机械原理课程高阶教学模式探索与实践——以运动副的分析与设计为例

张 涵，马雪亭，赵 军，丁 羽，王海明

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆维吾尔自治区 阿拉尔 843300）

1 问题提出

基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求，国家提出新工科3E（Emerging Engineering Education）这一工程教育改革方向。其理念是应对变化，塑造未来；要求是培养未来多元化、创新型卓越工程人才，对我国工程教育提出全新要求[1]。本科工程教育的核心目标是聚焦培养学生解决复杂工程问题的能力，复杂问题最主要特征是必须运用深入的工程原理经过分析才可能解决。这就要求理论教学必须包括足够深入的基本原理，而且强调使学生学会分析和使用的典型思想和方法，从而使学生具备扎实的理论基础，以及分析问题的能力[2]。可以看出，新工科、工程教育认证都注重培养学生面向未来的工程能力，强调学生解决复杂工程问题的能力。工程能力是工程人才知识储备和能力结构的综合体现，除了相应的知识储备，重要的是利用基础理论知识分析、解决工程实际的能力以及创新能力，包括知识储备和能力结构两个层面。

机械原理课程作为机械类专业一门必修的基础课，是研究机器与机构基础理论与方法的学科，是未来工程师和产品开发者必须学习和掌握的技术基础课程，适应各类机械专业知识学习和从事各类机械技术及管理工作，在培养高级工程技术人才的全局中，具有重要的教学和人才培养作用。

地域差异、学校差异、学生差异，如何考虑这些差异，同时考虑新工科、国际工程教育认证背景，探索符合机械原理课程特点的教学模式，历史性地摆在了人们面前，进行这方面的讨论研究十分重要。

2 高阶教学模式的探索

机械原理（机构学）的主要任务是通过对机构分析和综合方法的研究，最终实现新机构的设计。机构设计本身则是一个不断进行综合、分析和决策的过程[3]。可以看出，新机构设计或对已有机构进行分析、评价时，必须在掌握机构基础知识即记忆、理解、应用之上，进行分析、评价和创造才能完成。

高阶思维HOTS（Higher-Order Thinking Skills）源于布鲁姆等人的认知分类学，该理论将学习目标从低到高分成6 类：记忆、理解、应用、分析、评价和创造，前3个属于低阶层面，后3个属于高阶层面。高阶思维主要解决劣构问题，体现的是学习者的问题求解能力、决策能力等方面。让学习者投入到需要运用高阶思维的学习活动称之为高阶学习，与之匹配的教学模式是高阶教学模式。通过高阶学习的高阶知识是一种获取新知识的能力、水平和方式[4]，其特征是学生主体、教师主导、探究与创新等，这与本课程培养目标高度吻合。

高阶教学模式的高阶性，首先体现在教学理念的先进性。作为工程教育，其理念应该是既符合工程本质属性，又能体现学生中心的特征。因此，借鉴目前工程教育先进的实践教学理念，强调“做中学”“学中做”“做中思”“思中做”“学思结合，知行统一”，最终做到“不教而教”“教为不教”[5]。

高阶性还体现在教学内容上，结合工程实际，创设工程环境，具有开放性特征。高阶性最终落实在教学方法上，新工科、工程教育认证要求学生“终身学习”，所以，学生必须“会学”。因此，采用探究式、启发式等教学方法，调动学生学习的积极主动性，引发学生思考，最终做到“不教而教”“教为不教”。

综上所述，只有构建“理论教学—实验课—设计训练—课程设计—学科竞赛”五位一体的高阶教学模式，才能逐步培养学生解决复杂工程问题能力。

3 高阶教学模式的实践

运动副作为组成机构的基本元素，机构的运动和动力传递，都是通过运动副进行；运动副的摩擦、磨损，直接影响机构运行的效率；运动副的间隙直接影响机构的运动性能和动力性能，尤其是在高速、重载、精密机构中，运动副间隙的影响更大[6-12]。所以，在对已有机构进行分析、评价及新机构设计整个过程中，运动副的相关知识及其应用至关重要。但是，囿于知识体系的完整性和教材的篇幅限制，运动副的内容仅限于简单的理论介绍，未涉及运用该知识点的相关内容分析、评价现有机构等内容，不能培养学生分析、评价、创新的工程意识和工程能力。为此，引入高阶教学模式进行实践。针对高阶教学模式特点，在理论教学、设计训练等环节，教学内容结合工程实际分别设置办开放、开放的工程问题，探索完整的问题复杂性渐进式递增的高阶性学习模式。

3.1 理论教学

实践教学理念下的理论教学强调的是主动思考，核心是学思结合。为了激发学生学习的兴趣并引发学生积极思考、主动学习，采用探究式、启发式、讨论式、参与式等相结合的教学方式讲授。将“灌输课堂”转换为对话课堂，实现知识对话，思维对话；将知识课堂转换为能力课堂，建设能力导向，突出能力培养。

基于此，对教学内容、教学步骤、教学方法进行设计。选取工程普遍使用、学生接触较多的动力机械——内燃机包含的几个典型的运动副为例讲述，并分别从加工、制造、机构运行、特殊工程环境下运动副的材料及类型选择等环节创设工程环境，安排、设计教学内容。同时，结合学生认知规律，按照由简单到复杂，由具象到抽象进行递推式讲述。依据教学内容，采用不同教学方法分别进行。

3.1.1 概念的引入

先播放内燃机实体的工作视频，再播放模型动画，同时结合实物模型，让学生观察其组成和运动，引出运动副的概念。

3.1.2 概念的理解与分析

（1）引导学生观察并思考。曲柄与连杆、连杆与活塞、齿轮之间的运动形式、组成运动副的元素是否一致？哪一种承载能力更强？

（2）学生总结。总结出转动副、移动副、齿轮副概念，并且判断低副——因为运动副元素为面面结合，承载能力更强。

（3）学生思考。引入自由度和约束概念，对照模型动画，一起分析这几个运动副分别是几级副。同时引导学生思考运动副对机构运动约束个数不同，哪一种更容易实现复杂运动规律？

3.1.3 概念的分析与评价

（1）教师发问。从运动副的加工、制造角度，低副与高副哪种容易加工并且更容易装配、保证运行精度？实际工程机构中由于制造、装配误差，运动副中尤其是转动副轴不可避免地存在间隙，对机构运动、动力学是否有影响?

（2）学生讨论。曲柄与连杆之间的转动副、连杆与活塞组成的滑动副，两者之间的摩擦分别属于什么性质，运行过程中，哪种效率高？设计机构时，优先选择转动副还是滑动副？

（3）归纳总结。运动副在制造、装配环节不可避免地存在误差，运行过程中由于摩擦、磨损存在，造成运动副的间隙不均匀、运动副的构件间歇性接触，导致机构产生冲击、碰撞和噪声；导致机构运动轨迹偏离预期轨迹，使机构运行精度下降，甚至失效。

3.1.4 创新思维培养

（1）启发学生。在现代机械日趋精密、高性能、高效率的今天，诸如宇航、机器人、光学等领域，选用何种运动副，才能做到无摩擦、无磨损、无间隙、无噪声？引出柔性铰链、柔性机构的概念，并且让学生在自己身体上、自然界动物身上寻找柔性机构，加深对柔性铰链及柔性机构的理解。

（2）教师发问。在特殊环境比如同时具有高压、腐蚀、低温的海洋环境，高温、强振动、超重工作环境下的航空航天机构，运动副的材料怎么选择？启发学生创新思维。

结合工程实际，通过启发式、探究式、组合式的教学方法，激发学生的学习兴趣和热情，调动学生的积极思考意识。同时做到“学中思”“思中学”，记住运动副及其分类的基本知识，同时初步具备运动副分析、评价能力。

3.2 设计训练

为加深对运动副的进一步认知，运用理论课的知识对具体工程实际的分析和评价，设置设计训练环节。课后一道习题，因为其自由度为0 不能运动，让学生进行方案修改，要求至少给出4 种修改方案，并结合运动副的相关知识，分析几种不同方案间的优劣，再对具体方案给出总体评价。该环节学生分组进行，组内分工协作，相互补充，组间相互质疑。巩固对基础知识的理解，提升工程问题的分析能力。

3.3 实验课

实践教学理念下强调的是主动实践，是“做中学”“做中思”，既动手又动脑的主动实践。设计训练结束后安排一次实验课，设计训练环节给出的修改方案，在实验平台搭建具体机构，并结合其运转情况，验证理论上对具体机构的分析、评价。学生动手搭建机构，亲身感受到机构组成过程，对运动副的认知、分析、评价能力得以落实到工程实际。

3.4 课程设计

理论教学、设计训练环节获得的相关知识、思维等，需要在工程实际中得以落实和提升。学期结束，在课程设计环节，结合工程实际设置不同设计题目，学生按照不同的功能、使用要求，拟定机构运动方案、分析工作原理，然后进行机构选型、机构综合。在具体机构选型、机构设计过程中，结合工程实际，运用运动副的相关知识及分析、评价能力进一步提升，创新能力得以培养。

3.5 学科大赛

结合全国三维数字化创新设计大赛、大学生创新创业训练计划项目、互联网+等学科竞赛，学生分析、评价能力最终提升，创新能力进一步增强。

4 教学效果

通过高阶教学模式探索，具体落实到运动副这一知识点讲述上的实践，学生扎实掌握了这一知识点，并养成了运用理论基础知识分析、评价机构性能、方案优劣的能力。设计训练环节给出不同修改方案，而且分析、评价到位，后续的课程设计方案分析比较正确，之前方案雷同、机构简单组合、堆积的现象几乎消失，并且学生参加学科竞赛人数、获奖人数明显提高。

5 结语

机械原理课程是机械类专业学生必修的一门专业核心课，结合新工科、工程教育专业认证，探索了适合于本课程特点的高阶教学模式，并结合课程中重要的知识点——运动副进行实践。得出以下结论：一是高阶教学模式能培养学生的高阶思维，适合新工科、工程教育专业认证背景下工科学生的培养要求，学生工程能力逐步培养完成；二是高阶教学模式，学生自主学习意识、能力得到培养，最终达到“教为不教”的教学目的。