèi)容的豐富程度[16]，也可以通過播放各種機(jī)構(gòu)（尤其是農(nóng)業(yè)機(jī)械）的工作動畫、實際生產(chǎn)的記錄片等方式來增加學(xué)生對于這門課程的直觀認(rèn)識、培養(yǎng)學(xué)生的興趣。

1. 增加教學(xué)互動元素

增加課堂互動最行之有效的方法就是把更多帶有互動性的事物引入課堂，例如增加實物演示，即將一些農(nóng)業(yè)機(jī)械上用到的零部件、典型機(jī)構(gòu)作為講課道具，用以直觀演示其工作原理與工作特性;或者充分利用計算機(jī)的優(yōu)勢，將機(jī)械領(lǐng)域用到的一些軟件引入到課堂中，如運(yùn)用UG、ADAMS等講解較難理解的概念和原理，使學(xué)生對機(jī)械先有感性認(rèn)識再有理性認(rèn)識。由于《機(jī)械原理及設(shè)計》課程需要求解一些零件或者系統(tǒng)的載荷、壽命等參數(shù)，要用到材料力學(xué)、彈性力學(xué)等課程的相關(guān)知識，在講解實例時可以利用軟件進(jìn)行演示，通過軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動模擬以及系統(tǒng)的受力、載荷分析，使學(xué)生直觀認(rèn)識機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動和受力，十分適合于《機(jī)械原理及設(shè)計》課程的教學(xué)活動。相比于枯燥的書本，直觀、易懂的軟件顯然更具吸引力。只有學(xué)生的興趣被激發(fā)出來，求知精神體現(xiàn)出來，課堂才能由以教師為中心向以學(xué)生為中心轉(zhuǎn)變。

2. 課堂走出教室

課堂不應(yīng)僅局限于教室內(nèi)，《機(jī)械原理及設(shè)計》課程內(nèi)容的講授可以在實踐基地進(jìn)行，如金工實習(xí)的加工車間、合作企業(yè)等，為學(xué)生提供一個接觸、學(xué)習(xí)真實生產(chǎn)實踐活動的機(jī)會，讓學(xué)生參與到生產(chǎn)實踐中。學(xué)生在動腦與動手結(jié)合的過程中，提高解決工程實際問題的能力。校企合作有校企合作辦學(xué)、創(chuàng)新實踐基地、校企共建實驗室等多種形式[17]。在教學(xué)環(huán)節(jié)中，增加兩次在企業(yè)進(jìn)行的“實驗課”“參觀課”，提升學(xué)生視野、增長學(xué)生對專業(yè)認(rèn)識，同時鍛煉學(xué)生的動手能力、觀察能力等，對于學(xué)生的全方位發(fā)展非常重要。無論采取何種措施，運(yùn)用何種方式，教學(xué)工作始終要堅持的就是以學(xué)生為教學(xué)中心，圍繞學(xué)生開展教學(xué)。

（二）增加課后學(xué)習(xí)與實踐

《機(jī)械原理及設(shè)計》是一門實踐性很強(qiáng)的課程，除了課堂上的學(xué)習(xí)之外，還需要課后進(jìn)行思考和訓(xùn)練，通過解決工程實際問題，提升學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計能力。通常，多數(shù)學(xué)校的做法是布置作業(yè)、習(xí)題等，讓學(xué)生通過課后練習(xí)鞏固課堂學(xué)習(xí)成果。部分學(xué)校還會根據(jù)講課的進(jìn)度布置一些“大作業(yè)”?！按笞鳂I(yè)”是根據(jù)工程實際提出問題，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實際問題，可以考察學(xué)生對課程的綜合掌握程度。因為“大作業(yè)”通常都是一些和現(xiàn)實生產(chǎn)應(yīng)用接軌的工程問題，學(xué)生需要查閱資料，并充分思考才能完成。

教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)“大作業(yè)”題目比較單一，學(xué)生完成“大作業(yè)”時，多數(shù)是通過書本、教材查閱相似的工程問題，利用手冊查找公式，然后計算求解，設(shè)計思路比較程序化，本質(zhì)上還是“代入公式-求解計算”的過程，不利于學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)。很多學(xué)生能正確選擇公式，卻對其含義一知半解，更缺乏獨(dú)立解決工程問題的能力?！稒C(jī)械原理及設(shè)計》課程在現(xiàn)有“大作業(yè)”的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，增加“大作業(yè)”的多樣性和開放性，即設(shè)法讓學(xué)生在完成作業(yè)的過程中接觸更多資料與工程實踐。有多種方式提高“大作業(yè)”的多樣化程度，如將機(jī)械設(shè)計軟件（如UG、ANSYS、ADAMS等）用在作業(yè)中、選擇更加開放的設(shè)計類問題而不是計算類題目等。學(xué)生完成“大作業(yè)”的設(shè)計任務(wù)后，基于實訓(xùn)中心的機(jī)械加工設(shè)備、3D打印機(jī)等，加工、制作所設(shè)計的機(jī)械零部件，最后讓學(xué)生提交實際的零部件件或機(jī)構(gòu)，而不是紙面上的圖紙或數(shù)字模型。通過“大作業(yè)”讓學(xué)生經(jīng)歷機(jī)械裝備計算、設(shè)計、制造等完整的工程流程。

（三）綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)

以《機(jī)械原理及設(shè)計》課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，農(nóng)機(jī)專業(yè)在大一至大四年級分別開設(shè)《農(nóng)業(yè)裝備綜合創(chuàng)新訓(xùn)練》，每學(xué)年訓(xùn)練一次?！掇r(nóng)業(yè)裝備綜合創(chuàng)新訓(xùn)練》的內(nèi)容為典型農(nóng)業(yè)機(jī)械的測繪、運(yùn)動分析、設(shè)計計算和控制管理等。基于江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心協(xié)同體，通過工程測繪、機(jī)構(gòu)計算與設(shè)計、系統(tǒng)控制與管理等方式，使學(xué)生運(yùn)用已學(xué)知識解決實際工程問題，開展研究性教學(xué)。

三、課程考核機(jī)制探索

《機(jī)械原理及設(shè)計》是一門典型的機(jī)械類課程，多數(shù)高校《機(jī)械原理及設(shè)計》課程的考核方式采用期中、期末考試的方式。這種考核方式能夠有效推動學(xué)生學(xué)習(xí)，卻難以檢驗學(xué)生是否具有獨(dú)立思考、解決機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域的復(fù)雜問題的能力。因此，可以從知識和能力兩個方面入手，改進(jìn)課程的考核機(jī)制，科學(xué)地進(jìn)行教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控。

（一）知識檢查

目前所采用的期中考試、期末考試以及各類小考、月考、隨堂檢測等，都屬于知識檢查范圍。但限于考試的時間和題量有限，無法全面考察學(xué)生掌握知識的情況。另外，無論開卷還是閉卷考試都存在一定的缺陷。閉卷考試題量受限，考察范圍小，難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。開卷考試則難以區(qū)分學(xué)生是否真正理解了所考的知識。鑒于知識檢查的特點(diǎn)，可以采用線上、線下相結(jié)合的方式。對于課堂知識點(diǎn)的考察，可以采用“網(wǎng)上QUIZ”的形式。學(xué)生在線上答題，每個單元都有若干習(xí)題，包括基礎(chǔ)題和綜合題，以保證足夠的考察范圍。對于綜合設(shè)計知識，可以采用輔導(dǎo)、練習(xí)的方式考察學(xué)生的掌握情況。

（二）能力檢驗

能力檢驗是最重要的考察環(huán)節(jié)，也是最難以做到的。事實上只有實際工程項目才能達(dá)到檢驗的效果。對應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證目標(biāo)，在知識檢測的基礎(chǔ)上，可以借鑒“金工實習(xí)”的形式，讓學(xué)生分組完成一些機(jī)械零部件設(shè)計實例，讓學(xué)生經(jīng)歷思考-設(shè)計-遇到困難-解決困難的過程，鍛煉學(xué)生綜合能力，包括獨(dú)立思考、解決問題、團(tuán)隊協(xié)作能力等，這些能力對于其后續(xù)的學(xué)習(xí)都是至關(guān)重要的。根據(jù)工程認(rèn)證畢業(yè)指標(biāo)的要求，學(xué)生要具有就復(fù)雜的工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進(jìn)行有效溝通和交流的能力。為檢驗這些重要能力，可以選擇在課程考核中增加答辯環(huán)節(jié)，實施全過程學(xué)習(xí)質(zhì)量監(jiān)控。通過答辯使學(xué)生對所做的設(shè)計作全面總結(jié)，對學(xué)生的知識學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)也會更具效果。

《機(jī)械原理及設(shè)計》課程要求學(xué)生要不斷地進(jìn)行類似于金工實習(xí)的實踐活動，不斷參與各類項目。這就需要較高的成本和較多的時間，而學(xué)校的資源有限，學(xué)生的數(shù)量又相對較多，可以和機(jī)械領(lǐng)域的企業(yè)或科研院所合作教學(xué)，充分利用社會優(yōu)秀資源。目前，很多校企合作模式已經(jīng)成功地應(yīng)用于學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計、畢業(yè)實習(xí)及畢業(yè)答辯等方面，但在課程教學(xué)方面應(yīng)用較少。可以預(yù)見，校企合作模式將在課程教學(xué)中發(fā)揮巨大的作用。

四、結(jié)束語

本文圍繞《機(jī)械原理及設(shè)計》課程教學(xué)方法與課程考核兩方面，提出了一些課程改進(jìn)建議，這些改進(jìn)最重要的就是堅持以學(xué)生為教學(xué)活動的中心，重視學(xué)生綜合能力培養(yǎng)。在教學(xué)活動中，讓學(xué)生逐漸培養(yǎng)出獨(dú)立探索、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的思維。

江蘇大學(xué)一直以傳承“老農(nóng)機(jī)”的特色為中心，著重突出“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計”，形成了“工中有農(nóng)，以工支農(nóng)”的鮮明辦學(xué)特色和獨(dú)特的農(nóng)機(jī)文化情懷，學(xué)生的農(nóng)業(yè)裝備綜合創(chuàng)新設(shè)計能力顯著提高，取得了良好的培養(yǎng)效果。近三年，農(nóng)機(jī)專業(yè)本科生獲各類省級科研創(chuàng)新立項達(dá)10余項，在全國、省級各類大學(xué)生科技競賽中獲獎50項以上。畢業(yè)生深造率連續(xù)保持在40%以上，就業(yè)率保持在95%以上。以2020屆畢業(yè)生為例，畢業(yè)生總?cè)藬?shù)53人，考研錄取人數(shù)24人，升學(xué)率達(dá)45%。畢業(yè)生對本專業(yè)教學(xué)滿意度高于94%，工作與專業(yè)相關(guān)度約為75%。大部分畢業(yè)生選擇了農(nóng)機(jī)行業(yè)及機(jī)械設(shè)計、制造業(yè)，大中型企業(yè)占比79%，社會用人單位對農(nóng)機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)整體水平的滿意度較高，對畢業(yè)生的專業(yè)知識、技能和工程實踐創(chuàng)新能力等均給予了較高評價。

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