新工科背景下“机构设计及应用”教学改革探索

李天兴 聂少武 张志文

[摘 要] 针对新工科背景下“机构设计及应用”课堂教学过程中存在的一些问题，进行教学方式转变、教学内容拓展、实践模式补充、成绩评定多样化等方面的有益探索。近两年来机械设计专业本科生的教学效果和评教水平表明，本课程的教学改革取得了良好的成效。学生在了解和掌握机构设计及应用技术的基本知识的同时，能够拓宽和把握先进机构的最新发展动态和发展趋势，开阔学生在机械设计领域的知识视野，提高学生的创新设计和创新思维能力、综合知识应用能力和动手能力，达到了培养应用创新型人才的最终目的。

[关键词] 新工科;机构设计及应用;教学改革;创新能力

[基金项目] 2019年度河南科技大学教育教学改革研究项目“新工科背景下‘机构设计及应用教学改革的探索与实践”（2019-49）

[作者简介] 李天兴（1975—），男，河南孟州人，工学博士，河南科技大学机电工程学院副教授，硕士生导师，主要从事齿轮传动设计研究;聂少武（1983—），男，河南宜阳人，工学博士，河南科技大学机电工程学院副教授，主要从事齿轮制造技术研究;张志文（1975—），男，河南汝阳人，工学硕士，河南科技大学机电工程学院讲师，主要从事管理信息系统和工业工程研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A      [文章编号] 1674-9324（2021）30-0070-04    [收稿日期] 2021-02-25

一、引言

提升本科生的科研创新能力，为国家培养创新型专业人才，一直是高等教育的重要任务，也是当前一项重大的历史使命。2017年，《教育部高等教育司发布关于开展新工科研究与实践的通知》，2018年发布“新工科研究与实践项目”[1，2]。“新工科”不是局部考量，而是在新科技革命、新产业革命、新经济背景下工程教育改革的重大战略选择，是今后工程教育发展的新思维、新导向。新工科背景下机械工程建设的内涵要求培养创新能力和实践能力并重的复合型人才，由此高校的专业教育也应在新工科背景下对专业课程的教育教学改革进行探索和实践。

“机构设计及应用”是机械设计及自动化专业的一门重要的专业必修课[3] （P1-4），对于学生的创新设计能力、动手能力和知识的综合应用能力均具有较高要求。该课程以各类机构的分析与综合为导向，旨在培养学生掌握常用和典型机构设计的基本理论和设计方法，注重对设计方案的构思和创新设计，强化机构分析，通过机构设计的程序实验来实现机构的基本设计理论和方法的实际应用，提高学生的设计水平。2017年我校新版教学大纲修订，“机构设计及应用”课程的教学内容和实践环节发生了不小的变化，同时为适应当前社会对本科生工作能力和知识视野拓展的要求，對该课程教学改革进行探索与实践是十分必要的[4]。

二、课程学情分析

“机构设计及应用”课程授课对象为大三学生。在基础知识积累上，他们之前已经学习“高等数学”“线性代数”“计算方法”“计算机编程”等数学课程，具备数学计算、数值分析及数学运算等数学知识基础，掌握一定的数学计算工具及数值算法，具备一定的解决机构运动设计及分析的计算问题能力。在专业基础方面，他们已经学过“机械原理”课程，对常见的连杆机构、瞬心线机构、共轭曲线机构、凸轮机构及齿轮传动机构比较熟悉，掌握基本机械结构的设计原理和方法，具备一定的机构设计与分析能力，并且已经完成“机械原理”和“机械设计”的课程设计，具备一定的创新思维和创新意识，具有一定的动手实践能力。这些基础知识和基础能力的积累为“机构设计及应用”这门课程的学习提供了有利条件。

三、课程教学存在问题分析

（一）教学课时有限与授课内容深度不匹配

“机构设计及应用”的课程特点是理论知识难度较大，知识点琐碎而复杂，学生需要花费大量课余时间来理解和消化课堂知识。然而，该课程的理论教学仅40学时，其中实验8学时，授课内容包括平面连杆机构的综合与分析、瞬心线机构设计、共轭曲线机构设计、凸轮机构设计和齿轮机构设计等。实验教学在本门课中举足轻重，实验教学课时仅有8个课时，缺少发挥学生创新意识的实践。因此，授课内容调整和讲课方式变化是教学改革探索的必要内容。

（二）授课内容与专业发展趋势不协调

“机构设计及应用”的课程内容理论性很强，且主要依托传统机械结构的基本理论和设计方法，教材内容的更新远跟不上科学技术的发展。例如，齿轮机构设计的主要知识点是基于周转轮系的功率流和效率展开，但近年来，机器人精密减速器成为机构研究的热点之一。对于这些国内外最新的科研成果和动态趋势，应该在授课过程中有所体现，引导学生了解和熟悉相关知识，完成科学前沿的知识储备。然而由于课时的限制，学生只能在课余时间自查自学与行业发展趋势相适应的知识内容。因此，拓展学生在机构设计技术方面的知识视野，提高专业素养，将授课内容与本领域最新理论技术相结合的教学改革，是解决二者不协调的关键所在。

（三）教学手段和方法僵化落后

“机构设计及应用”的教学内容涉及各类典型机构的综合、分析与设计等，理论推导公式多且难以理解，传统的板书很难表达清楚机械结构的细节，手绘过程也浪费大量的课堂时间，严重影响教学进度和质量。采用PPT教学，课堂信息量大，能减轻授课教师的工作强度，但长时间的幻灯放映使得学生昏昏欲睡，同样达不到预期的教学效果，因此板书和多媒体教学度的把握需要进行探索。另外，本门课程在第6学期开设，大多学生忙于考研、竞赛和实践，学习过程的疲沓和理论知识的枯燥常导致课堂出勤率严重不足。因此，如何在教学手段方面进行改进，以吸引学生走进课堂也需要进行探索与实践。

（四）实践环节不足