新工科背景下“機(jī)械原理”課程建設(shè)探索*

李芳環(huán) ，閆春愛 ，向 亮

（武昌工學(xué)院智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430065）

2017 年國家提出“新工科”建設(shè)[1]，根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，除了建設(shè)一批新興的工科專業(yè)，原有的工科專業(yè)也要進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級，人才培養(yǎng)方面要改革。對人才培養(yǎng)提出的要求是要適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)、新業(yè)態(tài)，知識結(jié)構(gòu)要合理，有跨界能力，特別是對工程能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)是工科中的傳統(tǒng)專業(yè)，在“新工科”背景下，要對這些傳統(tǒng)專業(yè)進(jìn)行新建設(shè)。“機(jī)械原理”課程作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，在該專業(yè)中起著銜接專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程的橋梁作用，這樣一門重要的課程，如何有效地建設(shè)和發(fā)揮它在人才培養(yǎng)中舉足輕重的作用是課程建設(shè)的重點(diǎn)。

1 課程現(xiàn)狀分析

1.1 教學(xué)方式僵化

教學(xué)內(nèi)容多且學(xué)時有限，為了完成教學(xué)任務(wù)，基本的課堂形式是以教師的講授為主體，這種講授為主的原因主要有兩方面：1）作為教學(xué)主導(dǎo)者的教師工程經(jīng)驗(yàn)不足，不能很好地將有趣的工程案例引入教學(xué)中，課堂上對學(xué)生提出的問題缺乏高度和創(chuàng)新性，不能激發(fā)學(xué)生的探索欲望；2）作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的主動性，習(xí)慣了被動接受知識，對課堂上講授的知識不能針對生活中的案例進(jìn)行分析和內(nèi)化。

1.2 教學(xué)內(nèi)容陳舊

目前對于凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，教材中通常有圖解法和解析法兩種設(shè)計(jì)方法，在教學(xué)的過程中，以手繪圖解法的設(shè)計(jì)作為教學(xué)的重點(diǎn)。盡管圖解法比解析法簡單，但是在實(shí)際工程中，很少用到手繪圖解法的設(shè)計(jì)。所以目前圖解法的教學(xué)脫離了實(shí)際，未把CAD、SolidWorks、MATLAB 這些軟件結(jié)合起來教學(xué)[2]，和企業(yè)對人才的需求是相脫節(jié)的。

1.3 考核方式滯后

現(xiàn)有的考核分為平時成績、實(shí)驗(yàn)成績、考試成績，雖然平時成績由作業(yè)、簽到、平時表現(xiàn)幾部分組成，但是在平時表現(xiàn)上沒有做到細(xì)化，考核不是很明確，設(shè)置的問題討論缺少深度和廣度，作業(yè)形式比較單一，基本是以習(xí)題為主，缺乏有創(chuàng)新性的題目和設(shè)計(jì)類的題目。實(shí)驗(yàn)考評環(huán)節(jié)中驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)偏多，課程的最終考核以書面考試的方式進(jìn)行，題目答案基本是唯一的。

2 “機(jī)械原理”課程建設(shè)舉措

2.1 課程內(nèi)容的取舍、整合和更新

1）教學(xué)案例選取上結(jié)合生活實(shí)際、工程實(shí)例，緊貼時代。課程大綱要根據(jù)企業(yè)對人才的需要做出適當(dāng)調(diào)整，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，“機(jī)械原理”課程中一些圖解法的設(shè)計(jì)要和CAD、SolidWorks、MATLAB 等軟件結(jié)合起來，在授課的過程中，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整授課的環(huán)境，安排幾次課程在機(jī)房進(jìn)行講解和授課。在連桿機(jī)構(gòu)的案例選取上要結(jié)合生活中常見的機(jī)構(gòu)，如雨傘收放機(jī)構(gòu)、車門啟閉機(jī)構(gòu)、雨刮器結(jié)構(gòu)、牛頭刨床機(jī)構(gòu)、爬樓梯機(jī)器人結(jié)構(gòu)、翻斗車機(jī)構(gòu)、起重機(jī)機(jī)構(gòu)等作為重點(diǎn)案例進(jìn)行講解。引導(dǎo)學(xué)生觀察生活中的實(shí)際案例，對所學(xué)的內(nèi)容從機(jī)構(gòu)到構(gòu)件再到運(yùn)動副的拆分進(jìn)行回顧與觀察，并且思考和設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)。

2）教學(xué)內(nèi)容注重共性知識的提煉?！皺C(jī)械原理”課程研究的是機(jī)械的共性問題，主要分為兩大模塊，機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)械動力學(xué)。機(jī)構(gòu)學(xué)的對象是各種常見機(jī)構(gòu)，如連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)，研究內(nèi)容為機(jī)構(gòu)的組成原理和運(yùn)動確定性以及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析與綜合。機(jī)械動力學(xué)的研究對象是機(jī)構(gòu)和機(jī)器的組合，它的研究內(nèi)容是確定機(jī)械在已知力作用下真實(shí)的運(yùn)動規(guī)律以及調(diào)節(jié)、摩擦力、機(jī)械效率和慣性力的平衡等問題。教材的章節(jié)上貌似是獨(dú)立成章，但是有一些共性的知識點(diǎn)可以提煉出來，有利于更好地內(nèi)化。共性知識點(diǎn)如表1所示[3-4]。

表1 共性知識點(diǎn)

2.2 轉(zhuǎn)變教學(xué)理念

2.2.1 教師要樹立“新工科”教學(xué)理念

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械學(xué)的知識在不斷地增加和更新。教師作為教學(xué)活動中的主導(dǎo)者，不但要能把本門課程的專業(yè)知識理解通透、知識點(diǎn)梳理清楚、能清楚明白地講解給學(xué)生，更重要的是在授課的過程中要把本課程的理論知識和生活實(shí)例與工程問題結(jié)合起來，豐富教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣。因此，教師本身要不斷地學(xué)習(xí)，跳出教材內(nèi)容的限制，多關(guān)注本學(xué)科的發(fā)展動態(tài)，針對課程的授課方式方法要進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐練習(xí)，在教學(xué)過程中不斷地反思和總結(jié)，針對教學(xué)活動進(jìn)行教改研究，針對學(xué)科科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行科研項(xiàng)目研究，這樣才能讓自己的思想和眼界更開闊，在教學(xué)過程中自如地引入新案例、應(yīng)用新理念和新方法。

2.2.2 以學(xué)生發(fā)展為中心進(jìn)行教學(xué)活動的設(shè)計(jì)

教師在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的時候，要以人才培育為主線，搞清楚本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，確定課程目標(biāo)，再制定每次課的教學(xué)目標(biāo)，針對每節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)行課程教學(xué)活動的設(shè)計(jì)，確定是采用翻轉(zhuǎn)教學(xué)還是案例教學(xué)。教學(xué)活動設(shè)計(jì)的宗旨是教師是引導(dǎo)者，以學(xué)生為中心。教學(xué)活動要能涵蓋課前、課中和課后?！皺C(jī)械原理”課程主要是研究機(jī)械結(jié)構(gòu)的，各章的中心要有所不同。按照以適用性為主的原則，把與中心無關(guān)的內(nèi)容作適當(dāng)調(diào)整。機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動分析和受力分析，屬于機(jī)構(gòu)中的共性問題，而連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)及輪系屬于機(jī)構(gòu)中的特性問題。對重點(diǎn)章節(jié)，要進(jìn)行深入細(xì)致的分析，講課時能有所側(cè)重。對非重點(diǎn)章節(jié)，如機(jī)械的平衡和機(jī)械速度波動的調(diào)節(jié)等，講課時則只作一般性的介紹，學(xué)生可以通過在線資料進(jìn)行自學(xué)。

在課前的教學(xué)活動設(shè)計(jì)上要考慮到學(xué)生的時間、空間，課中要考慮學(xué)生在課堂上注意力集中的時間曲線，課后的作業(yè)設(shè)置上也要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況以培養(yǎng)滿足新工科要求的人才為主線。比如，傳統(tǒng)的作業(yè)通常是以課后習(xí)題為主的作業(yè)，作業(yè)方式比較單一，改變傳統(tǒng)的單一的作業(yè)方式，為了滿足不同學(xué)生的需要，可以把作業(yè)分為三種類型，一是滿足基礎(chǔ)知識要求的題目，二是提高性的題目，三是以設(shè)計(jì)為主的題目[5]。第一類題目要求所有同學(xué)都完成和掌握，這類題目的答案通常是唯一的，可以利用信息化教學(xué)平臺進(jìn)行完成，方便學(xué)生提交和老師批閱。第二類題目通常是在第一類的基礎(chǔ)上增加了一定的難度，這類題目作為附加的題目，可以滿足有深造想法的同學(xué)的需求。第三類是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、工程訓(xùn)練能力的拓展性題目，這類題目要求3~4 位同學(xué)為一組來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。每位同學(xué)必須至少提出一種設(shè)計(jì)方案，然后大家討論選取一種最優(yōu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，以團(tuán)隊(duì)的形式完成，完成這類題目需要查閱文獻(xiàn)、研討方案、團(tuán)隊(duì)協(xié)作，有利于培養(yǎng)復(fù)合型人才。比如，尋找生活中的案例，通過方案制定、運(yùn)動簡圖繪制、軟件建模，到最后進(jìn)行運(yùn)動分析和動力分析、撰寫研究報(bào)告，并進(jìn)行答辯。在答辯過程中，老師和其他組的同學(xué)可以進(jìn)行提問和點(diǎn)評，對做得好的方面加以肯定和鼓勵。答辯也是大家互相學(xué)習(xí)和溝通的一次很好的機(jī)會，這樣在整個項(xiàng)目的完成過程中，就可以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)的效果。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中適當(dāng)?shù)販p少驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，增加創(chuàng)新設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，老師要用頭腦風(fēng)暴等創(chuàng)新思維引導(dǎo)學(xué)生多思考和分析。比如在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以根據(jù)提供的桿件、運(yùn)動副、凸輪、齒輪等進(jìn)行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新搭建實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教材給定的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理化創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新首先要遵循安全的約束，在這個條件下，搭建能實(shí)現(xiàn)某種功能的機(jī)構(gòu)。然后老師引導(dǎo)學(xué)生通過自由度的計(jì)算判斷該機(jī)構(gòu)是否具有確定的運(yùn)動，再思考其他能實(shí)現(xiàn)同樣功能的結(jié)構(gòu)，從機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度、運(yùn)動副的摩擦力等方面進(jìn)行機(jī)構(gòu)性能的判斷，不但可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，也可以培養(yǎng)學(xué)生的批判精神。

2.2.3 以立德樹人為目標(biāo)

教育的根本是要為國家培養(yǎng)五育并舉的人才，教師在授課過程中，通過對機(jī)械發(fā)展史的引入，把古代的指南車，現(xiàn)代的天宮、蛟龍、國產(chǎn)航母、國產(chǎn)大飛機(jī)、超級計(jì)算機(jī)、北斗等融入課堂，培養(yǎng)學(xué)生主人翁意識，樹立愛國情懷、民族自豪感，引導(dǎo)學(xué)生對國家制造裝備、智能制造政策、核心價(jià)值觀的認(rèn)同。教師通過自身言行樹立榜樣，用豐富的專業(yè)知識和人格魅力去贏得學(xué)生的尊重，潛移默化地影響學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和人生觀[6-7]。通過對常見機(jī)構(gòu)的講解，引導(dǎo)學(xué)生去探索身邊的各種機(jī)構(gòu)，培養(yǎng)理論和實(shí)踐結(jié)合的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維方式。在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新中，通過對創(chuàng)新意義的講解，讓學(xué)生明白創(chuàng)新要符合社會發(fā)展的需求，不能為了自身利益做一些對社會和他人無益的事情，讓學(xué)生把安全、法律、規(guī)范放在心里，培養(yǎng)學(xué)生的法律意識和規(guī)范意識。

2.3 轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)理念

傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生習(xí)慣了老師安排什么做什么。那么在“新工科”背景下，老師是引導(dǎo)者，學(xué)生要能自己在老師的引導(dǎo)下進(jìn)行學(xué)習(xí)。比如課前的預(yù)習(xí)，老師安排了任務(wù)，但只給出了時間段，學(xué)生要自己根據(jù)自己的時間和學(xué)習(xí)習(xí)慣去安排學(xué)習(xí)。如果安排了拓展型的設(shè)計(jì)作業(yè)，那么小組中的同學(xué)要互相協(xié)調(diào)進(jìn)行任務(wù)的安排。引導(dǎo)作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生轉(zhuǎn) 變被動學(xué)習(xí)的習(xí)慣，做好時間規(guī)劃和管理，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作、查閱資料、分析問題和解決問題從而完成項(xiàng)目。

2.4 優(yōu)化考核評價(jià)方式

“機(jī)械原理”課程在整個機(jī)械課程體系中對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力有著很重要的作用，所以考核方面要能體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新能力[8-10]。傳統(tǒng)的考核中分了平時、實(shí)驗(yàn)、考試三部分。但是，以往的考核方式存在問題比較大的是平時成績和實(shí)驗(yàn)成績，對學(xué)生的過程性考核做得比較粗糙，不能有效體現(xiàn)學(xué)生的個體差異和學(xué)習(xí)習(xí)慣。那么在考核方式的優(yōu)化中，一方面要對學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識進(jìn)行考核，另一方面要對學(xué)生創(chuàng)新能力進(jìn)行考核?？己嗽u價(jià)方式優(yōu)化后，平時成績占30%，實(shí)驗(yàn)成績占20%，考試成績占50%。

過程性考核可以利用信息化的技術(shù)手段，對學(xué)生平時在課前的預(yù)習(xí)習(xí)慣、課后的作業(yè)習(xí)慣、參加討論的習(xí)慣、課中對問題的回答和理解、小組活動中的表現(xiàn)進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)；對于創(chuàng)新能力，從小組活動、同組同學(xué)之間的打分、教師的觀察等各方面進(jìn)行考核。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核中只是以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式進(jìn)行考核，而實(shí)驗(yàn)報(bào)告也只是針對實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法的考核，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣、解決問題的能力沒有進(jìn)行考核，所以在優(yōu)化考核方式時要把實(shí)驗(yàn)習(xí)慣、分析和解決問題的能力體現(xiàn)出來。

3 結(jié)語

綜上所述，課題組從“新工科”對傳統(tǒng)工科專業(yè)提出新要求的角度出發(fā)，分析了“機(jī)械原理”課程中存在的一些問題，根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出了應(yīng)該從教學(xué)內(nèi)容整合和取舍、教師自身綜合素養(yǎng)的提升、引導(dǎo)學(xué)生改變學(xué)習(xí)習(xí)慣、以學(xué)生的發(fā)展為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)和評價(jià)體系進(jìn)行課程的建設(shè)，概括講就是以新工科為背景、以學(xué)生的發(fā)展為中心、以立德樹人為目標(biāo)的課程建設(shè)，以期提高教學(xué)質(zhì)量。