機(jī)械原理課程高階教學(xué)模式探索與實(shí)踐
——以運(yùn)動(dòng)副的分析與設(shè)計(jì)為例

張 涵，馬雪亭，趙 軍，丁 羽，王海明

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 阿拉爾 843300）

1 問(wèn)題提出

基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹(shù)人新要求，國(guó)家提出新工科3E（Emerging Engineering Education）這一工程教育改革方向。其理念是應(yīng)對(duì)變化，塑造未來(lái)；要求是培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，對(duì)我國(guó)工程教育提出全新要求[1]。本科工程教育的核心目標(biāo)是聚焦培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，復(fù)雜問(wèn)題最主要特征是必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過(guò)分析才可能解決。這就要求理論教學(xué)必須包括足夠深入的基本原理，而且強(qiáng)調(diào)使學(xué)生學(xué)會(huì)分析和使用的典型思想和方法，從而使學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，以及分析問(wèn)題的能力[2]?？梢钥闯?，新工科、工程教育認(rèn)證都注重培養(yǎng)學(xué)生面向未來(lái)的工程能力，強(qiáng)調(diào)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。工程能力是工程人才知識(shí)儲(chǔ)備和能力結(jié)構(gòu)的綜合體現(xiàn)，除了相應(yīng)的知識(shí)儲(chǔ)備，重要的是利用基礎(chǔ)理論知識(shí)分析、解決工程實(shí)際的能力以及創(chuàng)新能力，包括知識(shí)儲(chǔ)備和能力結(jié)構(gòu)兩個(gè)層面。

機(jī)械原理課程作為機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)必修的基礎(chǔ)課，是研究機(jī)器與機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)理論與方法的學(xué)科，是未來(lái)工程師和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者必須學(xué)習(xí)和掌握的技術(shù)基礎(chǔ)課程，適應(yīng)各類(lèi)機(jī)械專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)和從事各類(lèi)機(jī)械技術(shù)及管理工作，在培養(yǎng)高級(jí)工程技術(shù)人才的全局中，具有重要的教學(xué)和人才培養(yǎng)作用。

地域差異、學(xué)校差異、學(xué)生差異，如何考慮這些差異，同時(shí)考慮新工科、國(guó)際工程教育認(rèn)證背景，探索符合機(jī)械原理課程特點(diǎn)的教學(xué)模式，歷史性地?cái)[在了人們面前，進(jìn)行這方面的討論研究十分重要。

2 高階教學(xué)模式的探索

機(jī)械原理（機(jī)構(gòu)學(xué)）的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)分析和綜合方法的研究，最終實(shí)現(xiàn)新機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本身則是一個(gè)不斷進(jìn)行綜合、分析和決策的過(guò)程[3]?？梢钥闯?，新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)或?qū)σ延袡C(jī)構(gòu)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)時(shí)，必須在掌握機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)即記憶、理解、應(yīng)用之上，進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造才能完成。

高階思維HOTS（Higher-Order Thinking Skills）源于布魯姆等人的認(rèn)知分類(lèi)學(xué)，該理論將學(xué)習(xí)目標(biāo)從低到高分成6 類(lèi)：記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造，前3個(gè)屬于低階層面，后3個(gè)屬于高階層面。高階思維主要解決劣構(gòu)問(wèn)題，體現(xiàn)的是學(xué)習(xí)者的問(wèn)題求解能力、決策能力等方面。讓學(xué)習(xí)者投入到需要運(yùn)用高階思維的學(xué)習(xí)活動(dòng)稱(chēng)之為高階學(xué)習(xí)，與之匹配的教學(xué)模式是高階教學(xué)模式。通過(guò)高階學(xué)習(xí)的高階知識(shí)是一種獲取新知識(shí)的能力、水平和方式[4]，其特征是學(xué)生主體、教師主導(dǎo)、探究與創(chuàng)新等，這與本課程培養(yǎng)目標(biāo)高度吻合。

高階教學(xué)模式的高階性，首先體現(xiàn)在教學(xué)理念的先進(jìn)性。作為工程教育，其理念應(yīng)該是既符合工程本質(zhì)屬性，又能體現(xiàn)學(xué)生中心的特征。因此，借鑒目前工程教育先進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)理念，強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”“學(xué)中做”“做中思”“思中做”“學(xué)思結(jié)合，知行統(tǒng)一”，最終做到“不教而教”“教為不教”[5]。

高階性還體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容上，結(jié)合工程實(shí)際，創(chuàng)設(shè)工程環(huán)境，具有開(kāi)放性特征。高階性最終落實(shí)在教學(xué)方法上，新工科、工程教育認(rèn)證要求學(xué)生“終身學(xué)習(xí)”，所以，學(xué)生必須“會(huì)學(xué)”。因此，采用探究式、啟發(fā)式等教學(xué)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，引發(fā)學(xué)生思考，最終做到“不教而教”“教為不教”。

綜上所述，只有構(gòu)建“理論教學(xué)—實(shí)驗(yàn)課—設(shè)計(jì)訓(xùn)練—課程設(shè)計(jì)—學(xué)科競(jìng)賽”五位一體的高階教學(xué)模式，才能逐步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力。

3 高階教學(xué)模式的實(shí)踐

運(yùn)動(dòng)副作為組成機(jī)構(gòu)的基本元素，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞，都是通過(guò)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行；運(yùn)動(dòng)副的摩擦、磨損，直接影響機(jī)構(gòu)運(yùn)行的效率；運(yùn)動(dòng)副的間隙直接影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能和動(dòng)力性能，尤其是在高速、重載、精密機(jī)構(gòu)中，運(yùn)動(dòng)副間隙的影響更大[6-12]。所以，在對(duì)已有機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)及新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)副的相關(guān)知識(shí)及其應(yīng)用至關(guān)重要。但是，囿于知識(shí)體系的完整性和教材的篇幅限制，運(yùn)動(dòng)副的內(nèi)容僅限于簡(jiǎn)單的理論介紹，未涉及運(yùn)用該知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)內(nèi)容分析、評(píng)價(jià)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)等內(nèi)容，不能培養(yǎng)學(xué)生分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)新的工程意識(shí)和工程能力。為此，引入高階教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)踐。針對(duì)高階教學(xué)模式特點(diǎn)，在理論教學(xué)、設(shè)計(jì)訓(xùn)練等環(huán)節(jié)，教學(xué)內(nèi)容結(jié)合工程實(shí)際分別設(shè)置辦開(kāi)放、開(kāi)放的工程問(wèn)題，探索完整的問(wèn)題復(fù)雜性漸進(jìn)式遞增的高階性學(xué)習(xí)模式。

3.1 理論教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)理念下的理論教學(xué)強(qiáng)調(diào)的是主動(dòng)思考，核心是學(xué)思結(jié)合。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣并引發(fā)學(xué)生積極思考、主動(dòng)學(xué)習(xí)，采用探究式、啟發(fā)式、討論式、參與式等相結(jié)合的教學(xué)方式講授。將“灌輸課堂”轉(zhuǎn)換為對(duì)話(huà)課堂，實(shí)現(xiàn)知識(shí)對(duì)話(huà)，思維對(duì)話(huà)；將知識(shí)課堂轉(zhuǎn)換為能力課堂，建設(shè)能力導(dǎo)向，突出能力培養(yǎng)。

基于此，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)步驟、教學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。選取工程普遍使用、學(xué)生接觸較多的動(dòng)力機(jī)械——內(nèi)燃機(jī)包含的幾個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)副為例講述，并分別從加工、制造、機(jī)構(gòu)運(yùn)行、特殊工程環(huán)境下運(yùn)動(dòng)副的材料及類(lèi)型選擇等環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)工程環(huán)境，安排、設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，按照由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由具象到抽象進(jìn)行遞推式講述。依據(jù)教學(xué)內(nèi)容，采用不同教學(xué)方法分別進(jìn)行。

3.1.1 概念的引入

先播放內(nèi)燃機(jī)實(shí)體的工作視頻，再播放模型動(dòng)畫(huà)，同時(shí)結(jié)合實(shí)物模型，讓學(xué)生觀(guān)察其組成和運(yùn)動(dòng)，引出運(yùn)動(dòng)副的概念。

3.1.2 概念的理解與分析

（1）引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察并思考。曲柄與連桿、連桿與活塞、齒輪之間的運(yùn)動(dòng)形式、組成運(yùn)動(dòng)副的元素是否一致？哪一種承載能力更強(qiáng)？

（2）學(xué)生總結(jié)。總結(jié)出轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、齒輪副概念，并且判斷低副——因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)副元素為面面結(jié)合，承載能力更強(qiáng)。

（3）學(xué)生思考。引入自由度和約束概念，對(duì)照模型動(dòng)畫(huà)，一起分析這幾個(gè)運(yùn)動(dòng)副分別是幾級(jí)副。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考運(yùn)動(dòng)副對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束個(gè)數(shù)不同，哪一種更容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律？

3.1.3 概念的分析與評(píng)價(jià)

（1）教師發(fā)問(wèn)。從運(yùn)動(dòng)副的加工、制造角度，低副與高副哪種容易加工并且更容易裝配、保證運(yùn)行精度？實(shí)際工程機(jī)構(gòu)中由于制造、裝配誤差，運(yùn)動(dòng)副中尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)副軸不可避免地存在間隙，對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)是否有影響?

（2）學(xué)生討論。曲柄與連桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、連桿與活塞組成的滑動(dòng)副，兩者之間的摩擦分別屬于什么性質(zhì)，運(yùn)行過(guò)程中，哪種效率高？設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)，優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)動(dòng)副還是滑動(dòng)副？

（3）歸納總結(jié)。運(yùn)動(dòng)副在制造、裝配環(huán)節(jié)不可避免地存在誤差，運(yùn)行過(guò)程中由于摩擦、磨損存在，造成運(yùn)動(dòng)副的間隙不均勻、運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件間歇性接觸，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沖擊、碰撞和噪聲；導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡偏離預(yù)期軌跡，使機(jī)構(gòu)運(yùn)行精度下降，甚至失效。

3.1.4 創(chuàng)新思維培養(yǎng)

（1）啟發(fā)學(xué)生。在現(xiàn)代機(jī)械日趨精密、高性能、高效率的今天，諸如宇航、機(jī)器人、光學(xué)等領(lǐng)域，選用何種運(yùn)動(dòng)副，才能做到無(wú)摩擦、無(wú)磨損、無(wú)間隙、無(wú)噪聲？引出柔性鉸鏈、柔性機(jī)構(gòu)的概念，并且讓學(xué)生在自己身體上、自然界動(dòng)物身上尋找柔性機(jī)構(gòu)，加深對(duì)柔性鉸鏈及柔性機(jī)構(gòu)的理解。

（2）教師發(fā)問(wèn)。在特殊環(huán)境比如同時(shí)具有高壓、腐蝕、低溫的海洋環(huán)境，高溫、強(qiáng)振動(dòng)、超重工作環(huán)境下的航空航天機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)副的材料怎么選擇？啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。

結(jié)合工程實(shí)際，通過(guò)啟發(fā)式、探究式、組合式的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極思考意識(shí)。同時(shí)做到“學(xué)中思”“思中學(xué)”，記住運(yùn)動(dòng)副及其分類(lèi)的基本知識(shí)，同時(shí)初步具備運(yùn)動(dòng)副分析、評(píng)價(jià)能力。

3.2 設(shè)計(jì)訓(xùn)練

為加深對(duì)運(yùn)動(dòng)副的進(jìn)一步認(rèn)知，運(yùn)用理論課的知識(shí)對(duì)具體工程實(shí)際的分析和評(píng)價(jià)，設(shè)置設(shè)計(jì)訓(xùn)練環(huán)節(jié)。課后一道習(xí)題，因?yàn)槠渥杂啥葹? 不能運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生進(jìn)行方案修改，要求至少給出4 種修改方案，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)副的相關(guān)知識(shí)，分析幾種不同方案間的優(yōu)劣，再對(duì)具體方案給出總體評(píng)價(jià)。該環(huán)節(jié)學(xué)生分組進(jìn)行，組內(nèi)分工協(xié)作，相互補(bǔ)充，組間相互質(zhì)疑。鞏固對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，提升工程問(wèn)題的分析能力。

3.3 實(shí)驗(yàn)課

實(shí)踐教學(xué)理念下強(qiáng)調(diào)的是主動(dòng)實(shí)踐，是“做中學(xué)”“做中思”，既動(dòng)手又動(dòng)腦的主動(dòng)實(shí)踐。設(shè)計(jì)訓(xùn)練結(jié)束后安排一次實(shí)驗(yàn)課，設(shè)計(jì)訓(xùn)練環(huán)節(jié)給出的修改方案，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建具體機(jī)構(gòu)，并結(jié)合其運(yùn)轉(zhuǎn)情況，驗(yàn)證理論上對(duì)具體機(jī)構(gòu)的分析、評(píng)價(jià)。學(xué)生動(dòng)手搭建機(jī)構(gòu)，親身感受到機(jī)構(gòu)組成過(guò)程，對(duì)運(yùn)動(dòng)副的認(rèn)知、分析、評(píng)價(jià)能力得以落實(shí)到工程實(shí)際。

3.4 課程設(shè)計(jì)

理論教學(xué)、設(shè)計(jì)訓(xùn)練環(huán)節(jié)獲得的相關(guān)知識(shí)、思維等，需要在工程實(shí)際中得以落實(shí)和提升。學(xué)期結(jié)束，在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，結(jié)合工程實(shí)際設(shè)置不同設(shè)計(jì)題目，學(xué)生按照不同的功能、使用要求，擬定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案、分析工作原理，然后進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)綜合。在具體機(jī)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)副的相關(guān)知識(shí)及分析、評(píng)價(jià)能力進(jìn)一步提升，創(chuàng)新能力得以培養(yǎng)。

3.5 學(xué)科大賽

結(jié)合全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、互聯(lián)網(wǎng)+等學(xué)科競(jìng)賽，學(xué)生分析、評(píng)價(jià)能力最終提升，創(chuàng)新能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

4 教學(xué)效果

通過(guò)高階教學(xué)模式探索，具體落實(shí)到運(yùn)動(dòng)副這一知識(shí)點(diǎn)講述上的實(shí)踐，學(xué)生扎實(shí)掌握了這一知識(shí)點(diǎn)，并養(yǎng)成了運(yùn)用理論基礎(chǔ)知識(shí)分析、評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)性能、方案優(yōu)劣的能力。設(shè)計(jì)訓(xùn)練環(huán)節(jié)給出不同修改方案，而且分析、評(píng)價(jià)到位，后續(xù)的課程設(shè)計(jì)方案分析比較正確，之前方案雷同、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單組合、堆積的現(xiàn)象幾乎消失，并且學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽人數(shù)、獲獎(jiǎng)人數(shù)明顯提高。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械原理課程是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課，結(jié)合新工科、工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，探索了適合于本課程特點(diǎn)的高階教學(xué)模式，并結(jié)合課程中重要的知識(shí)點(diǎn)——運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行實(shí)踐。得出以下結(jié)論：一是高階教學(xué)模式能培養(yǎng)學(xué)生的高階思維，適合新工科、工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下工科學(xué)生的培養(yǎng)要求，學(xué)生工程能力逐步培養(yǎng)完成；二是高階教學(xué)模式，學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)、能力得到培養(yǎng)，最終達(dá)到“教為不教”的教學(xué)目的。