以学生能力培养为中心的机械原理课程教学改革

2021-07-22赵荣荣魏红梅张炜炜

汽车实用技术 2021年13期

赵荣荣，魏红梅，张炜炜

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

引言

山东华宇工学院机械设计制造及其自动化专业定位于服务山东“一区一圈一带”和德州京津冀协同发展战略的需要，为山东省新旧动能转换和制造业转型升级培养专业人才。本校《机械原理》课程作为车辆工程、机械设计制造及其自动化专业一门重要的专业基础课程，在人才培养体系中起着重要作用。本课程主要学习机构分析与设计的理论与方法，即机构组成原理与分析、机械系统动力学分析、常用机构的分析与设计、机械系统方案设计等[1]，重点培养学生的机械运动方案设计能力和创新意识。《机械原理》课程相对后续专业课程不仅具有较强的理论性，而且与工程实际密切联系，其学习效果直接影响着学生工程能力的培养。为更好地发挥《机械原理》课程在人才培养体系中的地位，适应学校应用型人才培养需求，进行《机械原理》课程的教学改革势在必行。

1 本校《机械原理》课程教学现状

1.1 课程知识点多且散，学生难以充分理解，出现学完不会用

山东华宇工学院车辆工程与机械设计制造及其自动化专业所开设的《机械原理》课程共56学时（理论48学时+实验8学时），课时相对较少。《机械原理》课程知识点多且零散，涉及到《理论力学》课程中运动学和力学的知识，课程内容相对抽象，理论性又较强。但是对于生源分数较低的民办本科院校来说，学生的理论知识基础相对比较薄弱，学习能力也比较有限，理解力和抽象能力也相对不足。因此，在民办本科院校就存在着授课内容繁杂、学生理论基础薄弱而授课学时有限的矛盾，给教师的授课带来了非常大的难度，经常导致授课教师在教学中出现顾此失彼的现象，使学生的学习难度加大，无法准确把握课程的重难点。

本校《机械原理》在车辆工程与机械设计制造及其自动化专业分别开设在大二上学期和大二下学期，此时学生的工程知识、实践经验匮乏，对课程涉及的机构结构学、运动学和动力学等内容会普遍感到抽象、难学，加之教师在授课中也没有很好地把握工程实践与理论知识的融合、学校实验设备又较为陈旧等现实条件，使学生原本就不高的学习积极性大受打击，造成学生在课程上玩手机、抬头率低的现象，很难提升学生的学习效果。

1.2 教师与学生交流较少，学生学习被动，很难融入单声道的传统课堂教学，学习效果差

在传统课堂教学中，强调学生学习课程后能否系统、完整地掌握专业知识，教学设计主要围绕教师如何教展开，以教师为中心，大都采用灌输式的教学方法进行授课，学生参与教学活动的机会很少，绝大部分时间处于被动地接受知识，课堂枯燥无味，造成一部分学生在课堂上不认真听课、玩手机，还有一些学生上课好像听明白了但是课下一做作业就发懵。传统教学影响着机械原理课程的教学效果，使学生在后期的机械原理课程设计中面临着就教师布置的任务难以设计出解决方案的困境，造成了学生应用所学知识解决实践工程问题的能力较差。总之，这种传统教学模式忽略了学生的主动性和创造性，把学生当作灌输的对象，教师的任务专注于传授知识，而学生的任务是理解并消化教师讲授的内容，不利于培养具有创新思维和创新能力的工程人才[2]。

2 《机械原理》课程教学改革的探索

2015年，国务院总理李克强在政府工作报告中指出：“推进‘互联网+’战略，利用互联网的平台，利用信息通信技术，把互联网和包括传统行业在内的各行各业结合起来，在新的领域创造一种新的生态。”翻转课堂就是一种充分利用计算机与互联网技术的新兴教学模式，将学生在学习中的地位由被动接受者变成主动提出问题并解决问题的探究者，侧重于培养学生自主学习能力、分析事物能力和创新能力，是更深层次的主动性学习活动[3]。单纯的翻转课堂教学效果过分依赖学生课前学习的自觉性和学习能力，要求教师具有较强的控制能力，有时候并不能起到很好的效果[4]，特别是民办本科院校的师资流动性大、青年教师较多，学生的学习能力也比较有限，因此，单纯实施翻转课堂是不可能的事。

在先进装备制造产业背景下，全面落实“三教”改革、打造高质量专业课程是一项重要任务[5]，对机械原理课程进行教学改革势在必行。鉴于传统教学和翻转课堂在本校所面临的问题，本课题探索实施的是将传统课堂与翻转课堂相结合的混合式教学，在教学设计中突出“以学生为中心、以成果为导向”，关注学生学习后具备什么样的能力及能做什么，教学实施与评价都围绕着学习成果展开，并依据课程评价结果做持续改进。

2.1 课程整体教学设计

本课程坚持以学生为中心，能力产出导向的教学理念，教学内容围绕学生的学习产出设置，确保学生通过课程内容的学习达到预期的学习效果——拟定并分析机械系统方案，强化学生分析能力、设计能力的培养。按照从机械认识、机械设计到机械研究创新的认识规律，分为“机构组成原理与分析”、“机械系统动力学分析”、“常用机构设计”和“机械系统方案设计”四大模块。其中，机构组成原理与分析主要围绕工程实例的运动简图，以培养学生的抽象思维和图解逻辑思维为主；机械系统动力学分析以动力学模型和经典理论在解决工程实际问题中的应用为主；机械系统方案设计模块为综合性项目训练在机械原理课程设计教学环节完成，通过拟定机械运动方案使学生初步具有机构选型与组合和确定运动方案的能力，并能从多角度对运动方案的优劣性进行评价，培养学生分析和解决复杂机械工程问题的能力。

课程以“够用、实用、应用”为原则，淡化了与《理论力学》相重叠的内容，减少了平面机构的运动分析与力分析章节的课上时间，将时间大部分放在了课程的核心内容常用机构的设计上。为培养学生的工程素养，根据机械原理课程的工程性、实践性、应用性的特点，在课程的教学中引入工程实例，将枯燥的理论知识与新颖或常见的工程问题结合，以解决工程应用实例的问题为目标来展开课程教学，既完成了教学任务又实现了理论知识与工程实践的有机结合。在课堂采用的工程实例既是本节课题的出发点，也将是该课题的终点，使学生能够学以致用，提升学生的学习激情，让学生在感悟、验证、设计中逐步提高学习能力和分析解决问题能力。目前，本课程在教学中常用的工程载体如表1所示。

2.2 教学实施过程设计

在传统教学的基础上，将分解后的《机械原理》课程知识点利用PPT、动画、视频等形式进行呈现，上传至超星学习通网络教学平台，建立课程线上学习资源，为实施以任务驱动为主线、问题引领为导向的教学奠定了基础。在教学中，坚持以学生能力培养为本位，采用传统教学与翻转课堂相结合，理论以工程实例引入，以问题驱动，以互动探讨带动课程氛围，激发学生学习兴趣，让学生真正融合课堂，既提高了课堂的抬头率，又培养了学生分析解决问题的能力。在《机械原理》课程教学中坚持先学后教、以学定教、教学合一，探索并实施了课前自主探究、课中知识内化、课后提升的三阶教学过程。主要实施过程如下：

课前自主探究——首先，任课教师根据本节的重难点内容制定任务清单[6]，指出学生在学习过程中需要解决的问题与掌握的知识点，通过学习通网络教学平台或QQ班级群下发任务清单。然后，学生以小组为单位通过学习通网络教学平台，学习教师上传的课程资源或者教师推荐的一些优质课程网络资源进行问题的探究。最后，学生把在自学的过程中遇到的问题可以通过学习通平台或者QQ反馈给授课教师，这样既可以让老师及时把握学生的课前学习情况，为课堂教学设计做好准备，同时教师还可以把学生提出问题和解决问题的次数与质量作为平时考核成绩的一部分，做到考核形式的多元化。

课中知识内化——以新颖的工程实例引导－问题驱动－能力导向－应用拓展为主线开展教学活动，对于重难点及学生在课前自主学习中所遇到的疑难点应以教师讲授为主。在课堂教学过程中坚持传统讲授与翻转课堂相结合，从工程问题引导思考，从理论知识到工程应用，很好的激发了学生的求知欲与创新性思维。另外，教师在课堂教学进行总结时应重点强调学生们在课前自主学习中所遇到的疑难问题及知识点。以机械原理课程中“平面四杆机构的急回特性”这一知识点为例来说明课堂教学实施的逻辑如图1所示。

图1 本课程改革后课堂教学实施范例

本节课就工程应用中的牛头刨床的运动，提出问题：牛头刨床是如何切削材料的？刀具工作时，如何实现切削行程速度慢而返回空行程速度快以提高工件加工质量以及生产率的？引发学生思考，提出机构运动特性的问题——急回特性。通过典型的曲柄摇杆机构引入机构急回特性的基本概念（包括极位、极位夹角、急回特性等），重点讲解机构急回特性的定量描述——行程速比系数K的相关知识点。通过让学生思考牛头刨床实现此功能采用的机构类型及如何设计往复运动功能需求不同的牛头刨床，将急回特性理论知识回归到牛头刨床工程应用中。最后，给予学生拓展分析的问题，让学生在探讨、质疑中达到知识的掌握与应用。这种课堂教学方式不仅帮助学生掌握了理论知识，更能够突出强化学生在实际工程中的机构设计能力。

课后提升——课后布置一定难度、挑战性的作业，例如让学生自行设计搭建一些实现某种功能的机构或零部件，既能实现作业“增负”，又能让学生通过做中学、学中做达到知识的综合应用，实现拓展提升。

3 改革成效

通过实施任务驱动的课堂教学改革，积极引导学生进行思考，提高了学生的学习兴趣，使课堂抬头率有了大幅提升，极大改善了课堂教学效果。其中，2018级本科机械设计制造及其自动化专业1班学生的《机械原理》课程考核成绩比2017级本科机械设计制造及其自动化专业1班的学生优秀率提高了10.6%，不及格率下降了20.04%，如表2所示。