新工科背景下“机械原理”教学改革与实践——以滁州学院为例

王 波，庞 军，宁 毅，张亚虎

“新工科”的提出，是我国高等教育为了适应新一轮科技革命、产业变革以及新经济背景下培养多元化、创新型卓越人才所做出的工程教育重大改革与战略选择[1-2]。本质上说，新工科是不同学科交叉与融合的实践，是工程创新人才培养的着力点，是对传统工程专业的再改造、再创新，是为了支撑服务产业转型升级和经济发展动能转换的必然选择。

传统工科教育为我国工业化发展提供大量的人才支撑[3]。然而，以机械类专业为例, 大部分地方性应用型高校主要是面向技术含量较低、非精细化机械加工等地域性传统机械行业[4]。这种人才培养目标及培养模式基本满足了部分机械类企业的发展需求，但随着科技进步和产业变革提升的需求，这种人才培养方式也表现出了一定的滞后性，不仅不利于行业企业的发展，在一定范围和程度内，甚至成为人才发展的短板以至阻碍。因此，与人工智能、信息化技术等相结合的机械类新工科专业随之出现，如智能制造工程、机器人工程等。

作为机械类专业的核心基础课程，“机械原理”课程起到了承上启下的作用，其培养目标主要是使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，掌握各种常用机构的分析和综合运用方法，并具有按照机械使用要求进行机械传动系统方案设计的初步能力，从而培养学生的工程实践能力和创新设计能力[5]。“机械原理”课程具有理论抽象、知识点多、难点多等特点，成为了机械类专业基础课程教学过程中的难点之一。

滁州学院自2004年升格为本科院校以来，学校一直以培养应用型人才为目标，围绕地方经济发展特色，开设了机械设计制造及其自动化、机械电子工程等机械类专业群，服务于机械装备制造企业与行业。为了扎实地培养机械类应用型人才，学校在“机械原理”课程等相关课程的教学模式、教学设计等环节上，尤其注意与其他研究型大学的区分，注重理论与实践并举，且理论更偏向于实用型理论，以契合学校的发展目标与学生实际情况[6]。特别是近几年来，新工科以及工程教育对人才培养提出的新要求，针对应用型机械类人才的培养，结合现有教学条件和资源，借鉴OBE(Outcome Based Education)工程教育理念，对“机械原理”课程教学模式、教学目标、教学内容、教学组织等进行了深入思考与分析，在此基础上进行探索性的改革与实践。

1 “机械原理”课程的教学现状

“机械原理”以“高等数学”“普通物理”“理论力学”及“机械制图”等课程为基础，在整个教学体系中占有重要的地位，学生对其掌握程度直接影响到“机械设计”等后续课程的学习以及对机械专业的理解程度。

与“理论力学”等理论课程相比，“机械原理”更加结合实际，主要研究对象涉及了机械的相关机构；同时，又与专业课有所差异，没有研究机械的具体类型、零件等，而是研究各种机械中的共性规律。因此其理论性较强、计算较多而表面上显得实践性不强。实际上，“机械原理”与实际工程问题结合的相当紧密，研究对象更有针对性和实际意义，如凸轮机构、齿轮机构、铰链机构连杆机构以及间歇机构等，这些典型机构是组成任何复杂机械系统的基本单元，在学习过程中，一方面学生既要深刻理解这些原理和方法，另一方面又更要注意这些原理和方法在工程实践中的应用。

对于没有工程实践经历的同学来说，仅凭书本平面图、挂图或模型等难以深入掌握一个立体结构以及一个机构运动的具体形式，成为了学生学好机械原理的拦路虎；同时，常规传统的实验、习题、课程设计题目等与当前技术发展匹配度不高，没有结合数字化、信息化等现代技术，与实际应用契合度不高，难以满足现代工程教育理念的需求，以致学生学习效果不理想，难以提高学生的工程实践能力，无法达到应用型人才培养的目标。

因此，为了能够提高学生学习“机械原理”课程的效果，结合学生的实际状况，培养学生核心能力，需要对传统的教学模式、方法等进行改革。

2 课程培养学生的核心能力培养

对于地方应用型本科院校来说，“机械原理”课程在开设过程中，较研究型大学，应当更多地考虑到学生学习能力和实践能力的培养。同时值得注意的是，考虑到作为本科类院校，应与职业院校区分开来[7]，所以笔者认为实践类课程和理论类课程不应表现为过分分离，应该以理论和实践相结合的方式来进行合理及可行的教学设计，重点培养学生具有相应专业的业务基础、较宽领域的基础知识以及三个重要能力。

2.1 自主学习意识和学习能力

机械原理以“高等数学”“理论力学”“大学物理”等课程为基础，主要讲授平面机构、凸轮机构、齿轮机构等常用典型机构的结构分析和设计方法。该课程涉及内容多、范围广，理论性强，如果课程教学中只是采用以教师为主导，学生单纯接受被动式、填鸭式的学习方式，通常无法达到较好的教学效果，故在教学过程中应该考虑如何充分激发学生对本课程的学习兴趣，形成“要我学”到“我要学”观念的彻底转变，提高学生自主学习意识和学习能力，建立和形成旨在充分调动、发挥学生主观能动性的探究式学习方式。

2.2 工程实践能力

“机械原理”课程不仅原理知识较多，与实际工程问题结合的更紧密，研究的典型机构是组成任何复杂机械准备的基本组成单元，是今后学生从事有关机械类工作的必要基础课程，故在课程教学过程中要注重学生解决实际问题的基本能力，培养学生具有一定机构传动系统设计的实践能力。实践是将理论知识转化为能力不可或缺的途径，同时课本知识的进一步升华与学生个人能力的提高同样离不开实践活动。工程实践能力的培养是激发学生学习兴趣和学习能力的有效途径，也是培养应用型创新人才的必要途径。

2.3 创新思维和创新设计能力

创新是一个民族的灵魂和国家兴旺发达的不竭动力，而现在的学生正是未来的创造者，他们的创新能力将影响着一个民族能否自立于世界之林，能否位于科学技术的制高点。“机械原理”课程的教学并不能够完全培养一位工程师，而是使学生受到更专业性的专业基础及引导性教育，重在激发学生学习机械类专业的兴趣以及创新意识与能力。具体地说，创新型人才应该具备以下特点：第一，具备较强的创新意识和创新思维。只有具备较强的创新意识，才会把握机遇、不依不饶、坚持不懈的开拓进取，确立新的创新目标和方案。有了创新意识后，进一步的培养创新思维，具有创新思维才能发现问题、提出问题、解决问题。以“机械原理”课程为例，机器人技术、微机械技术等技术的出现和发展对一些新的机构设计及组合产生了较大的需求；第二，具备较强的创新能力。因为只有具备创新能力，才会具有首创精神，有坚持到底的能力、精力和毅力，从而提出具有经济价值、社会价值的新思想、新理论、新方法和新发明。针对“机械原理”课程，学生应基于所学的课程理论知识，积极发挥创新能力，对所学的知识加以升华并进行创新应用，鼓励学生多参加诸如机械设计创新大赛、工程训练大赛等赛事，通过课程实践、学科竞赛等实践活动来培养其创新思维和创新设计能力。

3 教学改革与实践

基于以上思考与分析，为了适应新形势、新经济、新工科的新要求，落实工程教育理念，切实培养具有较好工程能力的应用型机械类人才，基于“机械原理”课程特点，以培养三个核心能力为目标，学校对“机械原理”课程进行以下教学改革和实践。

3.1 教学模式改革

传统教学模式主要以教师在课堂上教授为主，采用面面俱到、灌输式的教学方法。考虑到同类高校学生基础一般较为薄弱的实际情况，若主要采用此类方式很难达到较好的教学效果。随着信息技术和网络技术的发展，MOOC(Massive pen online courses)等网络课程受到广泛关注[8]。考虑到“机械原理”理论课时减少的改革[9](滁州学院为56课时)，同时激发和培养学生自主学习意识和学习能力，以学校“泛雅”平台为线上教学平台，建设了“机械原理”课程网络教学资源，与线下教学有机融合，构建了线上线下混合教学模式，其基本框架与功能见图1。

图1 线上线下混合教学模式基本形式

如图1所示，线上网络资源主要提供了预习内容要点、课件、学习重难点等内容，督促学习课前预习、课后复习以及网上答疑等。线下主要开展理论教学、实践教学以及现场答疑等教学环节，有效解决了课内课时不足的问题，提高了学生学习效率。

3.2 理论教学方法改革

“机械原理”课程内容繁多、涉及面广，主要包含机构的运动学及动力学，不同的知识点具有不同的特点，采用统一、单一的教学方法难以达到较好的教学效果。为此，采用课堂讲授、课堂讨论与习题、现场演示、项目教学、学生自主学习等多种形式有机结合的方式进行理论教学，针对不同知识点的特点采用合适的教学方法，具体实践如下：

(1)针对“机械原理”中运动副、运动链等重要知识点，教师可通过PPT动画形式演示其工作原理并进行讲解，然后结合实验室中对应的运动副模型，采用课堂讨论的方式，加深理论知识的了解，并能够自主地将所学知识与实际联系为一个整体。

(2)针对平面机构的自由度等难点，教师首先采用课堂讲授方式讲解，然后通过习题的方式进一步加深学生对自由度的理解，其次还采用课堂讨论的形式传授自由度和机构具有确定运动的条件之间的关系，同时在课程设计中进一步利用运动学仿真软件等进行进一步加强。

(3)针对部分较为抽象、应用型较强的知识点，如凸轮机构、齿轮机构等，采用了学校机械原理实验室的内燃机拆装实验、工程训练中心废旧机床齿轮箱拆卸进行现场教学，边做边学，提高直观认识从而降低课程难度，加深学生对知识点的理解，并激发学习兴趣。

(4)针对平面连杆机构、凸轮机构设计等重点设计内容，采用项目教学的方式，对于教材上公式的推导不作详细介绍，对相关参数变化对机构性能和结构的影响作重点讲授。教师在泛雅平台上提前设计了一些引导性的题目，如利用连杆机构设计升降机、利用连杆机构设计四足机器人等，学生在课堂上分组讨论设计并绘制原理图，学生利用课余时间继续完成设计。该方式一方面加深了学生对理论知识的理解和应用，另一方面充分发挥学生自主学习的意识，在设计的过程中，主动去学习晦涩难懂的公式，大大提高了学习效率。

(5)除此之外，对于渐开线少齿差行星减速器、摆线针轮行星减速器、谐波齿轮传动等内容，采用学生自主学习的方式，一方面学生通过探究这些新型机构能够对课本知识进行补充、扩充眼界，另一方面，能够激发学生创新意识、锻炼创新思维。

3.3 实践教学改革

新工科背景下更加强调学生工程实践能力的培养以及工程技术应用能力的培养。现有“机械原理”实践教学环节包括课程实验以及课程设计等。课程实验大多数围绕机械原理认知实验、齿轮范成及参数测定实验、齿轮参数测量实验等认知性及验证性来展开，存在实践方式单一、实验项目重复度高，学生对于实验积极性不高等问题[10]；课程设计主要以牛头刨床运动机构分析等传统题目开展，综合设计性课题缺乏，学生对机构的综合设计能力没有较好地掌握。因此，学校对课程实践的教学内容和方式进行了探索，增加了重要机构的加工实训环节，以进一步强化实践能力培养。综合采用课程实验、课程实训、课程设计相结合的方式进行教学。

(1)课程实验

利用现有实验室资源，增加了机构组合及创新设计实验、机构运动简图测绘与分析实验、机械系统动力学调速实分析等综合性、创新性实验，对于有限实验室时间内的分析类等内容要求学生课外完成，将课堂实验延伸到课外，实际上有效增加了课程实验的时间。

变被动性实验为主动性实验。如今大学里的学生多以00后为主，其在学习上多追求自我感受、热衷新鲜事物，例如使用智能手机、平板电脑等，时刻不能离开网络，因此课程实验积极鼓励学生表达自己的观点、自主探索，教师适时引导的互动教学方式。例如齿轮范成实验，教师在实验开始之前不需进行过多讲解，主要要求学生利用网络及学校网络资源等，自己探索如何实验，教师可以给予一定的时间，在此时间内可以讨论、查询、探索，并且教师随时观察学生的进展，对于优秀的学生给予鼓励，对于进展较慢的学生可以给予适当引导，对于部分对于实验不热情的学生，可以采取鼓励加教育兼施的方式，使其参与实验中。当所有学生都能够独立完成实验时，教师再开始讲解，在讲解过程中结合实验过程，与学生进行互动，询问学生在自己探索实验时存在哪些问题，或者他们是如何理解这一步骤的，从而使得学生加深实验的目的和实验原理的理解，并培养学生自主学习能力、团结协作能力和创新探索精神。

(2)课程设计

课程设计是“机械原理”课程重要的综合训练环节，是学生进一步培养学生综合运用所有知识能力、设计能力的重要实践内容。然而，现有传统“机械原理”课程设计多以传统复杂机构的分析为主，最后主要以设计报告的形式来完成，存在多数学生重复他人设计、设计题目综合考察能力不强、计算及分析方法不够先进等问题，不能达到训练学生构想、设计、验证、修改的创新思维能力。为了真正利用好课程设计这一重要环节，探索“机械原理”课程设计采用讨论、设计、实物加工、答辩的综合训练形式来完成。

针对课程设计题目有两种方式供选择，一是自主增加了小球分拣机运动机构设计分析、垫圈内径检测装置机构设计分析等综合设计、工程实践类题目，适当提高设计难度和设计的实用性，同时，将全国工程训练大赛中无碳小车的运动规律设计作为课程设计题目，综合性较强；二是学生自主提出设计题目，通过调研提出一个课程设计的题目，并采用答辩的形式通过指导教师及学生给予该题目进行分析，最终筛选出合适题目。

针对设计和分析的复杂度、精度等问题，以适应当前企业设计开发的真实需求，利用数字化技术，鼓励学生采用Matlab等数字化软件对设计过程中的凸轮等机构进行设计，利用ADAMS软件来仿真和分析机构的运动学和动力学，进一步提高设计的效率和精度，使抽象化的机构模型化，同时促使学生掌握Matlab、ADAMS等先进的分析和设计软件使用方法，强化学生现代软件的使用能力，切实强化了学生的工程应用能力，避免了课程设计的“纸上谈兵”。

增加了零件的加工实训环节。对于“机械原理”课程中凸轮机构设计、齿轮机构设计等内容，学校增加了2个课时实训环节，促使学生理解整个设计和验证过程。例如凸轮机构设计，主要让学生利用工程训练中心的3D打印机自主加工凸轮。利用MATLAB根据设计要求计算凸轮的轮廓曲线，导入3D打印机后加工成实际零件，要求学生完成设计、计算、验证及加工的完整设计过程，也促使学生初步掌握了3D打印的工艺流程和机器的使用方法，拓展了知识面。

采用小组形式来完成课程设计题目，加强团队合作和分工能力，每个小组不超过3人。学生共同讨论设计整体方案，同时每人重点负责部分具体实现方案。例如某学生负责设计凸轮，明确该凸轮形状、运动形式，接触方法等设计要点，确定凸轮的参数，并利用软件进行轮廓设计和运动仿真；某同学负责操作3D打印机加工凸轮等。

最后采用设计方案答辩、实物展示等形式完成课程设计。对于课程设计成果突出的小组，可以将成果进行转化，例如形成专利、论文等，并给予转化成果成功的学生一定的奖励，提高学生完成课程设计的积极性。

(3)课外科技创新活动的补充

“机械原理”知识系统性较强，通过上述教学方法的探索及改革，对于促使学生掌握理论知识有了不小的促进。但由于教学时间的关系，工程实践能力的培养还不够充分。如何利用课余时间，特别是科技创新活动的开展是工程实践能力训练的有效途径之一。

对于切实掌握“机械原理”中的各种机构的实际运用及改进，课外科技创新活动的开展有效强化了学生的感性认识、工程实践能力以及构思—设计—实施的能力。教研组以学生协会为基础，开展了一系列的科技活动，组织学生参加“全国大学工程训练综合能力竞赛”“全国大学生机械创新设计大赛”等学科竞赛，扩大学生参与面，提倡学生自主学习ADAMS、Matlab等计算机辅助设计软件，分配老师分组指导，以校工程训练中心为实践创新平台，鼓励学生自主完成设计、加工、装配等工序，并组织校内选拔与评比活动，提高了学生学习的兴趣和主动性，对工程实践能力、创新能力、自主学习能力以及团队协作能力有了较大提升。

4 教学效果分析

以学校机械设计制造及其自动化专业2015级、2016级、2017级、2018级以及2019级为研究对象，分析了机械原理的期末总评成绩(其中考试50%，平时10%，实践40%)，具体见表1。

由表1可见，经过近年不断的教学改革和实践，不断完善改革思路和措施，学生的平均成绩逐年提升，及格率也逐年提升，尤其是学生的实践成绩提升明显，说明了通过教学改革提高了教学质量，同时也提高了学生的实践能力。

表1 2015—2019级机制专业机械原理平均成绩统计

特别是学校学生近几年来积极参加了全国工程训练大赛、机械创新设计大赛等与机械原理高度相关的学科竞赛，学生设计的 “无碳小车”“可分离式停车装置”“硬币分类机”等科技作品，获得全国二等奖1项，安徽省一等奖8项、二等奖6项的优异成绩，多次获得省“优秀组织奖”，也充分体现了“机械原理”等课程教学中工程实践能力与创新能力的培养效果。

5 结语

为了适应新工科建设背景下应用型本科院校培养应用型机械类创新人才的要求，建设应用型高水平大学，以培养应用型工程技术型人才为目标，如何有效避学术性培养模式，本文对“机械原理”课程教学进行思考和分析，并对滁州学院该课程的教学进行了探索改革与实践。通过实践教学证明，教学方法的改革极大地调动了学生学习主动性与积极性，强化了理论知识的实际应用，锻炼了学生的动手实践能力，培养了一定的工程思想和创新思维，为学生将来从事相关专业工作奠定了一定的基础。但在实践过程中，诸如学生的机构创新能力还未能够充分加强，后续将积极探索有效的教学方式来强化学生的创新能力培养。