新工科背景下“機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用”教學(xué)改革探索

李天興 聶少武 張志文

[摘 要] 針對新工科背景下“機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用”課堂教學(xué)過程中存在的一些問題，進行教學(xué)方式轉(zhuǎn)變、教學(xué)內(nèi)容拓展、實踐模式補充、成績評定多樣化等方面的有益探索。近兩年來機械設(shè)計專業(yè)本科生的教學(xué)效果和評教水平表明，本課程的教學(xué)改革取得了良好的成效。學(xué)生在了解和掌握機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)的基本知識的同時，能夠拓寬和把握先進機構(gòu)的最新發(fā)展動態(tài)和發(fā)展趨勢，開闊學(xué)生在機械設(shè)計領(lǐng)域的知識視野，提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計和創(chuàng)新思維能力、綜合知識應(yīng)用能力和動手能力，達到了培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才的最終目的。

[關(guān)鍵詞] 新工科;機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用;教學(xué)改革;創(chuàng)新能力

[基金項目] 2019年度河南科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“新工科背景下‘機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用教學(xué)改革的探索與實踐”（2019-49）

[作者簡介] 李天興（1975—），男，河南孟州人，工學(xué)博士，河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事齒輪傳動設(shè)計研究;聶少武（1983—），男，河南宜陽人，工學(xué)博士，河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院副教授，主要從事齒輪制造技術(shù)研究;張志文（1975—），男，河南汝陽人，工學(xué)碩士，河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院講師，主要從事管理信息系統(tǒng)和工業(yè)工程研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）30-0070-04 ? ?[收稿日期] 2021-02-25

一、引言

提升本科生的科研創(chuàng)新能力，為國家培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)人才，一直是高等教育的重要任務(wù)，也是當前一項重大的歷史使命。2017年，《教育部高等教育司發(fā)布關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，2018年發(fā)布“新工科研究與實踐項目”[1，2]?！靶鹿た啤辈皇蔷植靠剂?，而是在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，是今后工程教育發(fā)展的新思維、新導(dǎo)向。新工科背景下機械工程建設(shè)的內(nèi)涵要求培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實踐能力并重的復(fù)合型人才，由此高校的專業(yè)教育也應(yīng)在新工科背景下對專業(yè)課程的教育教學(xué)改革進行探索和實踐。

“機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用”是機械設(shè)計及自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課[3] （P1-4），對于學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力、動手能力和知識的綜合應(yīng)用能力均具有較高要求。該課程以各類機構(gòu)的分析與綜合為導(dǎo)向，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握常用和典型機構(gòu)設(shè)計的基本理論和設(shè)計方法，注重對設(shè)計方案的構(gòu)思和創(chuàng)新設(shè)計，強化機構(gòu)分析，通過機構(gòu)設(shè)計的程序?qū)嶒瀬韺崿F(xiàn)機構(gòu)的基本設(shè)計理論和方法的實際應(yīng)用，提高學(xué)生的設(shè)計水平。2017年我校新版教學(xué)大綱修訂，“機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用”課程的教學(xué)內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)發(fā)生了不小的變化，同時為適應(yīng)當前社會對本科生工作能力和知識視野拓展的要求，對該課程教學(xué)改革進行探索與實踐是十分必要的[4]。

二、課程學(xué)情分析

“機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用”課程授課對象為大三學(xué)生。在基礎(chǔ)知識積累上，他們之前已經(jīng)學(xué)習“高等數(shù)學(xué)”“線性代數(shù)”“計算方法”“計算機編程”等數(shù)學(xué)課程，具備數(shù)學(xué)計算、數(shù)值分析及數(shù)學(xué)運算等數(shù)學(xué)知識基礎(chǔ)，掌握一定的數(shù)學(xué)計算工具及數(shù)值算法，具備一定的解決機構(gòu)運動設(shè)計及分析的計算問題能力。在專業(yè)基礎(chǔ)方面，他們已經(jīng)學(xué)過“機械原理”課程，對常見的連桿機構(gòu)、瞬心線機構(gòu)、共軛曲線機構(gòu)、凸輪機構(gòu)及齒輪傳動機構(gòu)比較熟悉，掌握基本機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和方法，具備一定的機構(gòu)設(shè)計與分析能力，并且已經(jīng)完成“機械原理”和“機械設(shè)計”的課程設(shè)計，具備一定的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，具有一定的動手實踐能力。這些基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)能力的積累為“機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用”這門課程的學(xué)習提供了有利條件。

三、課程教學(xué)存在問題分析

（一）教學(xué)課時有限與授課內(nèi)容深度不匹配

“機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用”的課程特點是理論知識難度較大，知識點瑣碎而復(fù)雜，學(xué)生需要花費大量課余時間來理解和消化課堂知識。然而，該課程的理論教學(xué)僅40學(xué)時，其中實驗8學(xué)時，授課內(nèi)容包括平面連桿機構(gòu)的綜合與分析、瞬心線機構(gòu)設(shè)計、共軛曲線機構(gòu)設(shè)計、凸輪機構(gòu)設(shè)計和齒輪機構(gòu)設(shè)計等。實驗教學(xué)在本門課中舉足輕重，實驗教學(xué)課時僅有8個課時，缺少發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新意識的實踐。因此，授課內(nèi)容調(diào)整和講課方式變化是教學(xué)改革探索的必要內(nèi)容。

（二）授課內(nèi)容與專業(yè)發(fā)展趨勢不協(xié)調(diào)

“機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用”的課程內(nèi)容理論性很強，且主要依托傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的基本理論和設(shè)計方法，教材內(nèi)容的更新遠跟不上科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。例如，齒輪機構(gòu)設(shè)計的主要知識點是基于周轉(zhuǎn)輪系的功率流和效率展開，但近年來，機器人精密減速器成為機構(gòu)研究的熱點之一。對于這些國內(nèi)外最新的科研成果和動態(tài)趨勢，應(yīng)該在授課過程中有所體現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生了解和熟悉相關(guān)知識，完成科學(xué)前沿的知識儲備。然而由于課時的限制，學(xué)生只能在課余時間自查自學(xué)與行業(yè)發(fā)展趨勢相適應(yīng)的知識內(nèi)容。因此，拓展學(xué)生在機構(gòu)設(shè)計技術(shù)方面的知識視野，提高專業(yè)素養(yǎng)，將授課內(nèi)容與本領(lǐng)域最新理論技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)改革，是解決二者不協(xié)調(diào)的關(guān)鍵所在。

（三）教學(xué)手段和方法僵化落后

“機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用”的教學(xué)內(nèi)容涉及各類典型機構(gòu)的綜合、分析與設(shè)計等，理論推導(dǎo)公式多且難以理解，傳統(tǒng)的板書很難表達清楚機械結(jié)構(gòu)的細節(jié)，手繪過程也浪費大量的課堂時間，嚴重影響教學(xué)進度和質(zhì)量。采用PPT教學(xué)，課堂信息量大，能減輕授課教師的工作強度，但長時間的幻燈放映使得學(xué)生昏昏欲睡，同樣達不到預(yù)期的教學(xué)效果，因此板書和多媒體教學(xué)度的把握需要進行探索。另外，本門課程在第6學(xué)期開設(shè)，大多學(xué)生忙于考研、競賽和實踐，學(xué)習過程的疲沓和理論知識的枯燥常導(dǎo)致課堂出勤率嚴重不足。因此，如何在教學(xué)手段方面進行改進，以吸引學(xué)生走進課堂也需要進行探索與實踐。

（四）實踐環(huán)節(jié)不足