從Place連接Space助推“機械原理”一流課程建設(shè)

仝美娟，解妙霞，耿素花

（西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710055）

一、課程建設(shè)的背景

隨著社會科學技術(shù)進步對機械工程領(lǐng)域的極大推動，機械裝備的應(yīng)用范圍和智能化得到了大力發(fā)展，促進了各式各樣、各類型各功能現(xiàn)代機械裝備的大量涌現(xiàn)和機構(gòu)學研究的突飛猛進，產(chǎn)生了眾多機械新機構(gòu)（如柔順機構(gòu)、變胞機構(gòu)等）、新理論（如柔順機構(gòu)學、并聯(lián)機構(gòu)學等）和分析設(shè)計新方法、新手段（如虛擬樣機仿真技術(shù)等）。這些都為“機械原理”課程的教學與課程建設(shè)注入了新鮮血液，同時也提出了巨大挑戰(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)水平和教學效果決定著專業(yè)人才培養(yǎng)目標是否實現(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“雙萬計劃”，提出建設(shè)五類“金課”，并明確了“兩性一度”的標準。一流課程的核心是以目標導向、學生中心、產(chǎn)出導向等現(xiàn)代教育教學理念為基礎(chǔ)，實現(xiàn)高階能力培養(yǎng)的課程［1］。

二、“機械原理”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)思路與實踐都值得學習。清華大學在“電路原理”課程中強調(diào)在內(nèi)容質(zhì)量和學習成效兩個方面中既要堅守下界，又要用關(guān)鍵突破提高其上界，以使課程達到一流的標準和要求［2］。華東理工大學從課程教學內(nèi)容的共性知識提煉，以問題的提出和解答為主線，適時地從引入和拓展新知識等方面著手，以提升“機械原理”課程教學質(zhì)量［3］。西北工業(yè)大學在“機械原理”課程中，提出了將傳統(tǒng)教學與互聯(lián)網(wǎng)背景相結(jié)合的思路，以培養(yǎng)人文素養(yǎng)和創(chuàng)建新時代一流課程為目標，并致力于構(gòu)建教學團隊和信息技術(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“機械原理”課程建設(shè)中具有一定的引領(lǐng)作用［4］。

“機械原理”作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在機械學科中占據(jù)著重要位置。當代高等教育對基礎(chǔ)課程的定位方式已經(jīng)從place發(fā)展到了space。原來課程僅有一個地理定位，但是觸手可及的資源迅速將學習者吸納進了一個space里，一個可以無盡選擇的空間中。當前，機械領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，“萬物互聯(lián)”的時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爭力，就要建立動態(tài)發(fā)展的多方向連接的space學習空間。

當課程從place連接到space，學生可以根據(jù)自身投入的時間和學習目標等個性化需求，在space中選擇適合自身發(fā)展的站位，既能為學生提供選擇的自由度，又能通過課程的自我迭代推動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)“機械原理”課程的特點，結(jié)合企業(yè)需求和學科前沿技術(shù)，確定科學的課程體系建設(shè)目標；然后通過內(nèi)容建設(shè)、組織教學、雙向評價三個教學實踐過程，實現(xiàn)多向連接的space課程體系。

三、基于place連接space的課程建設(shè)實施

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

（一）教學內(nèi)容建設(shè)

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

1.基礎(chǔ)理論連接科技前沿理論?！皺C械原理”課程主要研究常用機構(gòu)的工作原理和其運動學、動力學性能。面對新機械和新領(lǐng)域，課程內(nèi)容首先應(yīng)該遵循“不否定”原則，夯實機構(gòu)自由度、類型綜合、桿數(shù)綜合等基礎(chǔ)知識。

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習中，遵循“不止步”的原則。比如，將常用機構(gòu)的內(nèi)涵擴展，以及構(gòu)件和運動副定義廣義化，即把彈性構(gòu)件、柔性機構(gòu)、微小構(gòu)件等引入機構(gòu)中；把運動副定義也擴展到柔性鉸鏈和廣義運動副定義等。由此，學生可以更加深入理解在人的腹腔內(nèi)進行外科手術(shù)的手術(shù)刀、在人的血管中爬行的微納機械等。將機構(gòu)生物化與智能化的理論引入教學，使學生理解各種仿生機構(gòu)、變胞機構(gòu)及變拓撲機構(gòu)等；再引入機構(gòu)的可控性，利用驅(qū)動元件的可控性，使機構(gòu)通過有規(guī)律的輸入運動實現(xiàn)可控的運動輸出，擴展機構(gòu)的應(yīng)用范圍，使學生能接觸到串聯(lián)、并聯(lián)機器人以及微機電系統(tǒng)。隨著輕型、高速機器的發(fā)展，我們不能再忽略構(gòu)件彈性變形的存在?？紤]構(gòu)件變形引起的彈性位移很小，機構(gòu)的名義位移可以用剛體機構(gòu)運動分析方法求出，彈性位移使用振動理論求出。這樣，在機器動力學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。

將機構(gòu)學基礎(chǔ)理論連接至組合機構(gòu)、氣、液、光、電等環(huán)節(jié)的新機構(gòu)理論，能使“機械原理”課程內(nèi)容保持著動態(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)計方法。伴隨著控制與信息技術(shù)的引入，機構(gòu)學與驅(qū)動、控制、信息等學科交叉融合，使得現(xiàn)代機械發(fā)生了廣泛、深刻的變化，研究內(nèi)容明顯擴展。因而，需要引入現(xiàn)代設(shè)計方法解決問題。

解決某一具體問題時，要選擇合適的分析與設(shè)計方法。利用商用軟件比如SolidWorks、Proe/E、Adams、ANSYS等進行機構(gòu)的建模、分析及仿真；利用數(shù)學軟件比如Matlab或Mathematic進行機構(gòu)分析。當面對新機械和新領(lǐng)域時，要想實現(xiàn)設(shè)計者自身的創(chuàng)造力，學習現(xiàn)代設(shè)計輔助工具是一種基本的解決問題方法。學習現(xiàn)代設(shè)計輔助工具比如SolidWorks、Proe/E、Adams、ANSYS等，一方面，能對課程的理論知識有更直觀的認識和深層次的理解，為理論學習提供必要而有益的補充；另一方面，課程源于工程實踐問題，課程的學習離不開工程實踐問題。應(yīng)用這些輔助設(shè)計工具，能將理論應(yīng)用于實踐中，進行創(chuàng)新性設(shè)計，直接提升學生分析和解決復雜工程問題等方面的能力。比如：指導學生學習ADAMS工具。另外，精度高、速度快的圖解法尤其現(xiàn)代數(shù)學工具比如微分幾何（如Lie group and Lie algebra）、旋量理論（scrow theory）、有限幾何（line geometry）等應(yīng)用在機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的方面，是一種高效、可靠的解決問題方法。因而，指導學生學習多種現(xiàn)代設(shè)計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。

建立這兩個重要連接，使課程內(nèi)容連接現(xiàn)代科技前沿技術(shù)，實現(xiàn)了課程內(nèi)容“不止步”的動態(tài)化發(fā)展，有效地訓練了學生的邏輯思維能力，為他們在未來的新領(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，可以采用嚴格的教學組織有效實現(xiàn)。

（二）教學組織建設(shè)

課程內(nèi)容從place連接space，需要有效地開展教學組織的連接。教學活動是有指向性的活動，是推進一流課程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。教學組織建設(shè)主要從以下兩個方面連接space。

第一，課堂教學連接MOOC（大規(guī)模在線教育）。在教學活動的重要環(huán)節(jié)中，應(yīng)該遵循以學生為教學活動中心的原則，為學生提供多種選擇，使學生能根據(jù)自己對學習成效的預期和可能的投入進行選擇，解決學習過程中主動性的問題。

由于學生學習背景和個人自身特點等方面的差異性，不同學生對專業(yè)基礎(chǔ)課程會產(chǎn)生不同層次的要求。因此，在教學過程中教師可以采用多層次的方式組織教學，學生對所學內(nèi)容按照自己的投入時間和精力進行選擇。課堂可以解決基本知識，MOOC突破了教學的時間和空間邊界，可以解決不同層次的重點及難點問題。以“自鎖問題”為例：第一層次，比較機構(gòu)中摩擦力、彈簧力、慣性力、重力等多種互相作用力的大小，當驅(qū)動力小于保持力的條件成立，即F驅(qū)動≤F保持，機械裝置即可維持現(xiàn)有狀態(tài)不變；這一層次僅需在課程教學過程就可以明確課程內(nèi)容的重點及難點，學生在學習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、推力傳動機構(gòu)、尼龍自鎖螺母等裝置，進一步深究機械中自鎖的各類現(xiàn)象并總結(jié)自鎖的本質(zhì)；這一層次需要學生投入較多精力，突出理論和工程實踐之間的連接性，提升解決問題的能力。第三層次，學生要主動探究在特定的條件、場景下自鎖的應(yīng)用，比如應(yīng)用了蝸桿蝸輪傳動裝置的自鎖性能可以解決卷揚提升裝置的安全性問題和地面火炮高低機傳動鏈的磨損問題等。這一層次需要學生投入大量精力，深刻思考，突出多重專業(yè)化程度，凸顯課程高階性的特點。

建立從課堂教學到MOOC（慕課）的連接，可以促進學生的個體化發(fā)展，實現(xiàn)一流課程高階性的要求。

第二，理論分析連接工程實踐。在教學活動中以學生為中心時，學生在學習過程中會接觸大量的現(xiàn)代工程問題，此時應(yīng)以教師為主導，讓教師為學生提供目標清晰的學習任務(wù)，使學生既在學中練，又在練中學。這一重要環(huán)節(jié)能解決學生學習積極性不足的問題。

考慮到“機械原理”課程源于工程問題，具有實踐性、應(yīng)用性強等特點，當課程內(nèi)容連接科技前沿理論時，不僅需要發(fā)展學生的認知能力，也需要提高行動能力。因而，在組織教學中引入針對機械系統(tǒng)仿真的多種現(xiàn)代設(shè)計輔助工具（Solid-Works、ADAMS、ANSYS等），可以搭建理論與實踐之間的橋梁。因而，教師有方向性地引導學生學習并使用現(xiàn)代設(shè)計輔助工具，就能提高學生提升分析和解決工程問題的能力。比如，在講解機構(gòu)組成與常用機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計課程內(nèi)容時，對應(yīng)著ADAMS技術(shù)中創(chuàng)建構(gòu)件和運動副連接組成機構(gòu)的部分，可以用汽車雨刮器和無碳小車等多個實例進行工程訓練；在講解到運動學和動力學性能分析課程內(nèi)容時，對應(yīng)著ADAMS技術(shù)中施加驅(qū)動（等速驅(qū)動）和對模型進行后處理部分等，可以用路面壓力機的振動與噪聲問題及牛頭刨床提高加工精度的分析等多個實例進行工程訓練。

因而，當學生使用ADAMS輔助工具時，就能進一步建立從理論分析到工程實踐的連接。這一過程直接促進了學生的形象與抽象思維的發(fā)展，間接實現(xiàn)了一流課程創(chuàng)新性的要求。

（三）雙向交流建設(shè)

在教學中，師生互動交流是教與學過程中的重要環(huán)節(jié)。師生雙向評價即從教師評“學”連接學生評“教”，形成了一個動態(tài)交流過程，是一個師生雙向交流的有效手段。

1.專家評價連接學生評價。教的過程作為一種直接知識輸入，是教學的重要環(huán)節(jié)。因而，采用教學督導和同行專家對教的內(nèi)容、方法和效果進行綜合評價，能保障教學質(zhì)量達成專業(yè)知識、能力和素質(zhì)等人才培養(yǎng)教學目標。在教學過程中，如果“教”是供給，那么“學”就是需求。學生要提出值得思考的問題，在價值引領(lǐng)、知識傳授、學科前沿、課后輔導和學習成效等方面對課程動態(tài)提問，進行知識輸出。因而，學生對“教”的評價，能幫助他重新思考自己已知的部分，去探索未知的部分。

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

2.教師評價“學”的結(jié)果連接“學”的過程。通常考題與知識要點對應(yīng)，其目的指向水平測試［5］。因而，考試評價具有目標驅(qū)動的功能，是當前認可度較高的一種學習評價方式，屬于瞬間爆發(fā)式的評價。然而，在長期的實踐中，其不足之處也顯而易見。在教學過程中，“學”的過程決定“學”的結(jié)果。與同學互動得越頻繁，越容易讓學生知道錯誤在哪里，學生才越能認識到自己知識和能力的不足之處，通過及時地反饋信息，促使學生有機會修正問題，從而順利獲得新知識，提高課程的總體質(zhì)量。因而，需要對出現(xiàn)的問題進行記錄、分類和反思，建立一個過程評價體系。

過程評價是另一個維度的評價方式，屬于階段持續(xù)性的評價。當學習過程的穩(wěn)定性加強時，必然會有結(jié)果的穩(wěn)定性。在當前的評價體系中，已將考試成績從原來占總成績的70%下降到40%，過程性評價從原來的20%提高到40%，實驗成績從原來10%提高到20%。加強過程評價體系在一定程度上推動了課程評價科學化的發(fā)展，然而，它天生帶有評價者的主觀性，需要持續(xù)優(yōu)化來改進結(jié)果評價體系和客觀的過程評價體系，最大化發(fā)揮課程評價在教學中的推動作用。

四、課程建設(shè)成效與持續(xù)改進

（一）成效

采用上述方式建設(shè)教材內(nèi)容、科學地組織教學和評價，將“教”與“學”由place連接到space，極大地擴充了知識容量，增加了學習者可選擇學習的自由度，使學生所學的專業(yè)理論具有了高階性和創(chuàng)新思維能力。

（二）持續(xù)改進

由于學生個體能力的差異，部分學生對知識連接的動態(tài)模式不適應(yīng)，考查結(jié)果出現(xiàn)了兩極分化。因此，“機械原理”課程將持續(xù)優(yōu)化課程體系，包括拓寬教學內(nèi)容、更新教學案例、加強師生雙向交流等。首先，開發(fā)更多的網(wǎng)絡(luò)資源，有效地管理學生的學習狀態(tài)，適當增加對學生學習質(zhì)量的監(jiān)督；其次，增加形成性評價比重，將主觀形式考核和客觀考核有效結(jié)合，持續(xù)跟蹤學習交流反饋；最后，將課程思政與專業(yè)課程有機融合，形成協(xié)同效應(yīng)。

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