從Place連接Space助推“機(jī)械原理”一流課程建設(shè)

仝美娟，解妙霞，耿素花

（西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

一、課程建設(shè)的背景

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域的極大推動(dòng)，機(jī)械裝備的應(yīng)用范圍和智能化得到了大力發(fā)展，促進(jìn)了各式各樣、各類型各功能現(xiàn)代機(jī)械裝備的大量涌現(xiàn)和機(jī)構(gòu)學(xué)研究的突飛猛進(jìn)，產(chǎn)生了眾多機(jī)械新機(jī)構(gòu)（如柔順機(jī)構(gòu)、變胞機(jī)構(gòu)等）、新理論（如柔順機(jī)構(gòu)學(xué)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)等）和分析設(shè)計(jì)新方法、新手段（如虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)等）。這些都為“機(jī)械原理”課程的教學(xué)與課程建設(shè)注入了新鮮血液，同時(shí)也提出了巨大挑戰(zhàn)和新要求。

課程是專業(yè)人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)和依托，課程建設(shè)水平和教學(xué)效果決定著專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)，決定著一流專業(yè)和一流本科建設(shè)的質(zhì)量和水平，因此，課程建設(shè)在高校教學(xué)能力建設(shè)中具有舉足輕重的地位和影響。2019年，我國正式推出一流課程和“雙萬計(jì)劃”，提出建設(shè)五類“金課”，并明確了“兩性一度”的標(biāo)準(zhǔn)。一流課程的核心是以目標(biāo)導(dǎo)向、學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向等現(xiàn)代教育教學(xué)理念為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高階能力培養(yǎng)的課程［1］。

二、“機(jī)械原理”一流課程建設(shè)總體方案

在全國開展的一流課程建設(shè)中，許多高校的課程建設(shè)思路與實(shí)踐都值得學(xué)習(xí)。清華大學(xué)在“電路原理”課程中強(qiáng)調(diào)在內(nèi)容質(zhì)量和學(xué)習(xí)成效兩個(gè)方面中既要堅(jiān)守下界，又要用關(guān)鍵突破提高其上界，以使課程達(dá)到一流的標(biāo)準(zhǔn)和要求［2］。華東理工大學(xué)從課程教學(xué)內(nèi)容的共性知識(shí)提煉，以問題的提出和解答為主線，適時(shí)地從引入和拓展新知識(shí)等方面著手，以提升“機(jī)械原理”課程教學(xué)質(zhì)量［3］。西北工業(yè)大學(xué)在“機(jī)械原理”課程中，提出了將傳統(tǒng)教學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)背景相結(jié)合的思路，以培養(yǎng)人文素養(yǎng)和創(chuàng)建新時(shí)代一流課程為目標(biāo)，并致力于構(gòu)建教學(xué)團(tuán)隊(duì)和信息技術(shù)的深度融合，打造一流精品數(shù)字化共享課程，這一舉措在“機(jī)械原理”課程建設(shè)中具有一定的引領(lǐng)作用［4］。

“機(jī)械原理”作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在機(jī)械學(xué)科中占據(jù)著重要位置。當(dāng)代高等教育對(duì)基礎(chǔ)課程的定位方式已經(jīng)從place發(fā)展到了space。原來課程僅有一個(gè)地理定位，但是觸手可及的資源迅速將學(xué)習(xí)者吸納進(jìn)了一個(gè)space里，一個(gè)可以無盡選擇的空間中。當(dāng)前，機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，“萬物互聯(lián)”的時(shí)代給出可選擇的自由度已經(jīng)大到過去無法想象的程度。因而，課程要塑造自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力，就要建立動(dòng)態(tài)發(fā)展的多方向連接的space學(xué)習(xí)空間。

當(dāng)課程從place連接到space，學(xué)生可以根據(jù)自身投入的時(shí)間和學(xué)習(xí)目標(biāo)等個(gè)性化需求，在space中選擇適合自身發(fā)展的站位，既能為學(xué)生提供選擇的自由度，又能通過課程的自我迭代推動(dòng)課程成為具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的一流課程。本研究首先根據(jù)“機(jī)械原理”課程的特點(diǎn)，結(jié)合企業(yè)需求和學(xué)科前沿技術(shù)，確定科學(xué)的課程體系建設(shè)目標(biāo)；然后通過內(nèi)容建設(shè)、組織教學(xué)、雙向評(píng)價(jià)三個(gè)教學(xué)實(shí)踐過程，實(shí)現(xiàn)多向連接的space課程體系。

三、基于place連接space的課程建設(shè)實(shí)施

在課程建設(shè)中，教學(xué)內(nèi)容屬于基本資源，教學(xué)組織屬于基本形式，雙向交流屬于重要環(huán)節(jié)。“機(jī)械原理”課程主要從教學(xué)內(nèi)容建設(shè)、教學(xué)組織建設(shè)和雙向交流建設(shè)三個(gè)方面組織實(shí)施。

（一）教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

我國正處于全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家新征程的時(shí)期，工業(yè)飛速發(fā)展，科技進(jìn)步日新月異。課程內(nèi)容源于生產(chǎn)實(shí)踐，隨著生產(chǎn)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，課程內(nèi)容也應(yīng)當(dāng)做出響應(yīng)，即以基本理論和方法為主體，從新理論和新方法兩個(gè)方面連接space，助推機(jī)械原理學(xué)科的發(fā)展。

1.基礎(chǔ)理論連接科技前沿理論?！皺C(jī)械原理”課程主要研究常用機(jī)構(gòu)的工作原理和其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能。面對(duì)新機(jī)械和新領(lǐng)域，課程內(nèi)容首先應(yīng)該遵循“不否定”原則，夯實(shí)機(jī)構(gòu)自由度、類型綜合、桿數(shù)綜合等基礎(chǔ)知識(shí)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)將科技前沿理論逐步引入課程學(xué)習(xí)中，遵循“不止步”的原則。比如，將常用機(jī)構(gòu)的內(nèi)涵擴(kuò)展，以及構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副定義廣義化，即把彈性構(gòu)件、柔性機(jī)構(gòu)、微小構(gòu)件等引入機(jī)構(gòu)中；把運(yùn)動(dòng)副定義也擴(kuò)展到柔性鉸鏈和廣義運(yùn)動(dòng)副定義等。由此，學(xué)生可以更加深入理解在人的腹腔內(nèi)進(jìn)行外科手術(shù)的手術(shù)刀、在人的血管中爬行的微納機(jī)械等。將機(jī)構(gòu)生物化與智能化的理論引入教學(xué)，使學(xué)生理解各種仿生機(jī)構(gòu)、變胞機(jī)構(gòu)及變拓?fù)錂C(jī)構(gòu)等；再引入機(jī)構(gòu)的可控性，利用驅(qū)動(dòng)元件的可控性，使機(jī)構(gòu)通過有規(guī)律的輸入運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)可控的運(yùn)動(dòng)輸出，擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍，使學(xué)生能接觸到串聯(lián)、并聯(lián)機(jī)器人以及微機(jī)電系統(tǒng)。隨著輕型、高速機(jī)器的發(fā)展，我們不能再忽略構(gòu)件彈性變形的存在。考慮構(gòu)件變形引起的彈性位移很小，機(jī)構(gòu)的名義位移可以用剛體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方法求出，彈性位移使用振動(dòng)理論求出。這樣，在機(jī)器動(dòng)力學(xué)性能方面就可以將剛性構(gòu)件的研究連接至構(gòu)件的彈性形變。

將機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)理論連接至組合機(jī)構(gòu)、氣、液、光、電等環(huán)節(jié)的新機(jī)構(gòu)理論，能使“機(jī)械原理”課程內(nèi)容保持著動(dòng)態(tài)更新的狀態(tài)，持續(xù)地連接科技前沿陣地。

2.解決問題的方法連接現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。伴隨著控制與信息技術(shù)的引入，機(jī)構(gòu)學(xué)與驅(qū)動(dòng)、控制、信息等學(xué)科交叉融合，使得現(xiàn)代機(jī)械發(fā)生了廣泛、深刻的變化，研究?jī)?nèi)容明顯擴(kuò)展。因而，需要引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法解決問題。

解決某一具體問題時(shí)，要選擇合適的分析與設(shè)計(jì)方法。利用商用軟件比如SolidWorks、Proe/E、Adams、ANSYS等進(jìn)行機(jī)構(gòu)的建模、分析及仿真；利用數(shù)學(xué)軟件比如Matlab或Mathematic進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析。當(dāng)面對(duì)新機(jī)械和新領(lǐng)域時(shí)，要想實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者自身的創(chuàng)造力，學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)輔助工具是一種基本的解決問題方法。學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)輔助工具比如SolidWorks、Proe/E、Adams、ANSYS等，一方面，能對(duì)課程的理論知識(shí)有更直觀的認(rèn)識(shí)和深層次的理解，為理論學(xué)習(xí)提供必要而有益的補(bǔ)充；另一方面，課程源于工程實(shí)踐問題，課程的學(xué)習(xí)離不開工程實(shí)踐問題。應(yīng)用這些輔助設(shè)計(jì)工具，能將理論應(yīng)用于實(shí)踐中，進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，直接提升學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題等方面的能力。比如：指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)ADAMS工具。另外，精度高、速度快的圖解法尤其現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具比如微分幾何（如Lie group and Lie algebra）、旋量理論（scrow theory）、有限幾何（line geometry）等應(yīng)用在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方面，是一種高效、可靠的解決問題方法。因而，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)多種現(xiàn)代設(shè)計(jì)輔助工具和理論能使其具有多角度、多層次解決問題的能力。

建立這兩個(gè)重要連接，使課程內(nèi)容連接現(xiàn)代科技前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了課程內(nèi)容“不止步”的動(dòng)態(tài)化發(fā)展，有效地訓(xùn)練了學(xué)生的邏輯思維能力，為他們?cè)谖磥淼男骂I(lǐng)域中打下了創(chuàng)新的基礎(chǔ)。此外，課程內(nèi)容連接space的占位，可以采用嚴(yán)格的教學(xué)組織有效實(shí)現(xiàn)。

（二）教學(xué)組織建設(shè)

課程內(nèi)容從place連接space，需要有效地開展教學(xué)組織的連接。教學(xué)活動(dòng)是有指向性的活動(dòng)，是推進(jìn)一流課程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。教學(xué)組織建設(shè)主要從以下兩個(gè)方面連接space。

第一，課堂教學(xué)連接MOOC（大規(guī)模在線教育）。在教學(xué)活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)中，應(yīng)該遵循以學(xué)生為教學(xué)活動(dòng)中心的原則，為學(xué)生提供多種選擇，使學(xué)生能根據(jù)自己對(duì)學(xué)習(xí)成效的預(yù)期和可能的投入進(jìn)行選擇，解決學(xué)習(xí)過程中主動(dòng)性的問題。

由于學(xué)生學(xué)習(xí)背景和個(gè)人自身特點(diǎn)等方面的差異性，不同學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課程會(huì)產(chǎn)生不同層次的要求。因此，在教學(xué)過程中教師可以采用多層次的方式組織教學(xué)，學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容按照自己的投入時(shí)間和精力進(jìn)行選擇。課堂可以解決基本知識(shí)，MOOC突破了教學(xué)的時(shí)間和空間邊界，可以解決不同層次的重點(diǎn)及難點(diǎn)問題。以“自鎖問題”為例：第一層次，比較機(jī)構(gòu)中摩擦力、彈簧力、慣性力、重力等多種互相作用力的大小，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力小于保持力的條件成立，即F驅(qū)動(dòng)≤F保持，機(jī)械裝置即可維持現(xiàn)有狀態(tài)不變；這一層次僅需在課程教學(xué)過程就可以明確課程內(nèi)容的重點(diǎn)及難點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中僅投入少量精力，就能理解自鎖的基本理論。第二層次，教師結(jié)合MOOC，分析工程中各類結(jié)構(gòu)形式不同的夾具、千斤頂、推力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、尼龍自鎖螺母等裝置，進(jìn)一步深究機(jī)械中自鎖的各類現(xiàn)象并總結(jié)自鎖的本質(zhì)；這一層次需要學(xué)生投入較多精力，突出理論和工程實(shí)踐之間的連接性，提升解決問題的能力。第三層次，學(xué)生要主動(dòng)探究在特定的條件、場(chǎng)景下自鎖的應(yīng)用，比如應(yīng)用了蝸桿蝸輪傳動(dòng)裝置的自鎖性能可以解決卷揚(yáng)提升裝置的安全性問題和地面火炮高低機(jī)傳動(dòng)鏈的磨損問題等。這一層次需要學(xué)生投入大量精力，深刻思考，突出多重專業(yè)化程度，凸顯課程高階性的特點(diǎn)。

建立從課堂教學(xué)到MOOC（慕課）的連接，可以促進(jìn)學(xué)生的個(gè)體化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)一流課程高階性的要求。

第二，理論分析連接工程實(shí)踐。在教學(xué)活動(dòng)中以學(xué)生為中心時(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會(huì)接觸大量的現(xiàn)代工程問題，此時(shí)應(yīng)以教師為主導(dǎo)，讓教師為學(xué)生提供目標(biāo)清晰的學(xué)習(xí)任務(wù)，使學(xué)生既在學(xué)中練，又在練中學(xué)。這一重要環(huán)節(jié)能解決學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足的問題。

考慮到“機(jī)械原理”課程源于工程問題，具有實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，當(dāng)課程內(nèi)容連接科技前沿理論時(shí)，不僅需要發(fā)展學(xué)生的認(rèn)知能力，也需要提高行動(dòng)能力。因而，在組織教學(xué)中引入針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)仿真的多種現(xiàn)代設(shè)計(jì)輔助工具（Solid-Works、ADAMS、ANSYS等），可以搭建理論與實(shí)踐之間的橋梁。因而，教師有方向性地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)并使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)輔助工具，就能提高學(xué)生提升分析和解決工程問題的能力。比如，在講解機(jī)構(gòu)組成與常用機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容時(shí)，對(duì)應(yīng)著ADAMS技術(shù)中創(chuàng)建構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副連接組成機(jī)構(gòu)的部分，可以用汽車雨刮器和無碳小車等多個(gè)實(shí)例進(jìn)行工程訓(xùn)練；在講解到運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能分析課程內(nèi)容時(shí)，對(duì)應(yīng)著ADAMS技術(shù)中施加驅(qū)動(dòng)（等速驅(qū)動(dòng)）和對(duì)模型進(jìn)行后處理部分等，可以用路面壓力機(jī)的振動(dòng)與噪聲問題及牛頭刨床提高加工精度的分析等多個(gè)實(shí)例進(jìn)行工程訓(xùn)練。

因而，當(dāng)學(xué)生使用ADAMS輔助工具時(shí)，就能進(jìn)一步建立從理論分析到工程實(shí)踐的連接。這一過程直接促進(jìn)了學(xué)生的形象與抽象思維的發(fā)展，間接實(shí)現(xiàn)了一流課程創(chuàng)新性的要求。

（三）雙向交流建設(shè)

在教學(xué)中，師生互動(dòng)交流是教與學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)。師生雙向評(píng)價(jià)即從教師評(píng)“學(xué)”連接學(xué)生評(píng)“教”，形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)交流過程，是一個(gè)師生雙向交流的有效手段。

1.專家評(píng)價(jià)連接學(xué)生評(píng)價(jià)。教的過程作為一種直接知識(shí)輸入，是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。因而，采用教學(xué)督導(dǎo)和同行專家對(duì)教的內(nèi)容、方法和效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能保障教學(xué)質(zhì)量達(dá)成專業(yè)知識(shí)、能力和素質(zhì)等人才培養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)過程中，如果“教”是供給，那么“學(xué)”就是需求。學(xué)生要提出值得思考的問題，在價(jià)值引領(lǐng)、知識(shí)傳授、學(xué)科前沿、課后輔導(dǎo)和學(xué)習(xí)成效等方面對(duì)課程動(dòng)態(tài)提問，進(jìn)行知識(shí)輸出。因而，學(xué)生對(duì)“教”的評(píng)價(jià)，能幫助他重新思考自己已知的部分，去探索未知的部分。

從專家評(píng)價(jià)連接到學(xué)生評(píng)價(jià)形成了師生雙方更深層次的交流互動(dòng)，這種交流模糊了教師“教”和學(xué)生“學(xué)”的邊界，是一種值得探索的新型師生關(guān)系，也代表了一個(gè)先進(jìn)的評(píng)價(jià)體系。另外，在教學(xué)過程中，如果“教”是供給，那么“學(xué)”就是需求，供給與需求之間的良性關(guān)系取決于學(xué)生在“教”與“學(xué)”的過程中能否積極參與。

2.教師評(píng)價(jià)“學(xué)”的結(jié)果連接“學(xué)”的過程。通?？碱}與知識(shí)要點(diǎn)對(duì)應(yīng)，其目的指向水平測(cè)試［5］。因而，考試評(píng)價(jià)具有目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的功能，是當(dāng)前認(rèn)可度較高的一種學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方式，屬于瞬間爆發(fā)式的評(píng)價(jià)。然而，在長(zhǎng)期的實(shí)踐中，其不足之處也顯而易見。在教學(xué)過程中，“學(xué)”的過程決定“學(xué)”的結(jié)果。與同學(xué)互動(dòng)得越頻繁，越容易讓學(xué)生知道錯(cuò)誤在哪里，學(xué)生才越能認(rèn)識(shí)到自己知識(shí)和能力的不足之處，通過及時(shí)地反饋信息，促使學(xué)生有機(jī)會(huì)修正問題，從而順利獲得新知識(shí)，提高課程的總體質(zhì)量。因而，需要對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行記錄、分類和反思，建立一個(gè)過程評(píng)價(jià)體系。

過程評(píng)價(jià)是另一個(gè)維度的評(píng)價(jià)方式，屬于階段持續(xù)性的評(píng)價(jià)。當(dāng)學(xué)習(xí)過程的穩(wěn)定性加強(qiáng)時(shí)，必然會(huì)有結(jié)果的穩(wěn)定性。在當(dāng)前的評(píng)價(jià)體系中，已將考試成績(jī)從原來占總成績(jī)的70%下降到40%，過程性評(píng)價(jià)從原來的20%提高到40%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)從原來10%提高到20%。加強(qiáng)過程評(píng)價(jià)體系在一定程度上推動(dòng)了課程評(píng)價(jià)科學(xué)化的發(fā)展，然而，它天生帶有評(píng)價(jià)者的主觀性，需要持續(xù)優(yōu)化來改進(jìn)結(jié)果評(píng)價(jià)體系和客觀的過程評(píng)價(jià)體系，最大化發(fā)揮課程評(píng)價(jià)在教學(xué)中的推動(dòng)作用。

四、課程建設(shè)成效與持續(xù)改進(jìn)

（一）成效

采用上述方式建設(shè)教材內(nèi)容、科學(xué)地組織教學(xué)和評(píng)價(jià)，將“教”與“學(xué)”由place連接到space，極大地?cái)U(kuò)充了知識(shí)容量，增加了學(xué)習(xí)者可選擇學(xué)習(xí)的自由度，使學(xué)生所學(xué)的專業(yè)理論具有了高階性和創(chuàng)新思維能力。

（二）持續(xù)改進(jìn)

由于學(xué)生個(gè)體能力的差異，部分學(xué)生對(duì)知識(shí)連接的動(dòng)態(tài)模式不適應(yīng)，考查結(jié)果出現(xiàn)了兩極分化。因此，“機(jī)械原理”課程將持續(xù)優(yōu)化課程體系，包括拓寬教學(xué)內(nèi)容、更新教學(xué)案例、加強(qiáng)師生雙向交流等。首先，開發(fā)更多的網(wǎng)絡(luò)資源，有效地管理學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，適當(dāng)增加對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的監(jiān)督；其次，增加形成性評(píng)價(jià)比重，將主觀形式考核和客觀考核有效結(jié)合，持續(xù)跟蹤學(xué)習(xí)交流反饋；最后，將課程思政與專業(yè)課程有機(jī)融合，形成協(xié)同效應(yīng)。

隨著機(jī)械領(lǐng)域向縱深化發(fā)展，“機(jī)械原理”課程建立了三個(gè)維度的多方向連接，擺脫靜止的狀態(tài)，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)。伴隨“機(jī)械原理課程建設(shè)的深入推進(jìn)，課程體系會(huì)不斷迭代，助推著“機(jī)械原理”始終處于一流課程的領(lǐng)先地位。