李峰 秦曉峰 郭策 李秀紅 任家駿

摘? 要：新時(shí)代背景下的新工科建設(shè)中，培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)高層次工科創(chuàng)新人才，推動(dòng)適應(yīng)新工科建設(shè)的專業(yè)課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。機(jī)械原理作為機(jī)械類核心主干基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)新工科機(jī)械類高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才的全局中，承擔(dān)著重要作用。針對(duì)當(dāng)前機(jī)械原理課程教學(xué)中的課堂教學(xué)模式固定、教學(xué)手段單一化、創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐不足等問題，新工科背景下的機(jī)械原理項(xiàng)目式教學(xué)可以從基于翻轉(zhuǎn)課堂、案例驅(qū)動(dòng)、數(shù)值模擬技術(shù)等多手段融合的項(xiàng)目式教學(xué)模式入手，優(yōu)化機(jī)械原理培養(yǎng)方案，重構(gòu)課程教學(xué)體系，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容，探索協(xié)同育人模式，搭建創(chuàng)新訓(xùn)練平臺(tái)。實(shí)踐表明，基于翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目式教學(xué)模式能夠較好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理;翻轉(zhuǎn)課堂;項(xiàng)目式教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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

高等教育肩負(fù)著培養(yǎng)國(guó)家創(chuàng)新性人才的重大任務(wù)，理應(yīng)承擔(dān)新時(shí)代所賦予的使命，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的創(chuàng)新型人才，全面提高學(xué)生的綜合專業(yè)素養(yǎng)。機(jī)械工程專業(yè)是注重理論和實(shí)際問題結(jié)合的應(yīng)用學(xué)科，承擔(dān)著培養(yǎng)具備機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、技術(shù)開發(fā)、科學(xué)研究、技術(shù)服務(wù)及生產(chǎn)組織管理等能力的復(fù)合型高素質(zhì)人才的使命，是推動(dòng)“中國(guó)制造2025”，實(shí)現(xiàn)中國(guó)由制造大國(guó)走向制造強(qiáng)國(guó)的基礎(chǔ)支撐。尤其在新時(shí)代背景下建設(shè)新工科，需要從培養(yǎng)大國(guó)工匠和高層次工科創(chuàng)新型人才的角度來進(jìn)行機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革[1-2]。

機(jī)械原理是高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)、近機(jī)類專業(yè)的主干核心技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，主要研究各種機(jī)械的一般共性問題，即研究機(jī)構(gòu)的組成原理、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及機(jī)器動(dòng)力學(xué)，研究各種機(jī)器中常用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力性能分析與設(shè)計(jì)方法，以及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)等[2]。機(jī)械原理課程在培養(yǎng)機(jī)械類高素質(zhì)人才的全局中，具有增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)械技術(shù)工作的適應(yīng)性，培養(yǎng)其所需的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能以及開發(fā)創(chuàng)新能力的作用，并且起到承上啟下的橋梁作用。太原理工大學(xué)《機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)2019版培養(yǎng)計(jì)劃》中針對(duì)機(jī)械原理課程的教學(xué)畢業(yè)目標(biāo)要求是，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握從事機(jī)械工程相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，并能夠用于解決機(jī)械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題;能夠應(yīng)用機(jī)械工程科學(xué)的基本原理對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行識(shí)別、表達(dá)和分析。

一、機(jī)械原理教學(xué)模式分析

國(guó)內(nèi)許多從事機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)教研的高校教師，包括本科型、面向應(yīng)用型等高校，近十幾年來在機(jī)械原理的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行了非常多的探索，在教學(xué)模式、課程體系、學(xué)生能力培養(yǎng)方案、實(shí)踐教學(xué)等方面的教學(xué)改革都進(jìn)行了深入研究[3-15]。通過對(duì)文獻(xiàn)綜述，針對(duì)本校課程教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，并考慮到學(xué)生實(shí)際水平等因素，目前機(jī)械原理的教學(xué)環(huán)節(jié)中普遍存在的一些問題如下：

（一）課堂教學(xué)模式固定，以教師教授為主，學(xué)生主動(dòng)參與性不足

目前的課堂教學(xué)模式多以教師講授為主，學(xué)生接受知識(shí)較為被動(dòng)。教師主要通過提問等手段與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，課堂活躍度不足[3-6]。并且傳統(tǒng)的教學(xué)模式側(cè)重于理論教學(xué)，單純以教師為教的主體模式，缺乏探究式學(xué)習(xí)理念，很難適應(yīng)新型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)需求。

（二）教學(xué)手段單一化，以多媒體PPT為主，學(xué)生興趣不足，未真正與計(jì)算機(jī)CAM/CAD輔助設(shè)計(jì)相結(jié)合

教師教學(xué)目前主要采用的教學(xué)手段是多媒體課件PPT。課件的制作水平直接影響了教學(xué)效果，并且對(duì)于激發(fā)學(xué)生的聽課興趣，提高學(xué)習(xí)效率有重要作用。隨著計(jì)算機(jī)普及和教育水平的提高，以及滿足“中國(guó)制造2025”的需求，機(jī)械原理課程教學(xué)中合理融入CAM/CAD輔助設(shè)計(jì)是一項(xiàng)迫在眉睫的工作[7-9]。

（三）創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐不足，以課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)為主，實(shí)踐教學(xué)模式單一

機(jī)械原理是理論和實(shí)踐結(jié)合密切，并且學(xué)科特點(diǎn)非常鮮明的一門機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課程。創(chuàng)新是發(fā)展的源動(dòng)力，機(jī)械原理課程的發(fā)展同樣需要不斷的創(chuàng)新，包括理論創(chuàng)新和教學(xué)創(chuàng)新[10-11]。為了促進(jìn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)課題與機(jī)械原理課程教學(xué)的融合，一些高校教師在其教學(xué)改革中提出應(yīng)將創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念貫穿于課程教學(xué)的整個(gè)過程?；凇皩W(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新項(xiàng)目”來開展機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的能力[12-15]。

二、項(xiàng)目式教學(xué)模式改革研究

（一）基于翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目式教學(xué)研究

基于翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目式課程教學(xué)，可包含兩部分，課程內(nèi)容教學(xué)和小組創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)，如圖1所示。課程內(nèi)容教學(xué)活動(dòng)可以從線上線下結(jié)合開展，開發(fā)豐富的線上、線下教學(xué)資源。線上資源包括課程負(fù)責(zé)人和主要教師的課堂實(shí)錄教學(xué)視頻，針對(duì)課程各章節(jié)內(nèi)容中的重要知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行針對(duì)性的講解，視頻不需要很長(zhǎng)，可控制在15～20分鐘，這樣使學(xué)生能有針對(duì)性地選擇知識(shí)點(diǎn)來進(jìn)行鞏固;線下資源可建設(shè)包括PPT課件、自測(cè)/習(xí)題庫、機(jī)構(gòu)動(dòng)畫/視頻庫等資源，供線下課堂師生互動(dòng)教學(xué)使用。課程教學(xué)活動(dòng)可利用線上平臺(tái)來進(jìn)行，如使用中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)和慕課堂來對(duì)課堂教學(xué)活動(dòng)過程以及學(xué)生參與情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析和評(píng)價(jià)。另一方面的小組創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)，可與課程內(nèi)容教學(xué)并行實(shí)施，教師提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)主題限定，學(xué)生自行組隊(duì)，每組不超過5人。學(xué)生通過對(duì)主題解析，完成系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析等任務(wù)，整個(gè)設(shè)計(jì)活動(dòng)過程，教師參與其中，并起主導(dǎo)作用，對(duì)學(xué)生系統(tǒng)總體方案及其可行性進(jìn)行探討把控，保證項(xiàng)目式教學(xué)的順利實(shí)施。小組學(xué)生分階段完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)，通過小組匯報(bào)的形式，與教師和其余組別同學(xué)進(jìn)行交流溝通。課程考核采用過程體現(xiàn)、線下考核等方式，具體各部分占比如圖2所示。

本研究基于翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目式教學(xué)模式，能夠從多方面對(duì)學(xué)生的參與情況、學(xué)習(xí)效果等進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。線上/線下互動(dòng)教學(xué)，能夠讓學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高;創(chuàng)新設(shè)計(jì)小組活動(dòng)，能夠讓學(xué)生學(xué)習(xí)自主性得到較大程度的改善，鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力、表達(dá)能力和實(shí)際動(dòng)手能力。

（二）基于案例驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目式教學(xué)研究

機(jī)械原理課程的研究對(duì)象是各種機(jī)器/機(jī)構(gòu)的基本原理，與實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)合較多。因此可以從工程案例出發(fā)，引出問題，進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠從問題的角度出發(fā)，研究問題，學(xué)習(xí)理論知識(shí)，提出解決方案。如平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)章節(jié)中的機(jī)構(gòu)急回特性的知識(shí)點(diǎn)，基于案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 基于案例驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)急回特性教學(xué)設(shè)計(jì)流程

（三）基于數(shù)值模擬技術(shù)多手段融合的項(xiàng)目式教學(xué)研究

機(jī)械原理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程可以通過數(shù)值模擬技術(shù)來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力學(xué)分析。在項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐中，可以設(shè)計(jì)讓學(xué)生采用不同的分析工具，進(jìn)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案的可行性分析、運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力學(xué)分析。如使用Pro/E、UG、Catia等進(jìn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模;用Matlab、Adams等進(jìn)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案的運(yùn)動(dòng)分析。小組學(xué)生在設(shè)計(jì)牛頭刨床機(jī)構(gòu)時(shí)，利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行牛頭刨床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真和曲柄平衡力矩計(jì)算，結(jié)果如圖4所示;對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行輪廓曲線設(shè)計(jì)進(jìn)行建模、仿真分析，如圖5所示。

三、結(jié)束語

本研究在對(duì)目前機(jī)械原理課程的教學(xué)模式分析的基礎(chǔ)上，探討了基于翻轉(zhuǎn)課堂、案例驅(qū)動(dòng)、數(shù)值模擬技術(shù)等多手段融合的項(xiàng)目式教學(xué)研究過程及方法。機(jī)械原理課程具有理論性和專業(yè)性強(qiáng)，與實(shí)踐結(jié)合緊等特點(diǎn)，翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目式教學(xué)模式，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性、學(xué)習(xí)積極性，鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力、表達(dá)能力和實(shí)際動(dòng)手能力;案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)方法，能夠使理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的問題有機(jī)融合，真正做到理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)而解決生產(chǎn)實(shí)際問題;數(shù)值模擬技術(shù)多手段融合的項(xiàng)目式教學(xué)，能夠全面提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力。本研究成果同時(shí)也能夠?yàn)闄C(jī)械類其他相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革提供一點(diǎn)思路，具有一定的借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：李峰（1984-），男，漢族，山西長(zhǎng)治人，博士，講師，教研室副主任，研究方向?yàn)闄C(jī)械原理課程體系改革與實(shí)踐。