面向新工科的機械原理項目式教學(xué)模式研究

李峰 秦曉峰 郭策 李秀紅 任家駿

摘? 要：新時代背景下的新工科建設(shè)中，培養(yǎng)機械類專業(yè)高層次工科創(chuàng)新人才，推動適應(yīng)新工科建設(shè)的專業(yè)課程教學(xué)改革勢在必行。機械原理作為機械類核心主干基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)新工科機械類高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才的全局中，承擔(dān)著重要作用。針對當(dāng)前機械原理課程教學(xué)中的課堂教學(xué)模式固定、教學(xué)手段單一化、創(chuàng)新教學(xué)實踐不足等問題，新工科背景下的機械原理項目式教學(xué)可以從基于翻轉(zhuǎn)課堂、案例驅(qū)動、數(shù)值模擬技術(shù)等多手段融合的項目式教學(xué)模式入手，優(yōu)化機械原理培養(yǎng)方案，重構(gòu)課程教學(xué)體系，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容，探索協(xié)同育人模式，搭建創(chuàng)新訓(xùn)練平臺。實踐表明，基于翻轉(zhuǎn)課堂的項目式教學(xué)模式能夠較好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程創(chuàng)新設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：機械原理;翻轉(zhuǎn)課堂;項目式教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）08-0085-04

Abstract： In the construction of new engineering in the new era， it is imperative to cultivate high-level innovative talents of mechanical engineering and promote the teaching reform of professional courses to adapt to the construction of new engineering. As the core basic course， mechanical principle course plays an important role in the overall situation of cultivating high-quality and innovative talents of mechanical engineering. Aiming at the problems of fixed classroom teaching mode， single teaching means and insufficient innovative teaching practice in the current teaching， the project-based teaching of mechanical principles under the background of new engineering can start with the project-based teaching mode based on flipped classroom， case driven， numerical simulation technology and other means to optimize the training scheme of mechanical principles， reconstruct the course teaching system， innovate the teaching content， explore the collaborative education mode and build an innovative training platform. Practice shows that the project-based teaching mode based on flipped classroom can better improve students' learning interest and engineering innovation design ability.

Keywords：Mechanical Principle; flipped classroom; project-based teaching; the teaching reform

高等教育肩負著培養(yǎng)國家創(chuàng)新性人才的重大任務(wù)，理應(yīng)承擔(dān)新時代所賦予的使命，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的創(chuàng)新型人才，全面提高學(xué)生的綜合專業(yè)素養(yǎng)。機械工程專業(yè)是注重理論和實際問題結(jié)合的應(yīng)用學(xué)科，承擔(dān)著培養(yǎng)具備機械產(chǎn)品設(shè)計制造、技術(shù)開發(fā)、科學(xué)研究、技術(shù)服務(wù)及生產(chǎn)組織管理等能力的復(fù)合型高素質(zhì)人才的使命，是推動“中國制造2025”，實現(xiàn)中國由制造大國走向制造強國的基礎(chǔ)支撐。尤其在新時代背景下建設(shè)新工科，需要從培養(yǎng)大國工匠和高層次工科創(chuàng)新型人才的角度來進行機械類專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革[1-2]。

機械原理是高等學(xué)校機械類專業(yè)、近機類專業(yè)的主干核心技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，主要研究各種機械的一般共性問題，即研究機構(gòu)的組成原理、機構(gòu)運動學(xué)及機器動力學(xué)，研究各種機器中常用機構(gòu)的運動及動力性能分析與設(shè)計方法，以及機械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計等[2]。機械原理課程在培養(yǎng)機械類高素質(zhì)人才的全局中，具有增強學(xué)生對機械技術(shù)工作的適應(yīng)性，培養(yǎng)其所需的基礎(chǔ)知識和基本技能以及開發(fā)創(chuàng)新能力的作用，并且起到承上啟下的橋梁作用。太原理工大學(xué)《機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)2019版培養(yǎng)計劃》中針對機械原理課程的教學(xué)畢業(yè)目標(biāo)要求是，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握從事機械工程相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，并能夠用于解決機械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題;能夠應(yīng)用機械工程科學(xué)的基本原理對機械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進行識別、表達和分析。

一、機械原理教學(xué)模式分析

國內(nèi)許多從事機械原理、機械設(shè)計基礎(chǔ)等專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)教研的高校教師，包括本科型、面向應(yīng)用型等高校，近十幾年來在機械原理的教學(xué)實踐中進行了非常多的探索，在教學(xué)模式、課程體系、學(xué)生能力培養(yǎng)方案、實踐教學(xué)等方面的教學(xué)改革都進行了深入研究[3-15]。通過對文獻綜述，針對本校課程教學(xué)環(huán)節(jié)進行分析，并考慮到學(xué)生實際水平等因素，目前機械原理的教學(xué)環(huán)節(jié)中普遍存在的一些問題如下：

（一）課堂教學(xué)模式固定，以教師教授為主，學(xué)生主動參與性不足

目前的課堂教學(xué)模式多以教師講授為主，學(xué)生接受知識較為被動。教師主要通過提問等手段與學(xué)生進行互動，課堂活躍度不足[3-6]。并且傳統(tǒng)的教學(xué)模式側(cè)重于理論教學(xué)，單純以教師為教的主體模式，缺乏探究式學(xué)習(xí)理念，很難適應(yīng)新型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)需求。

（二）教學(xué)手段單一化，以多媒體PPT為主，學(xué)生興趣不足，未真正與計算機CAM/CAD輔助設(shè)計相結(jié)合

教師教學(xué)目前主要采用的教學(xué)手段是多媒體課件PPT。課件的制作水平直接影響了教學(xué)效果，并且對于激發(fā)學(xué)生的聽課興趣，提高學(xué)習(xí)效率有重要作用。隨著計算機普及和教育水平的提高，以及滿足“中國制造2025”的需求，機械原理課程教學(xué)中合理融入CAM/CAD輔助設(shè)計是一項迫在眉睫的工作[7-9]。

（三）創(chuàng)新教學(xué)實踐不足，以課程實驗教學(xué)和課程設(shè)計為主，實踐教學(xué)模式單一

機械原理是理論和實踐結(jié)合密切，并且學(xué)科特點非常鮮明的一門機械類專業(yè)基礎(chǔ)課程。創(chuàng)新是發(fā)展的源動力，機械原理課程的發(fā)展同樣需要不斷的創(chuàng)新，包括理論創(chuàng)新和教學(xué)創(chuàng)新[10-11]。為了促進創(chuàng)新性設(shè)計課題與機械原理課程教學(xué)的融合，一些高校教師在其教學(xué)改革中提出應(yīng)將創(chuàng)新設(shè)計理念貫穿于課程教學(xué)的整個過程?；凇皩W(xué)科競賽、創(chuàng)新項目”來開展機械原理課程設(shè)計，進而培養(yǎng)學(xué)生將理論知識與實踐相結(jié)合的能力[12-15]。

二、項目式教學(xué)模式改革研究

（一）基于翻轉(zhuǎn)課堂的項目式教學(xué)研究

基于翻轉(zhuǎn)課堂的項目式課程教學(xué)，可包含兩部分，課程內(nèi)容教學(xué)和小組創(chuàng)新設(shè)計活動，如圖1所示。課程內(nèi)容教學(xué)活動可以從線上線下結(jié)合開展，開發(fā)豐富的線上、線下教學(xué)資源。線上資源包括課程負責(zé)人和主要教師的課堂實錄教學(xué)視頻，針對課程各章節(jié)內(nèi)容中的重要知識點，進行針對性的講解，視頻不需要很長，可控制在15～20分鐘，這樣使學(xué)生能有針對性地選擇知識點來進行鞏固;線下資源可建設(shè)包括PPT課件、自測/習(xí)題庫、機構(gòu)動畫/視頻庫等資源，供線下課堂師生互動教學(xué)使用。課程教學(xué)活動可利用線上平臺來進行，如使用中國大學(xué)MOOC平臺和慕課堂來對課堂教學(xué)活動過程以及學(xué)生參與情況進行監(jiān)測、統(tǒng)計分析和評價。另一方面的小組創(chuàng)新設(shè)計活動，可與課程內(nèi)容教學(xué)并行實施，教師提供創(chuàng)新設(shè)計主題限定，學(xué)生自行組隊，每組不超過5人。學(xué)生通過對主題解析，完成系統(tǒng)方案的設(shè)計以及機構(gòu)運動方案、機構(gòu)運動仿真分析等任務(wù)，整個設(shè)計活動過程，教師參與其中，并起主導(dǎo)作用，對學(xué)生系統(tǒng)總體方案及其可行性進行探討把控，保證項目式教學(xué)的順利實施。小組學(xué)生分階段完成創(chuàng)新設(shè)計活動，通過小組匯報的形式，與教師和其余組別同學(xué)進行交流溝通。課程考核采用過程體現(xiàn)、線下考核等方式，具體各部分占比如圖2所示。

本研究基于翻轉(zhuǎn)課堂的項目式教學(xué)模式，能夠從多方面對學(xué)生的參與情況、學(xué)習(xí)效果等進行全面評價。線上/線下互動教學(xué)，能夠讓學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高;創(chuàng)新設(shè)計小組活動，能夠讓學(xué)生學(xué)習(xí)自主性得到較大程度的改善，鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)分析設(shè)計能力、表達能力和實際動手能力。

（二）基于案例驅(qū)動的項目式教學(xué)研究

機械原理課程的研究對象是各種機器/機構(gòu)的基本原理，與實際工程應(yīng)用結(jié)合較多。因此可以從工程案例出發(fā)，引出問題，進行針對性的教學(xué)設(shè)計，使學(xué)生能夠從問題的角度出發(fā)，研究問題，學(xué)習(xí)理論知識，提出解決方案。如平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計章節(jié)中的機構(gòu)急回特性的知識點，基于案例驅(qū)動的教學(xué)設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 基于案例驅(qū)動的機構(gòu)急回特性教學(xué)設(shè)計流程

（三）基于數(shù)值模擬技術(shù)多手段融合的項目式教學(xué)研究

機械原理的機構(gòu)設(shè)計過程可以通過數(shù)值模擬技術(shù)來進行運動分析、動力學(xué)分析。在項目式教學(xué)實踐中，可以設(shè)計讓學(xué)生采用不同的分析工具，進行機構(gòu)系統(tǒng)方案的可行性分析、運動分析和動力學(xué)分析。如使用Pro/E、UG、Catia等進行機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計和建模;用Matlab、Adams等進行機構(gòu)系統(tǒng)方案的運動分析。小組學(xué)生在設(shè)計牛頭刨床機構(gòu)時，利用數(shù)值模擬技術(shù)進行牛頭刨床機構(gòu)的運動仿真和曲柄平衡力矩計算，結(jié)果如圖4所示;對凸輪機構(gòu)進行輪廓曲線設(shè)計進行建模、仿真分析，如圖5所示。

三、結(jié)束語

本研究在對目前機械原理課程的教學(xué)模式分析的基礎(chǔ)上，探討了基于翻轉(zhuǎn)課堂、案例驅(qū)動、數(shù)值模擬技術(shù)等多手段融合的項目式教學(xué)研究過程及方法。機械原理課程具有理論性和專業(yè)性強，與實踐結(jié)合緊等特點，翻轉(zhuǎn)課堂的項目式教學(xué)模式，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性、學(xué)習(xí)積極性，鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)分析設(shè)計能力、表達能力和實際動手能力;案例驅(qū)動的教學(xué)設(shè)計方法，能夠使理論知識與實際生產(chǎn)應(yīng)用中的問題有機融合，真正做到理論學(xué)習(xí)與實踐相結(jié)合，進而解決生產(chǎn)實際問題;數(shù)值模擬技術(shù)多手段融合的項目式教學(xué)，能夠全面提高學(xué)生的機構(gòu)設(shè)計和動手能力。本研究成果同時也能夠為機械類其他相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革提供一點思路，具有一定的借鑒意義。

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基金項目：教育部新工科研究與實踐項目“面向未來戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域的機械專業(yè)新工科建設(shè)探索與實踐”（E-JX20201507）;山西省高等學(xué)校教學(xué)教育改革項目“基于機械創(chuàng)新設(shè)計理念的機械原理課程設(shè)計教學(xué)改革探究”（J2019052）;山西省高等學(xué)校教學(xué)教育改革項目“機械設(shè)計課程設(shè)計與機械創(chuàng)新大賽融合的學(xué)生綜合實踐能力培養(yǎng)研究與實踐”（J2020052）

作者簡介：李峰（1984-），男，漢族，山西長治人，博士，講師，教研室副主任，研究方向為機械原理課程體系改革與實踐。