“新工科”建設(shè)背景下“機(jī)械原理”課程的教學(xué)模式改革研究

程 誠(chéng)，吳洪狀，楊 聰

（蘇州大學(xué)未來(lái)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215222）

0 引言

“新工科”建設(shè)是適應(yīng)時(shí)代需求，推動(dòng)工程教育創(chuàng)新的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略舉措。2023 年2 月，教育部等五部門(mén)聯(lián)合印發(fā)“普通高等教育學(xué)科專(zhuān)業(yè)設(shè)置調(diào)整優(yōu)化改革方案”，提出“推動(dòng)高校積極主動(dòng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，深化學(xué)科專(zhuān)業(yè)供給側(cè)改革，全面提高人才自主培養(yǎng)質(zhì)量，建設(shè)高質(zhì)量高等教育體系”的改革指導(dǎo)意見(jiàn)。“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“控制工程基礎(chǔ)”等傳統(tǒng)工科課程是培養(yǎng)工科學(xué)生的理論和技術(shù)基礎(chǔ)的重要課程，然而教材內(nèi)容注重經(jīng)典理論和方法的介紹，忽視了實(shí)際應(yīng)用和跨學(xué)科的綜合性訓(xùn)練。因此，照本宣科的培養(yǎng)模式不能滿足新時(shí)代對(duì)工科人才的要求。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、跨學(xué)科思維、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，在信息和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展背景下，傳統(tǒng)工科課程的教學(xué)也需要不斷進(jìn)行改革和創(chuàng)新[1,2]。

為了滿足“新工科”背景下多樣化、實(shí)踐型人才的培養(yǎng)訴求，“機(jī)械原理”等傳統(tǒng)工科課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)“機(jī)械原理”課程改革進(jìn)行了研究。王大剛等[3]通過(guò)架構(gòu)產(chǎn)-學(xué)-研融合的教學(xué)內(nèi)容體系、課程混合式教學(xué)方法以及基于產(chǎn)出導(dǎo)向的課程考核評(píng)價(jià)體系，對(duì)“機(jī)械原理”課程進(jìn)行教學(xué)改革研究，取得較好效果。王君鈴等[4]研究新冠感染疫情反復(fù)背景下的“機(jī)械原理”課程在線教學(xué)，發(fā)現(xiàn)“直播+在線資源”具有較好的教學(xué)效果。仝洪月等[5]提出將學(xué)科競(jìng)賽引入“機(jī)械原理”課堂、借助多媒體實(shí)驗(yàn)室及虛擬仿真平臺(tái)、采用線上線下混合模式進(jìn)行教學(xué)，探索出一條適合民辦學(xué)校的教學(xué)模式。這些改革都取得了一些成效，但對(duì)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的結(jié)合不夠緊密，另外，思政內(nèi)容還需進(jìn)一步融入。

本文分析傳統(tǒng)工科課程的教學(xué)現(xiàn)狀，開(kāi)展“機(jī)械原理”課程教學(xué)改革研究，旨在解決教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)結(jié)合機(jī)械智能化發(fā)展現(xiàn)狀和先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，引入先進(jìn)案例教學(xué)和基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，將“機(jī)械原理”課程教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展接軌，讓學(xué)生在充分了解“機(jī)械原理”課程的重要性的基礎(chǔ)上，將理論知識(shí)與工程實(shí)際緊密結(jié)合，提高學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力；并通過(guò)設(shè)計(jì)典型案例，將思政教育融入“機(jī)械原理”教學(xué)中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)工科課程的同時(shí)，潛移默化地提升學(xué)生綜合素質(zhì)，使其更好地滿足“新工科”交叉背景下企業(yè)和社會(huì)對(duì)工業(yè)人才的要求。

1 傳統(tǒng)工科課程的教學(xué)現(xiàn)狀

“新工科”建設(shè)背景下，傳統(tǒng)工科課程教學(xué)面臨著許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械原理”“控制工程基礎(chǔ)”等傳統(tǒng)工科課程是機(jī)械工程類(lèi)本科學(xué)生的必修課程，相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)與理論的學(xué)習(xí)，對(duì)工程實(shí)踐具有重要意義。但是，隨著科技和社會(huì)的快速發(fā)展，工程領(lǐng)域的需求和挑戰(zhàn)也在不斷演變。目前高校使用的教材和傳統(tǒng)教學(xué)模式往往過(guò)于注重理論知識(shí)的傳授，這雖然提高了學(xué)生的理論水平和學(xué)習(xí)能力，但是在現(xiàn)實(shí)工程實(shí)踐中，學(xué)生還需要掌握創(chuàng)新思維、跨學(xué)科合作、實(shí)際問(wèn)題解決等能力。

“機(jī)械原理”作為機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)核心課程，是研究機(jī)械共性問(wèn)題的一門(mén)主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，它通過(guò)探討機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)原理，為學(xué)生理解和分析機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)、進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)[6]。該課程以“理論力學(xué)”知識(shí)為理論基礎(chǔ)，涉及了力學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科的交叉知識(shí)，將“理論力學(xué)”用于機(jī)構(gòu)和機(jī)器分析設(shè)計(jì)中，但并不是理論力學(xué)知識(shí)的簡(jiǎn)單重復(fù)和堆砌，而需要結(jié)合空間想象、實(shí)際問(wèn)題特點(diǎn)等進(jìn)行問(wèn)題分析與處理，具有較高的難度和很強(qiáng)的工程實(shí)踐性，采取傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生難以理解和掌握。而且，由于工科課程的專(zhuān)業(yè)性較高，對(duì)思想政治內(nèi)容的結(jié)合往往不夠深入，需要進(jìn)一步提升“立德樹(shù)人”的教學(xué)效果。具體存在的問(wèn)題如下。

1.1 課程難度大，抽象概念難以理解

“機(jī)械原理”課程教學(xué)內(nèi)容多、涵蓋面廣、工程性應(yīng)用性強(qiáng)，涉及多個(gè)學(xué)科的交叉知識(shí)，如力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理等，要求將不同學(xué)科相關(guān)基礎(chǔ)進(jìn)行整合，并形成完整的知識(shí)體系，課程難度大；包括很多抽象的知識(shí)，如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制、圖解法、機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)法等，對(duì)空間想象能力要求高，僅通過(guò)傳統(tǒng)多媒體教學(xué)和視頻演示，學(xué)生難以理解和掌握。

1.2 教學(xué)方案與智能制造發(fā)展現(xiàn)狀不匹配

“機(jī)械原理”是一門(mén)經(jīng)典課程，關(guān)注機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，注重采用圖解法等傳統(tǒng)方法進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，然而工業(yè)應(yīng)用中已采用各種先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，如利用Matlab 編程求解動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)或矢量方程、采用ADAMS 軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析等，教學(xué)方案與智能制造發(fā)展現(xiàn)狀不匹配。

1.3 思政建設(shè)不足，立德樹(shù)人效果欠佳

“機(jī)械原理”課程作為一門(mén)工科專(zhuān)業(yè)課程，思政教育尚處于探索和初步實(shí)踐階段，思政教育與專(zhuān)業(yè)教育多呈“兩張皮”現(xiàn)象，缺乏示范性思政課程案例；教師對(duì)思政內(nèi)涵、價(jià)值、意義的認(rèn)知不夠深刻，在思政元素挖掘、意識(shí)形態(tài)與課程內(nèi)容融合等方面存在不足。

2 “機(jī)械原理”課程的教學(xué)模式改革

針對(duì)工科課程“機(jī)械原理”在教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，結(jié)合“工業(yè)4.0”下工廠生產(chǎn)模式，提出基于機(jī)械智能化現(xiàn)狀和先進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革方案，通過(guò)案例引入、開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，旨在解決教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等關(guān)鍵問(wèn)題，提高學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力。具體方案如下。

2.1 強(qiáng)化跨學(xué)科融合，培養(yǎng)跨學(xué)科思維

在“機(jī)械原理”課程教學(xué)過(guò)程應(yīng)該注重與其他學(xué)科的融合，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維能力。與電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科進(jìn)行跨學(xué)科融合，探究智能機(jī)器人、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的“機(jī)械原理”應(yīng)用，讓學(xué)生從多個(gè)學(xué)科的角度思考問(wèn)題，培養(yǎng)其跨學(xué)科思維能力。

案例1：智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。在設(shè)計(jì)智能機(jī)器人時(shí)，機(jī)械原理的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)至關(guān)重要。例如，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在不同環(huán)境中自主導(dǎo)航的無(wú)人機(jī)時(shí)，機(jī)械原理可以幫助工程師分析飛行器的動(dòng)態(tài)特性，如姿態(tài)穩(wěn)定性和操縱性能，以確保安全穩(wěn)定的飛行控制。

案例2：人工智能輔助設(shè)計(jì)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，結(jié)合人工智能可以加速創(chuàng)新和優(yōu)化。通過(guò)將機(jī)械原理與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，可以開(kāi)發(fā)出自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具，用于優(yōu)化零部件的形狀、尺寸和材料，以實(shí)現(xiàn)更好的性能和效率。

2.2 注重創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力

在“機(jī)械原理”課程教學(xué)過(guò)程應(yīng)該增加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的內(nèi)容，培養(yǎng)具有創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力的人才。教授如何將“機(jī)械原理”應(yīng)用于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中，引入工程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目案例介紹，使學(xué)生了解“機(jī)械原理”在實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)作機(jī)制和解決問(wèn)題的方法，提高創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

案例1：可持續(xù)能源裝置。如微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)或太陽(yáng)能跟蹤器，需要在不同環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。機(jī)械原理的應(yīng)用可幫助優(yōu)化這些裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)制，以確保在風(fēng)、光等變化的條件下，能夠最大程度地捕獲和轉(zhuǎn)化能源。

案例2：智能家居設(shè)備。如自動(dòng)窗簾、智能門(mén)鎖等，需要能夠?qū)崿F(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)和位置控制。機(jī)械原理的知識(shí)可幫助設(shè)計(jì)師解決設(shè)備的動(dòng)力傳輸、位置控制和安全性問(wèn)題，從而提高用戶體驗(yàn)并降低設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，提升實(shí)際應(yīng)用能力

在“機(jī)械原理”課程中，應(yīng)該強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，注重將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。通過(guò)在課程中增加開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等形式，結(jié)合“機(jī)械原理”理論知識(shí)與三維虛擬樣機(jī)技術(shù)、3D 打印等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，以跨學(xué)科應(yīng)用及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目實(shí)例為參考，讓學(xué)生自主探索“機(jī)械原理”的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步提升實(shí)際應(yīng)用能力。

三維虛擬樣機(jī)技術(shù)允許學(xué)生在虛擬環(huán)境模擬機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和行為，實(shí)時(shí)觀察和分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。例如：（1）虛擬力學(xué)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中搭建機(jī)械系統(tǒng)，如杠桿、滑塊、齒輪等，然后通過(guò)操控參數(shù)和施加力來(lái)觀察系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。幫助學(xué)生直觀地理解不同力的作用、力的平衡條件以及力矩的作用。（2）運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以使用三維虛擬樣機(jī)技術(shù)模擬機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，比如擺錘的擺動(dòng)、車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎等。通過(guò)調(diào)整初始條件和參數(shù)，觀察系統(tǒng)如何隨時(shí)間變化，并分析速度、加速度等動(dòng)力學(xué)特性。

3D 打印技術(shù)在機(jī)械工程中具有廣泛的應(yīng)用，尤其是在原型制造、定制化設(shè)計(jì)和快速制造等方面。將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于“機(jī)械原理”的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生提供實(shí)際的機(jī)械系統(tǒng)制造和觀察體驗(yàn)。例如：（1）零件制造與裝配實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以使用3D 打印技術(shù)制造各種機(jī)械零件，如齒輪、連接件、桿件等。然后，可以在實(shí)驗(yàn)中將這些零件進(jìn)行裝配，以模擬不同機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)動(dòng)。通過(guò)親自參與制造和裝配過(guò)程，學(xué)生能夠更好地理解零件之間的關(guān)系，以及力、力矩和運(yùn)動(dòng)如何影響系統(tǒng)的行為。（2）動(dòng)力傳遞系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以設(shè)計(jì)和打印一個(gè)簡(jiǎn)化的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，如帶有齒輪的機(jī)構(gòu)。通過(guò)觀察這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證機(jī)械原理中的動(dòng)力學(xué)概念，如速度比、轉(zhuǎn)矩傳遞和齒輪的相互作用。

2.4 結(jié)合思政教育，深化立德樹(shù)人效果

在“機(jī)械原理”課程中，應(yīng)該將思政教育融入知識(shí)學(xué)習(xí)中，潛移默化地將國(guó)家和社會(huì)對(duì)學(xué)生的要求轉(zhuǎn)化為學(xué)生的價(jià)值選擇和行動(dòng)自覺(jué)。設(shè)計(jì)典型案例，拓展思政元素的素材與資源，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)，結(jié)合機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展形勢(shì)，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)、民族復(fù)興。

（1）平面連桿機(jī)構(gòu)思政案例。通過(guò)選擇平面連桿機(jī)構(gòu)的連桿上的不同點(diǎn)，可以得到不同的連桿曲線，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。據(jù)此，啟發(fā)學(xué)生思考“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同”，在多面性的復(fù)雜世界中，存在一個(gè)不變的內(nèi)核，連桿還是那個(gè)連桿，“廬山”還是那個(gè)“廬山”，唯一變化的是選擇的點(diǎn)或視角而已。因此，要立足于不變的內(nèi)核，看到事物的多面性，同樣地，在遇到困難時(shí)，要從多個(gè)角度思考需求有效的解決方案。

（2）齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思政案例。中國(guó)是世界上機(jī)械發(fā)展最早的國(guó)家之一，例如中國(guó)古代發(fā)明的“指南車(chē)”通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制轉(zhuǎn)向，“記里鼓車(chē)”利用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)報(bào)告行程里數(shù)。據(jù)此，引導(dǎo)學(xué)生的民族自豪意識(shí)與愛(ài)國(guó)情感，激發(fā)學(xué)生向榜樣看齊、愛(ài)國(guó)奉獻(xiàn)的情懷。

3 結(jié)語(yǔ)

在“新工科”建設(shè)背景下，“機(jī)械原理”教學(xué)內(nèi)容與課程改革探索，對(duì)相關(guān)工科專(zhuān)業(yè)的傳統(tǒng)工科課程改革都具有一定的參考價(jià)值，主要：（1）以“新工科”為背景與目標(biāo)，通過(guò)加入智能機(jī)器人、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的“機(jī)械原理”應(yīng)用，引入工程及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目實(shí)例介紹，增加先進(jìn)案例講解、基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，保證學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)智能制造發(fā)展現(xiàn)狀接軌，培養(yǎng)其跨學(xué)科思維與創(chuàng)新實(shí)踐能力。（2）強(qiáng)調(diào)立德樹(shù)人與工科課程的有機(jī)深度融合，通過(guò)設(shè)計(jì)典型案例，擴(kuò)展思政元素的素材與資源，潛移默化地將國(guó)家和社會(huì)對(duì)學(xué)生的要求轉(zhuǎn)化為學(xué)生的價(jià)值選擇和行動(dòng)自覺(jué)，實(shí)現(xiàn)“潤(rùn)物無(wú)聲”的課程思政目的。

課堂實(shí)踐表明，課程教學(xué)改革對(duì)教學(xué)起到了促進(jìn)作用，好評(píng)率達(dá)到98.2%，學(xué)生上課積極性和教學(xué)效果顯著提高。生動(dòng)有趣的案例介紹激發(fā)學(xué)生興趣，也使學(xué)生對(duì)“機(jī)械原理”課程的價(jià)值和機(jī)械行業(yè)工作有了更深入的理解；將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)引入課程教學(xué)中，提高學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生參加科研競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，為學(xué)生開(kāi)展科學(xué)研究和自主創(chuàng)業(yè)奠定了基礎(chǔ)；把思政內(nèi)容融入知識(shí)講授中，培養(yǎng)學(xué)生愛(ài)國(guó)情懷和綜合素養(yǎng)，以滿足“新工科”建設(shè)背景下的多樣化、實(shí)踐型人才培養(yǎng)需求。