趙世田 付瑩瑩 郁 倩 袁 健

（鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院 江蘇·鹽城 224051）

0 引言

機(jī)械原理課程是高等工科院校本科機(jī)械類專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的一門必修的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，主要研究各種機(jī)械的共性問題，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)提供必備的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械系統(tǒng)方案創(chuàng)新和綜合設(shè)計(jì)能力、工程意識(shí)等方面起到不可或缺的重要作用。機(jī)械原理課程具有一定的系統(tǒng)性、邏輯性和較強(qiáng)的工程實(shí)踐的特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生不僅有理論要求，對(duì)動(dòng)手實(shí)踐能力也提出了較高的要求。近年的國(guó)家教育部多項(xiàng)高校教學(xué)與改革指導(dǎo)意見文件，明確要求高等學(xué)校的本科教學(xué)改革要著重實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)特色，注重學(xué)生自學(xué)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，[1]特別是最近出臺(tái)的《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，[2]明確要求推動(dòng)科研反哺教學(xué)，強(qiáng)化科研育人功能，推動(dòng)高校及時(shí)把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科研活動(dòng)指導(dǎo)，加大科研實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)，開放共享各級(jí)科研基地，支持學(xué)生早進(jìn)課題、實(shí)驗(yàn)室和科研團(tuán)隊(duì)，以高水平科學(xué)研究提高學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力，鼓勵(lì)學(xué)生參加科技競(jìng)賽，達(dá)到以賽促教，以賽促學(xué)效果。傳統(tǒng)教學(xué)的重點(diǎn)是教師授課，知識(shí)的傳授是主要的目標(biāo)，忽略了學(xué)生主導(dǎo)學(xué)習(xí)地位和實(shí)踐能力的提升，使得學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性得不到鍛煉。[3]為了讓學(xué)生能夠更好的理解和掌握課程內(nèi)容，最終能較好的應(yīng)用到實(shí)踐中，除了傳統(tǒng)的教學(xué)模式外，還應(yīng)該強(qiáng)化慕課、微課、與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合等多種新型的教學(xué)方法，[4]課程考試方式的改革探索實(shí)踐，以提高本課程的教學(xué)效果。

鹽城工學(xué)院的機(jī)械原理課程，在近年來的教學(xué)改革實(shí)踐研究中，逐步豐富課程考核方式，結(jié)合全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，通過增加項(xiàng)目設(shè)計(jì)考核環(huán)節(jié)，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，融合了理論教學(xué)和實(shí)踐認(rèn)知、程序設(shè)計(jì)上機(jī)實(shí)驗(yàn)、三維建模設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真分析的綜合實(shí)踐，突出實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，集中鍛煉學(xué)生自學(xué)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，大型工具軟件的使用，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)的直觀認(rèn)知和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，真正做到“以項(xiàng)目為主線，教師為引導(dǎo)，學(xué)生為主體”，[5]通過設(shè)計(jì)項(xiàng)目式教學(xué)案例，循序漸進(jìn)的鍛煉學(xué)生對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)性能分析和系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)能力，經(jīng)受項(xiàng)目實(shí)踐鍛煉的學(xué)生，在江蘇省和全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中成績(jī)優(yōu)異，機(jī)械原理課程也已經(jīng)獲得國(guó)家精品在線開放課程的認(rèn)定，這些新型的教學(xué)方式及課程改革對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力，改善教學(xué)效果具有顯著的成果。

1 全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽

全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽是經(jīng)教育部高等教育司批準(zhǔn)，由全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽組織委員會(huì)和教育部高等學(xué)校機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦的全國(guó)理工科重要課外競(jìng)賽活動(dòng)之一。其目的在于引導(dǎo)高等學(xué)校在教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、綜合設(shè)計(jì)能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神；加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練，提高學(xué)生針對(duì)實(shí)際需求進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新思維、設(shè)計(jì)和制作等實(shí)際工作能力，吸引、鼓勵(lì)廣大學(xué)生踴躍參加課外科技活動(dòng)，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件。目前國(guó)內(nèi)各大高校都在積極推進(jìn)課程建設(shè)與大學(xué)生能力培養(yǎng)的過程，在培養(yǎng)計(jì)劃中引入學(xué)科競(jìng)賽機(jī)制，緊密結(jié)合日常教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)科競(jìng)賽，積極探索教育教學(xué)改革、學(xué)風(fēng)建設(shè)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)等。本文以鹽城工學(xué)院的機(jī)械原理課程教學(xué)改革為例進(jìn)行探討。

表1 機(jī)械原理課程考核體系

2 基于大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)科競(jìng)賽的機(jī)械原理教學(xué)改革實(shí)踐

在機(jī)械原理的教學(xué)改革實(shí)踐研究中，近年來革新課程考核方式，多樣化課程考核體系（表1 所示），增加項(xiàng)目設(shè)計(jì)考核內(nèi)容，占機(jī)械原理課程總評(píng)成績(jī)10%，項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要結(jié)合機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，圍繞大賽主題組織學(xué)生自由組隊(duì)分工進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，據(jù)此考核學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)機(jī)械原理知識(shí)的能力，針對(duì)工程實(shí)際問題的實(shí)踐動(dòng)手技能。

（1）機(jī)械原理課程教學(xué)過程初，引入學(xué)科競(jìng)賽題目。傳統(tǒng)的機(jī)械原理教學(xué)方式多是以老師講解為主，學(xué)生只是被動(dòng)的聽，教學(xué)過程中沒有理論和實(shí)踐相結(jié)合的環(huán)節(jié)，單純的理論講授會(huì)變得枯燥無味，學(xué)生也失去學(xué)習(xí)興趣。項(xiàng)目式教學(xué)方法的引入，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性，在開課時(shí)就給出實(shí)踐項(xiàng)目課題，引導(dǎo)學(xué)生思考創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由于機(jī)械原理課程開設(shè)在每年的春學(xué)期，開課時(shí)間基本與每屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽主題與內(nèi)容的發(fā)布時(shí)間大體一致，例如第八屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽主題內(nèi)容，學(xué)期初布置的實(shí)踐課題為小型停車機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)與制作。開課后組織并下達(dá)項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)書，要求學(xué)生通過有針對(duì)性的查閱資料、提前預(yù)習(xí)等方式明確任務(wù)書的具體內(nèi)容和要求，做到有目的的去學(xué)習(xí)理論知識(shí)。

（2）機(jī)械原理課程教學(xué)過程中，將理論知識(shí)與學(xué)科競(jìng)賽內(nèi)容相融合。將機(jī)械原理課程體系分為理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和創(chuàng)新性教學(xué)三個(gè)模塊。老師在課堂上進(jìn)行理論知識(shí)講解，引入多媒體等多種教學(xué)方法，以實(shí)踐課題為例講解理論知識(shí)，如立體車庫的組成、運(yùn)動(dòng)分析及設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生打好堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在具備一定的機(jī)械原理理論知識(shí)之后，課堂外學(xué)生每4-5人為小團(tuán)隊(duì)，推舉組長(zhǎng)一名，領(lǐng)導(dǎo)大家進(jìn)行方案論證分析，討論并確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)合作能力。在學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生為主體，老師僅是從方法論的角度引導(dǎo)學(xué)生較好的進(jìn)行創(chuàng)造性學(xué)習(xí)和實(shí)踐，例如共軛盤形分度凸輪機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的間歇機(jī)構(gòu)相比較，具有剛性好、振動(dòng)沖擊小、噪音低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于兩平行軸間的高速、高精度間歇性分度運(yùn)動(dòng)，廣泛用于包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、換刀機(jī)械手等自動(dòng)化生產(chǎn)線上，配合其它機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)特定的間歇分度運(yùn)動(dòng)。通過指導(dǎo)學(xué)生通過上機(jī)實(shí)驗(yàn)編寫程序進(jìn)行共軛盤形分度凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)，采集輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后采用Solidworks、NX或Creo三維建模軟件進(jìn)行實(shí)體建模，觀察輪廓曲線是否存在交叉等不良設(shè)計(jì)并進(jìn)行改進(jìn)，完成零件三維建模后進(jìn)行機(jī)構(gòu)總裝配，借助ADAMS 軟件建立機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)（圖1 所示），進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出的改進(jìn)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線與理論曲線相比較，特別是加速度分析機(jī)構(gòu)可能存在的沖擊現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性等，促使學(xué)生接觸機(jī)械工程領(lǐng)域的大型虛擬仿真軟件。如圖2 所示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真曲線可以看出，加速度曲線在分度期內(nèi)存在小幅振蕩，學(xué)生可以分析振蕩產(chǎn)生原因，同時(shí)表明機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)存在柔性沖擊。

圖1 ADAMS 虛擬樣機(jī)

圖2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真曲線

（3）機(jī)械原理課程教學(xué)結(jié)束時(shí)，完成學(xué)科競(jìng)賽實(shí)物或模型制作。課程結(jié)束時(shí)，學(xué)生最終以項(xiàng)目報(bào)告、論文或模型實(shí)物等形式提交各小組的項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果。項(xiàng)目報(bào)告涵蓋項(xiàng)目任務(wù)及小組任務(wù)分工，主要完成步驟和環(huán)節(jié)的完成，報(bào)告內(nèi)容要有圖、表、公式及文字，分析結(jié)論等。每組以團(tuán)隊(duì)形式設(shè)計(jì)多媒體課件進(jìn)行公開答辯，說明本組設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性，項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)分工，設(shè)計(jì)思路與創(chuàng)新性，設(shè)計(jì)理論依據(jù)等，老師針對(duì)任務(wù)分工、設(shè)計(jì)牽涉到的機(jī)械原理知識(shí)進(jìn)行針對(duì)性提問四個(gè)問題，然后依據(jù)項(xiàng)目報(bào)告和公開答辯情況進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)成績(jī)綜合評(píng)定（各占50%）。對(duì)于好的項(xiàng)目設(shè)計(jì)推薦參加校、省級(jí)學(xué)科競(jìng)賽。受益于機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)課程教學(xué)改革實(shí)踐，通過這種項(xiàng)目設(shè)計(jì)鍛煉，鹽工學(xué)生科技創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手技能明顯提高，圖3 所示《空間自行車停車輪》榮獲全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)，實(shí)用新型專利一項(xiàng)，圖4 所示《無避讓存取家用雙層立體停車庫》榮獲江蘇省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng)，實(shí)用新型專利兩項(xiàng)。國(guó)合班赴英國(guó)格林威治大學(xué)的留學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新動(dòng)手能力強(qiáng)，畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)動(dòng)手制作實(shí)物或模型，一等榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位獲得者逐年提高，2019 年占比高達(dá)65%。

圖3 空間自行車停車輪

圖4 無避讓存取家用雙層立體停車庫

3 結(jié)論

機(jī)械原理課程教學(xué)改革實(shí)踐表明，將大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)科競(jìng)賽引入到機(jī)械原理課程教學(xué)中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)貫穿課程教學(xué)的全過程，學(xué)生通過這種貼合工程實(shí)際的項(xiàng)目設(shè)計(jì)能夠有效提高學(xué)習(xí)興趣及積極主動(dòng)性，綜合掌握機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、編程計(jì)算、機(jī)構(gòu)三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真分析等能力，把理論與實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，鍛煉了團(tuán)隊(duì)合作能力及各類現(xiàn)代化的工具軟件的使用。多樣化的課程考核構(gòu)成，能夠促使學(xué)生重視每一分項(xiàng)，不會(huì)投機(jī)于期末考試的突擊復(fù)習(xí)或者作弊方式。項(xiàng)目設(shè)計(jì)題目時(shí)結(jié)合全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽主題，或者結(jié)合老師科研縱橫向項(xiàng)目，實(shí)踐工程項(xiàng)目的融入提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)省賽和國(guó)賽的參與能夠?yàn)閷W(xué)業(yè)成績(jī)?cè)龉馓聿省＿@種教學(xué)改革更加注重教學(xué)過程、綜合能力鍛煉，能夠全面培養(yǎng)和考核學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)及其綜合運(yùn)動(dòng)與創(chuàng)新實(shí)踐能力，真正做到了以學(xué)生為中心，教學(xué)效果顯著提高。