面向新工科的机械原理项目式教学模式研究

摘  要：新时代背景下的新工科建设中，培养机械类专业高层次工科创新人才，推动适应新工科建设的专业课程教学改革势在必行。机械原理作为机械类核心主干基础课程，在培养新工科机械类高素质、创新型人才的全局中，承担着重要作用。针对当前机械原理课程教学中的课堂教学模式固定、教学手段单一化、创新教学实践不足等问题，新工科背景下的机械原理项目式教学可以从基于翻转课堂、案例驱动、数值模拟技术等多手段融合的项目式教学模式入手，优化机械原理培养方案，重构课程教学体系，创新教学内容，探索协同育人模式，搭建创新训练平台。实践表明，基于翻转课堂的项目式教学模式能够较好地提高学生的学习兴趣和工程创新设计能力。

关键词：机械原理;翻转课堂;项目式教学;教学改革

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）08-0085-04

Abstract： In the construction of new engineering in the new era， it is imperative to cultivate high-level innovative talents of mechanical engineering and promote the teaching reform of professional courses to adapt to the construction of new engineering. As the core basic course， mechanical principle course plays an important role in the overall situation of cultivating high-quality and innovative talents of mechanical engineering. Aiming at the problems of fixed classroom teaching mode， single teaching means and insufficient innovative teaching practice in the current teaching， the project-based teaching of mechanical principles under the background of new engineering can start with the project-based teaching mode based on flipped classroom， case driven， numerical simulation technology and other means to optimize the training scheme of mechanical principles， reconstruct the course teaching system， innovate the teaching content， explore the collaborative education mode and build an innovative training platform. Practice shows that the project-based teaching mode based on flipped classroom can better improve students' learning interest and engineering innovation design ability.

Keywords：Mechanical Principle; flipped classroom; project-based teaching; the teaching reform

高等教育肩负着培养国家创新性人才的重大任务，理应承担新时代所赋予的使命，培养德智体美劳全面发展的创新型人才，全面提高学生的综合专业素养。机械工程专业是注重理论和实际问题结合的应用学科，承担着培养具备机械产品设计制造、技术开发、科学研究、技术服务及生产组织管理等能力的复合型高素质人才的使命，是推动“中国制造2025”，实现中国由制造大国走向制造强国的基础支撑。尤其在新时代背景下建设新工科，需要从培养大国工匠和高层次工科创新型人才的角度来进行机械类专业基础课程的教学改革[1-2]。

机械原理是高等学校机械类专业、近机类专业的主干核心技术基础课程之一，主要研究各种机械的一般共性问题，即研究机构的组成原理、机构运动学及机器动力学，研究各种机器中常用机构的运动及动力性能分析与设计方法，以及机械传动系统方案设计等[2]。机械原理课程在培养机械类高素质人才的全局中，具有增强学生对机械技术工作的适应性，培养其所需的基础知识和基本技能以及开发创新能力的作用，并且起到承上启下的桥梁作用。太原理工大学《机械设计制造及自动化专业2019版培养计划》中针对机械原理课程的教学毕业目标要求是，通过本课程的学习，使学生掌握从事机械工程相关的专业基础知识，并能够用于解决机械工程领域的复杂工程问题;能够应用机械工程科学的基本原理对机械工程领域的复杂工程问题进行识别、表达和分析。

一、机械原理教学模式分析

国内许多从事机械原理、机械设计基础等专业基础课教学教研的高校教师，包括本科型、面向应用型等高校，近十几年来在机械原理的教学实践中进行了非常多的探索，在教学模式、课程体系、学生能力培养方案、实践教学等方面的教学改革都进行了深入研究[3-15]。通过对文献综述，针对本校课程教学环节进行分析，并考虑到学生实际水平等因素，目前机械原理的教学环节中普遍存在的一些问题如下：

（一）课堂教学模式固定，以教师教授为主，学生主动参与性不足

目前的课堂教学模式多以教师讲授为主，学生接受知识较为被动。教师主要通过提问等手段与学生进行互动，课堂活跃度不足[3-6]。并且传统的教学模式侧重于理论教学，单纯以教师为教的主体模式，缺乏探究式学习理念，很难适应新型工程技术人才的培养需求。

（二）教学手段单一化，以多媒体PPT为主，学生兴趣不足，未真正与计算机CAM/CAD辅助设计相结合

教师教学目前主要采用的教学手段是多媒体课件PPT。课件的制作水平直接影响了教学效果，并且对于激发学生的听课兴趣，提高学习效率有重要作用。随着计算机普及和教育水平的提高，以及满足“中国制造2025”的需求，机械原理课程教学中合理融入CAM/CAD辅助设计是一项迫在眉睫的工作[7-9]。

（三）创新教学实践不足，以课程实验教学和课程设计为主，实践教学模式单一

机械原理是理论和实践结合密切，并且学科特点非常鲜明的一门机械类专业基础课程。创新是发展的源动力，机械原理课程的发展同样需要不断的创新，包括理论创新和教学创新[10-11]。为了促进创新性设计课题与机械原理课程教学的融合，一些高校教师在其教学改革中提出应将创新设计理念贯穿于课程教学的整个过程。基于“学科竞赛、创新项目”来开展机械原理课程设计，进而培养学生将理论知识与实践相结合的能力[12-15]。

二、项目式教学模式改革研究

（一）基于翻转课堂的项目式教学研究

基于翻转课堂的项目式课程教学，可包含两部分，课程内容教学和小组创新设计活动，如图1所示。课程内容教学活动可以从线上线下结合开展，开发丰富的线上、线下教学资源。线上资源包括课程负责人和主要教师的课堂实录教学视频，针对课程各章节内容中的重要知识点，进行针对性的讲解，视频不需要很长，可控制在15～20分钟，这样使学生能有针对性地选择知识点来进行巩固;线下资源可建设包括PPT课件、自测/习题库、机构动画/视频库等资源，供线下课堂师生互动教学使用。课程教学活动可利用线上平台来进行，如使用中国大学MOOC平台和慕课堂来对课堂教学活动过程以及学生参与情况进行监测、统计分析和评价。另一方面的小组创新设计活动，可与课程内容教学并行实施，教师提供创新设计主题限定，学生自行组队，每组不超过5人。学生通过对主题解析，完成系统方案的设计以及机构运动方案、机构运动仿真分析等任务，整个设计活动过程，教师参与其中，并起主导作用，对学生系统总体方案及其可行性进行探讨把控，保证项目式教学的顺利实施。小组学生分阶段完成创新设计活动，通过小组汇报的形式，与教师和其余组别同学进行交流沟通。课程考核采用过程体现、线下考核等方式，具体各部分占比如图2所示。

本研究基于翻转课堂的项目式教学模式，能够从多方面对学生的参与情况、学习效果等进行全面评价。线上/线下互动教学，能够让学生学习积极性提高;创新设计小组活动，能够让学生学习自主性得到较大程度的改善，锻炼学生的系统分析设计能力、表达能力和实际动手能力。

（二）基于案例驱动的项目式教学研究

机械原理课程的研究对象是各种机器/机构的基本原理，与实际工程应用结合较多。因此可以从工程案例出发，引出问题，进行针对性的教学设计，使学生能够从问题的角度出发，研究问题，学习理论知识，提出解决方案。如平面连杆机构及其设计章节中的机构急回特性的知识点，基于案例驱动的教学设计流程如图3所示。

图3 基于案例驱动的机构急回特性教学设计流程

（三）基于数值模拟技术多手段融合的项目式教学研究

机械原理的机构设计过程可以通过数值模拟技术来进行运动分析、动力学分析。在项目式教学实践中，可以设计让学生采用不同的分析工具，进行机构系统方案的可行性分析、运动分析和动力学分析。如使用Pro/E、UG、Catia等进行机构结构设计和建模;用Matlab、Adams等进行机构系统方案的运动分析。小组学生在设计牛头刨床机构时，利用数值模拟技术进行牛头刨床机构的运动仿真和曲柄平衡力矩计算，结果如图4所示;对凸轮机构进行轮廓曲线设计进行建模、仿真分析，如图5所示。

三、结束语

本研究在对目前机械原理课程的教学模式分析的基础上，探讨了基于翻转课堂、案例驱动、数值模拟技术等多手段融合的项目式教学研究过程及方法。机械原理课程具有理论性和专业性强，与实践结合紧等特点，翻转课堂的项目式教学模式，可以提高学生学习自主性、学习积极性，锻炼学生的系统分析设计能力、表达能力和实际动手能力;案例驱动的教学设计方法，能够使理论知识与实际生产应用中的问题有机融合，真正做到理论学习与实践相结合，进而解决生产实际问题;数值模拟技术多手段融合的项目式教学，能够全面提高学生的机构设计和动手能力。本研究成果同时也能够为机械类其他相关的技术基础课程教学改革提供一点思路，具有一定的借鉴意义。

参考文献：

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基金项目：教育部新工科研究与实践项目“面向未来战略必争领域的机械专业新工科建设探索与实践”（E-JX20201507）;山西省高等学校教学教育改革项目“基于机械创新设计理念的机械原理课程设计教学改革探究”（J2019052）;山西省高等学校教学教育改革项目“机械设计课程设计与机械创新大赛融合的学生综合实践能力培养研究与实践”（J2020052）

作者简介：李峰（1984-），男，汉族，山西长治人，博士，讲师，教研室副主任，研究方向为机械原理课程体系改革与实践。