基于STEP教学模式的机械原理课程教学探索与实践

刘 佳，刘红宁，杨 蓓

（石家庄学院 机电学院，河北 石家庄 050035）

0 引言

培养具有扎实专业基础、实践应用能力强、创新意识好、良好团队协作能力、综合素质高的多元化、创新型工程人才是我国工程教育的改革方向.机械原理是高等学校机械设计制造及自动化专业普遍开设的一门集基础性、工程性、实践性、创新性于一体的核心技术基础课程，在培养机械类人才的创新能力、设计能力和应用能力等专业素养和综合素质的过程中起着不可或缺的重要作用.

立足应用型本科人才培养的实际需求，传统的机械原理教学模式存在以下三方面问题：1）课程大纲的整体设计存在矛盾或定位模糊，“应用型本科”和“本科职业教育”的概念定位不清[1]，使得课程大纲的整体设计在传统的本科层次侧重理论和职专层次侧重实践两个方面摇摆不定.2）缺乏有效支撑理论内容的实验体系，当前，大多数高校的机械原理实验仍是以传统的验证性实验为主，学生学完课程后很难形成属于自己的知识架构.3）教学评价手段旨趣彰显不足，多元评价体系践行不力，传统的理论教学与实验教学相结合的教学模式对于教学质量并未形成公平客观的评价体系.在实际教学过程中，以做题为主的考核方式依然在评价体系中占据较高比重，而创新、设计等反映学生综合素养能力的方式并未得到有效体现.

国内外许多高校和研究机构对此做了大量的探索和实践工作.在国外，对于工程教育改革，世界各国提出了多种教学模式.其中，代表性的有：麻省理工学院和瑞典皇家工学院的CDIO模式[2]（以产品研发到产品运行的生命周期为载体，建立相互支撑和有机联系的课程体系）、美国学者Spady[3]提出的OBE工程教育模式（基于成果导向的教学模式）、丹麦奥尔堡大学提出的PBL教学模式[4]（基于项目的教学模式）等.在国内，宋娓娓等[5]、田桂中等[6]、王砚军等[7]基于CDIO教学模式对机械原理课程及考核方式进行了改革探索；王廷剑等[8]基于OBE教学模式反向设计了机械原理课程的教学内容，并开展第二课堂教学，以多元化的考核方式评价学习产出；余军合等[9]基于OBE教学模式从模型构建、运动分析和优化设计三个层次设置实验项目，以培养学生机构运动方案分析的能力；陈殿生等[10]提出了“PBL&CBL”（基于项目和竞争的教学模式）教学模式，并将其应用到了机电一体化[11,12]课程.

但是这些探索与研究工作存在以下三方面的缺憾：1）以项目为主线，结果为导向的教学模式容易破坏理论知识的整体性和内在逻辑关系，这也是在国外前述3种代表性教学模式少见应用于机械原理课程的根本原因.2）构建能够将机械原理的主要理论知识有机融合的实验项目并非易事，众所周知，一个完整的机械系统，除了机械本体的方案设计、结构设计之外，还包括电控系统的设计，那么一些学生可能会因为基础知识的薄弱而削弱其作为学习主体的积极性，最终尽管完成预定的各项任务，却丧失了学习热情.3）前述3种代表性教学模式均需要优质的师资与团队支撑、持续充足的教学资源和经费投入以及小班化教学.

1 STEP教学模式的内涵

STEP 是软件（Software）、理论（Theory）、实验（Experiment）和项目（Project）的简称，是一种将软件、理论、实验和项目相结合的教学模式[13].

当今，无论是科学研究还是产品研发，都离不开软件工具的支撑.熟练应用各种仿真软件已经成为机械领域从业人员的重要能力.而与机械原理课程紧密相关的软件是ADAMS.传统的学习ADAMS的形式主要是短期培训和自学，而把ADAMS贯穿于机械原理的整个教学环节将是一种新的尝试.

与传统的项目式教学模式相比，STEP教学模式具有以下特点：

1）STEP教学模式包含了项目式教学，但并不是纯粹的项目式教学，其项目设置的目的主要是支撑课程的理论知识.2）STEP教学模式最大程度保证了机械原理课程的整体性和内在逻辑关系.3）STEP教学模式的组织形式更为灵活，对于师资力量有限、教学资源匮乏、经费投入不足的普通高校的机械原理课程建设，是一种值得探索的具有建设性的教学模式.

2 STEP教学模式下的机械原理课程教学实践

2.1 构建设计与分析并重的教学课程体系

机械原理的主要内容为两大部分：1）机构的共性问题：机构的结构分析，运动学、动力学分析；2）三大机构（平面四杆机构、凸轮机构、齿轮机构）的结构特点、运动特性及设计方法.传统授课方式的缺点是分析重于设计，即教学内容主要以理论分析为主，这样就会导致学生在学完本课程后仍不清楚机械原理在整个课程体系中的地位，不清楚在实际工程实际中的应用价值.因此，在对课程内容中的理论分析部分做了有限度压缩的基础上，增加了对具有实际工程背景的案例分析，构建了设计与分析并重的教学课程体系.例如：在“凸轮机构”这一部分内容，传统的教学内容主要包括凸轮机构的基本概念、从动件常用运动规律、凸轮廓线的设计、基本尺寸的确定，但这些内容主要以理论分析为主，为此，在课程内容中以“自动拾球凸轮机械手”为例，将课程的基本内容融入到案例的设计过程中，将传统的理论分析转化为设计实现.

需要说明的是：这并不同于CDIO、OBE、PBL等以项目统领整门课程的教学模式.其主要区别在于：STEP教学模式下所选择的“项目”，仅仅是为了支撑某一章节的理论内容，有效保证了机械原理课程的整体性和逻辑性.如前所述的“自动拾球凸轮机械手”，其主要目的是支撑凸轮机构这一章的理论知识，而课程进行到“齿轮机构”时，又会有新的工程案例予以支撑.

2.2 创建以ADAMS贯穿始终的综合性、多层次实验教学体系

目前，机械原理开设的实验主要包括：机构运动简图测绘、机构创意组合分析、机构运动参数测定和分析、齿轮范成实验.这些传统的实验项目主要是验证性的实验项目.以齿轮范成实验为例，学生利用齿轮范成仪完成标准齿轮与变位齿轮的对比实验后，除了验证教材上的理论知识外，对于如何将齿轮传动应用到实际工程项目并无实际推动作用.因此，配合理论教学中的教学案例，在保持已有实验项目的基础上，对实验教学体系做了以下调整：

1）将课堂中的实际教学案例与已有的实验项目相结合，要求学生以大作业的形式提交实验报告，并将ADAMS仿真贯穿始终，以验证所提方案的可行性，在逻辑上形成闭环.例如：在“基于ADAMS的牛头刨床运动学分析”的实验中，通过给定两种不同的牛头刨床机构，让学生定性分析输出构件的位移、速度、加速度的变化规律，基于ADAMS仿真获取输出构件的位移、速度、加速度的变化曲线，并基于曲线变化情况分析两种牛头刨床机构的优劣.在这个实验中，综合融入了传统的机构运动简图测绘、机构创意组合分析、机构运动参数测定和分析3个实验，并将ADAMS仿真贯穿始终，使原有的验证性实验变成了设计性实验.

2）在课程设计阶段，将学生分成每组3～4人的小组，让学生以小组的形式在课设指导教师的引导下开展课程设计.与传统的机械原理课程设计不同的是：STEP教学模式下的课程设计需要学生最终加工出实际样机模型.以“抓持机械手的设计”为例，每个小组的学生分别负责方案设计、ADAMS仿真、撰写设计说明书、制作加工.

2.3 制定公平客观的多元评价体系

当前，大多数高校机械原理的考核方式主要是以理论考试和实验成绩分别乘以不同系数加和而成.这种评价体系尽管易于操作，但展示出的是学生的应试能力而非实际应用能力.基于此，在保留理论考试的前提下，降低其在成绩中的占比（50%），将实验考核形式按实验评估（30%）和实验讲述（20%）两个方面展开评价.在实验评估部分，将课程大作业按照方案设计（10%）、ADAMS仿真（10%）、撰写设计说明书（10%）三个方面进行评定.在实验讲述部分，每个小组选一名同学对本次实验做总结陈述，不足之处由小组内其他同学作补充，与所有学生分享实验的经验与教训.任课教师对每组进行点评、总结.综合评定三部分成绩，最后确定每个人的成绩.

实验报告以及课堂展示的结果表明，两种考核方式有效地锻炼了学生的书面和语言的逻辑表达能力，对本学期的课程做了全方位的总结，并在课堂展示的过程中通过学生演讲和教师提问的互动方式查漏补缺，充分体现了弹性教学模式“让每个学生有收获，使更多学生有创新”的教育理念.

3 教学方法评估

为了调查学生的学习收获情况以及学生对本课程的反馈意见.课程结束后，对2016年（传统教学模式）和2017年（STEP教学模式）学习本课程的学生进行了对比.

在理论考试方面，STEP教学模式下的班级成绩优于传统教学模式的班级，不及格率由2016级的61.22%降至2017级的39.53%，下降幅度为21.69%，这表明新的教学模式显著提高了学生对知识的掌握能力.

在实验大作业部分，以齿轮传动部分“爬壁机器人腿部机构设计”为例，其中有3个小组分别提出了利用齿轮齿条的运动方案，有1组提出了非完整齿轮齿条的运动方案，有1组提出了齿轮传动与曲柄滑块相结合的运动方案，有1组提出了切比雪夫四杆机构的运动方案.由于每位学生对知识的掌握和对题目的理解存在差异，因此并非每一名学生均提出了属于自己的设计方案，每组有1名同学提出运动方案并做最后的实验讲述，其他2名同学分别负责ADAMS仿真和撰写设计说明书，并在此过程中进一步加强学习.

4 结论

从当今社会对具有机械专业背景的复合型技能人才需求以及应用型本科人才培养的实际需求出发，结合机械原理课程实践性较强的特点，基于STEP教学模式对机械原理课程进行了探索与实践.经过一学期的探索实践，考核结果和调查结果均表明STEP的教学模式能够有效满足机械原理的教学需求.

教学实践具有以下三方面的特点：

第一，将ADAMS仿真贯穿机械原理课程的始终，为机械专业其他课程开展面向工程教育的课程改革做了有益的探索.

第二，STEP教学模式下的项目实践有效保证了机械原理课程的内在逻辑性，克服了传统项目式教学对理论知识体系的破坏.也就是说，项目不再是课程的主体，而是对理论知识的支撑.

第三，在保证每个学生掌握基本理论知识的同时，通过实验报告与课堂展示相结合的考核方式，进一步巩固了学生对理论知识的掌握，提升了学生的动手能力、写作能力和语言表达能力，大大激发了学生的学习兴趣和热情.

尽管如此，未来还有以下两方面的工作有待改进：第一，从机械专业的课程主线（机械原理、机械设计、机械制造、机电一体化）考虑，可以将STEP教学模式引入设计类课程群的教学过程，而不仅仅是局限于机械原理所涉及的项目方案设计.第二，从项目设置的角度考虑，可以选择合适的科研项目将其按照课程的理论主线分解为若干小项目，从而实现理论内容与实验内容在知识逻辑性上的双重统一.