与机械产品项目相结合的机械原理课程教学改革

刘万锋 曾斌

摘  要：针对目前机械原理教学中存在的不足，提出了与创新项目相结合的机械原理教学方法改革，探索了从建立典型机械创新项目、建立三维软件的机械原理创新项目、建立开放实验室、“以赛促学”、融入教师科研项目、优化课程设计教学等方面培养学生创新能力。通过项目的实施，使学生掌握了机械原理课程的基本概念，并提高学生的学习主动性，加强了学生的实践能力，显著提升了学生的创新能力。

关键词：机械原理  教学改革  创新能力  机械产品

中图分类号：TH111                           文献标识码：A                   文章编号：1672-3791（2020）12（b）-0127-03

Abstract： Aiming at insufficiencies in mechanisms and machine theory teaching at present， the reformation of the teaching method for mechanical principle is provided combined with the innovate design project. The measure includes the establishment of typical mechanical innovation project， three-dimensional software of mechanical innovation project for mechanisms and machine theory， open laboratory， promoting learning through competition， the combination with the teache's scientific research and optimizing course design teaching. The projects are carried out and by these measures， the students master the basic concept of mechanical principle. Many kinds of ability， including the learning motivation， the practical ability， have improved. The knowledge of the theory of machines and ability of innovate design is improved greatly for the students.

Key Words： Mechanical principle; Teaching reform; Innovation capacity; Mechanical product

机械原理以介绍三大常用机构包括連杆机构、凸轮机构、齿轮机构，并对三大常用机构进行结构分析、力分析和运动分析，让学生具备对简单机构产品进行方案设计的能力。“机械原理”是机械类本科专业的一门专业基础课[1]，对机械类学生后续课程的学习具有深刻的影响。虽然课程重要，但课程理论性强，让学生在学习过程中经常感觉到枯燥和无趣。同时由于课程内知识点之间的关联性强，一旦有部分内容没有理解，直接会影响到后续课程的学习[2-4]。因此，如何有效地培养学习兴趣和提高学习效率，是高校教师的一个非常具有技术性的课题研究方向[5-7]。

湖南文理学院机械工程学院根据自身的学科专业优势，围绕学校“地方性、开放式、国际化”的办学定位，以促进就业为导向的办学思路，以新工科理念为引领，始终坚持以学科建设为龙头，以教学为中心，按照“实基础、重应用、强能力、出特色”的人才培养目标，在专业办学过程中，经过多年的沉淀和发展，形成了了一套自己的专业办学特色。其中，为了实现学生更好的学习效果，学院力促教学团队的成立，鼓励教师创建精品课程。《机械原理》作为一门重要的专业基础课，是最早成立教学团队和进行线上建设的课程。目前《机械原理》课程除了建设完成丰富的线上资源外，还针对课程特点，形成了与机械产品项目相结合的教学特点，在学生中获得了一致好评。

1  与机械产品相结合的机械原理课程教学

1.1 典型机械创新项目的建立

机械创新项目的建立是实现此课题的前提条件。要能针对教学中的重点，进行项目的选择，恰当地设疑，引导学生主动思维，定向探索问题，建立一些密切联系工程实际并激发学生创新能力的优秀项目。例如雨刮刷、工业机器人、车门闭合装置、停车装置等。通过项目实施，将理论知识与具体机构直接联系。让学生观察典型机构创新项目的结构组成和运动方式，通过对具体机构的观察和分析，让学生带着问题去学习，可极大地提高学生对于机械原理学习的兴趣。然而，目前典型机械创新项目还远远不够，还需要从课堂内、外继续收集材料，并在已经建立的项目上进一步进行筛选，得到更适合、更具代表意义的项目课题。

1.2 基于三维软件的机械原理创新项目的建立

“机械原理”课程中需要学生完成机构的运动分析，而动态分析需要学生具有较强的空间思维能力，而这恰恰是学生所欠缺的能力。现在随着三维软件的普遍使用，学生具备熟练的三维绘图能力是社会对学生的一个基本要求，将机构简图中枯燥的图形使用三维软件进行绘制，并通过仿真以生动具体、形象逼真的形式再现给学生，使学生更容易理解、更有兴趣。例如，建立三维的连杆机构、齿轮机构、凸轮机构及一些间歇运动机构，让学生能够立体地了解三大机构并进行运动仿真训练。并要求学生找寻日常生活中的常用机构，如汽车车门关闭系统、窗户关闭装置、家用搅面粉机等，要求学生观察生活中存在的机构并绘制三维图形，既培养了学生理论学习中对机构的深刻认识，还强化了学生的三维绘图能力。

基于此，在教学中，以工程应用为主线，以三维软件为教学平台，对《机械原理》课程内容进行整体优化，加以创新处理，突出理论和实践的结合，处理好传统与先进、理论与实际应用之间的关系，挖掘学生的潜能，突出学生工程实践能力和创新设计能力的培养。授课时以讲明概念、基本原理为原则，边讲边练，讲授、示范、练习相结合。如通过一个具体的实例，让学生完成方案设计的全过程，培养学生应用三维软件进行零件的三维建模能力，让学生将理论和实践有机地结合在一起。这样既传授了三维软件的使用方法，又融合了《机械原理》的相关知识，使教学过程生动逼真，学生的综合实践能力得以迅速提高。

以往的设计学生通过想象，是否能够实现是一个未知数，采用三维软件后，学生可以将自己的设计成果模拟出来，判断设计的正确与否。但是机械原理课程改革中，既要培养利用计算机解决工程实际问题的能力，又不能把课程变成单纯的计算机课程。注意力主要放在机械问题上，以及能够使用合适的三维软件解决工程问题。由于学生的三维软件掌握能力参差不齐，使用的三维软件多种多样，如何指导学生熟练掌握三维软件以及使用到机械原理课程中，成为亟待解决的问题。

1.3 开放实验室的建立

机械原理课程性质偏理论性，这样课程往往显得单调，因此，以机械创新项目为基础的机械原理教学改革，主要应强调参与，强调动手实践能力，重视实验的趣味性和实用性以加强学生的学习兴趣，能激发兴趣、培养工程素养、锻炼工程技能。然而创新项目的实施往往需要大量的经费投入，这对于此项目长期的实施将会带来大的困难。在学院存在完备的创意之星机器人套件，创意之星模型能够作为多功能教学演示器材使用，针对机械原理中典型的机构及传动方式和创新点进行了形象的演示。已经有大批学生参与实验前提下，建立一个开放式实验室，允许有兴趣的同学随时进入实验室，完成结构件的拼装，将自己的机构创意实现，完成机械创新项目的实施。这有助于学生直观、快速地掌握各个知识点具有良好的促进作用，同时能激发学生的创新思维和创新能力。

同时，学院大力加强实验室建设。目前学院设有8个开放实验室：机器人工作室、慧鱼创新实验分室、数控DIY实验分室、机构创新实验室、智造空间及1个学生作品制造室、2个CAD/CAM实验分室，大学生可在教师引导下自主地完成大学生创新训练计划项目、全国机械创新设计大赛项目、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛项目等课外科技活动;学院在现有的科技创新作品的基础上，鼓励学生自创自建实验室，目前学院新建的3D打印实训室，其中的3D打印机，全部由学生自己设计、制作和装配，学生可以在该实验室学习制作3D打印机及学习相关的3D打印技术，不仅有效地降低了实验设备的成本，学生的创新能力也得到了有效提高。近几年，学生在此实验室为平台，根据自己的课余时间和实验需求，进行相关实验及科技作品的设计制作。

1.4“以賽促学”方式的建立

湖南文理学院机械工程学院基于本科4年课程体系的承接关系，结合各类学科竞赛要求的专业基础素养和课程知识，构建了“分年级引导，各年级参与”和“双向选择，全程指导”的学科竞赛指导机制，即针对各类学科竞赛对专业知识的要求，分年级进行引导和鼓励，一至四年级均对应相关的学科竞赛，鼓励大一的学生参与全国制图竞赛、全国三维数字化创新设计大赛，培养其基础设计能力;大二学生以工程训练大赛为导向，结合金工实习逐渐引导学生从虚拟设计到科技产品的制作，逐步形成产品设计的理念;大三学生以“机械创新设计大赛”为载体，引导学生自主完成虚拟样机设计（计算机设计及仿真）—实物样机（在微型数控机床上制作）—小型作品（在机床上制作）;鼓励大二至大四学生结合自己的情况，自主参加挑战杯、互联网+等比赛;同时，学生及学生团队与指导教师进行双向选择，要求指导教师全程指导学科竞赛，广泛吸引学生的参与及激发学生学习的主动性。在以学科竞赛为驱动的人才培养机制下，机械工程学院的学生广泛参与各类学科竞赛，加强了学生综合能力素质培养，促进了学生的应用能力的有效发展。

而对于机械原理课程的学习，学院结合该专业形成的良好的学科竞赛氛围，将《机械原理》课程的学习与学科竞赛进行融合，通过学科竞赛驱动《机械原理》课程的学习。例如：鼓励学生参与全国制图竞赛、全国三维数字化创新设计大赛、机械创新设计大赛，并结合各类比赛，逐渐引导学生从虚拟设计到科技产品的制作，逐步形成产品设计的理念;在以学科竞赛的驱动下，学生会带着问题去学，并将课程中知识融入学科竞赛中，显著了增强了对《机械原理》中知识点的理解，加强了学生综合能力素质培养，促进机械原理课程学习。

1.5 融入教师科研项目

将教师科研与《机械原理》课程教学相融合，具体体现如下：（1）大力鼓励学生参与教师的课题研究，深入专业知识学习，提升专业素养和科研基础能力。如该专业李志刚老师与湖南坤鼎数控科技有限公司的搅拌摩擦焊数控设备关键技术研究与试制项目中，本科生共计20余人参与了该项目的研究。（2）倡导教师将科研工作与大学生创新创业训练有机融合。学院的部分大学生创新创业训练就直接来源于教师的科研内容，如曾强文同学的国家级研创项目《自适应智能包装机》、刘玄宁同学的国家级研创项目《自动存取包裹机》、黄勇同学的国家级研创项目《智能遥控婴儿车》等就分别来源于不同教师的在研项目。（3）将教师的横向课题融入学生的理论教学和实践教学。教师将自己的企业课题与教学紧密结合，以实际问题为导向，通过协作研究、立项创新，加强学生专业知识和创业知识在实践中的运用，促进该课程的学习效果。

1.6 优化机械原理课程设计

从创新创业能力培养角度，优化重组实验内容，把行业创新应用贯穿到课程设计中。依托省级机电大学生教育教学中心，构建项目驱动式课程设计教学。精选大量来自企业的真实项目，项目经过标准化和模块化，有效抽取技术知识点和行业知识点。采用一个实际的开发案例来组织课程设计，将案例的各关键技术环节分散到课程设计中，建立“自然认知—方法实践—综合分析—探索创新”循序渐进的机械原理课程设计教学模式。

2  结语

《机械原理》课程对于学生的机械方面知识和创新能力培养都具有重要的意义，有效地提高学生的《机械原理》课程学习效果是一个具有挑战性的事情。该文采用建立典型机械创新项目、建立三维软件的机械原理创新项目、建立开放实验室、“以赛促学”和融入教师科研项目、优化课程设计教学等方面培养学生创新能力。通过机械创新项目的实施，强化学生的计算机辅助设计能力与创新意识培养，并通过各种实践科技活动培养学生的工程动手能力并初步具有机构分析和设计机构的能力，达到提高学生的创新意识和创新能力。

参考文献

[1] 王晓荣.“互联网+教学”背景下机械原理课程教学改革探究[J].陕西教育，2019（11）：46.

[2] 汤迎红.新工科背景下地方应用型高校机械原理课程教学改革与实践[J].内燃机与配件，2019（11）：284.

[3] 王彩红，范国敏，蒋蓉.基于创新能力培养的《机械原理》课程教学探讨[J].教育教学论坛，2019（40）：205.

[4] 侯怀书.基于大学生科创大赛的机械原理课程教学改革[J].科技创新导报，2019（15）：194.

[5] 王会.论“互联网+教学”的《机械原理》课程教学改革[J].新西部，2018（35）：161.

[6] 何世伟.机械原理及设计虚拟仿真实验的设计研究[D].华南理工大学，2019.

[7] 蔡冰倩.面向MOOC的机械原理动态教学系统的设计与开放[D].哈尔滨工业大学，2015.