卓越工程师培养背景下的 《机械原理》建设实践

李公法，孔建益，蒋国璋，熊禾根

孙 瑛，邹光明，侯 宇，汤 勃 （武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉430081）

“卓越工程师教育培养计划”是贯彻落实 《国家中长期教育改革和发展规划纲要 （2010～2020年）》的重大改革计划，是教育部 “十二五”期间 “本科教学工程”的重要组成部分，该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。基于此目的，武汉科技大学机械自动化学院依托学科与专业优势，通过实施 “卓越计划”，致力于培养符合时代要求的卓越机械工程师。机械卓越工程师培养的需求，势必对 《机械原理》精品的建设提出了更高的要求。下面，笔者基于机械卓越工程师培养的需求，对 《机械原理》课程建设进行了探讨。

1 《机械原理》课程教学改革的总体指导思想

《机械原理》课程教学改革的总体指导思想为：教改是先导，科研是动力，教材是基础，课件是手段，实践是关键。以教学研究和教学改革项目为先导，从最初的自发教学改革，到校级、省级、教育部的教学研究和教学改革项目，培育对 《机械原理》教学改革的理念；以颚式破碎机机构学、受控五杆机构学、高副及高级别机构运动分析方法等科研项目研究为动力，提升对 《机械原理》教学改革的能力，提高科研成果转换教学资源率；以撰写并出版独具特色的 “全解析法”教材为契机，奠定 《机械原理》教学改革的基础，锁定教学研究和教学改革的成果；以编写依据特色教材和多年教学研究成果的多媒体课件为目标，展示教学研究和教学改革成果，丰富教学内容和手段；以国家级机械实验教学示范中心和创新基地的建设为依托，改善 《机械原理》实践教学环节，从而将学生的实践能力和创新能力培养落到实处。

通过 《机械原理》课程建设，创新教学模式、教学内容、教学方法、教学手段以及教学环境，以点带面，从一门课程的突破，带动其它专业基础课及专业课程的改革，进而促进整个专业的改革，真正将人才素质培养的目标落到实处。

2 教学方法

《机械原理》课程内容丰富，涉及面广，学生对该课程学习的好坏、对有关知识点掌握的熟练程度，以及有效地实施相关实践教学环节等将直接关系到机械专业学生运用专业知识解决实际问题的能力［1］。因此，如何制定教学内容、教学方法以及教材建设的改革是 《机械原理》课程建设的核心。

针对机械学科的发展，在课程建设中，基于机械工程自动化、机械电子和车辆工程等专业学生的学习基础，通过制定合理的课程结构体系、不断更新教材内容、改善实验教学条件、优化师资队伍等措施，从而逐步形成了一套科学、先进、完整的课程教学体系。同时，在教学过程中，采用灵活、互动性的教学方法，实现了理论教学与实践教学、课堂讲授与网络自学相结合的教学方式。

2．1 灵活运用现代化教学平台

利用现代信息技术，制作电子教案和课件，利用多媒体辅助教学，结合黑板板书，既增加课堂的信息量，又不至单调枯燥。将54万字 《机械原理》共制作图表231组、计画面3286幅的多媒体教学课件，该课件体现了可读性、内容与讲述的同步性、画面得体变换、层层显示突出重点、便于记录等特点，使无声的教材活跃在屏幕。在课件中对于需要记录的语句力求简短精炼并特别注明，还留有相应的记录时间。该CAI课件具有理论推导的同步性、实际工程机械运动的可视性、实验和加工过程的演示性，用具体生动的画面描述理论原理，并融合启发式教学法、模式教学法、准实践教学法、设疑教学法等丰富的教学方法，有效调动学生积极参与学习，促进学生积极思考，开展研究性学习促进学生学习能力发展。利用该CAI课件，提高了授课质量和教学效率，使学生轻松、愉快地学习，加深对基本概念、基本原理的理解，牢固掌握各种分析和设计方法，提高对知识的掌握程度。

2．2 合理应用ABCD法

《机械原理》课程各教学环节的安排均遵循由感性到理性，再由理性到应用这一认识过程。根据课程特点在教学中运用了启发式教学法、模式教学法、设疑教学法、准实践教学法等教学方法，简称ABCD 法［2］。

1）启发式教学法 将以往教学中发现的学生最易出现错误的问题或是教材的重点、难点问题，采用自问、提问、讨论等多种形式的画面变换启发思维与求知欲望，使学生集中精力地参与教学，画面变换应使提问和讨论由浅入深由表及里地逐步进行直到问题解决。这种由讲述到自问、提问、讨论的教学形式和画面的变换 （包含语言上的轻重、抑扬顿挫地变换），即运用了有意注意与无意注意的相互转换来增强注意力，激发了学生学习热情与兴趣，达到引导学生积极主动思维、提高教学效果的目的。

2）模式教学法 将某一理论、原理或概念，按照一定的模式进行从感性到理性，从具体到抽象的加工，使其变为具体的便于理解的图形。由于新知识和概念是建立在已有的知识和概念基础上的，因此应利用这些直观的或已知的经验、材料启发回忆与新知识、概念有关的事物，并尽可能地用图形加以描述使之准确理解。如在讲述 “速度瞬心”概念时，先将一个车轮 （平面刚体）在另一个平面刚体的直线轨道上作纯滚动，车轮与轨道接触点的相对速度为零，即速度瞬心P（已知的经验、材料）；再将两刚体扩大并去掉车轮与轨道，相对速度为零的点P即速度瞬心，且两刚体任一点均绕P点转动（启发新知识、概念），由此得出结论：已知两平面刚体上2个重合点的相对速度，则速度瞬心即两相对速度垂线的交点（从具体到抽象的加工和应用）。

3）设疑教学法 在讲解某一原理、方法、问题时，有意地设置疑问，然后再讲解解决问题的方法，以加深理解。平铺直叙的讲述方法如同平淡的语言一样很难引起集中思维，只有当思维出现波澜或得出非预想的结果时才会引起有意注意而促进积极思维和求知欲。设疑教学法即在讲述问题时有意设置非预想的结果来促进脑细胞的兴奋。如讲述 “计算机构自由度应注意的事项”时，把先讲述注意事项后进行机构自由度计算得出正确结论的平铺直叙的讲述方法改为：先让学生进行机构自由度计算得到错误的结果 （出现问题，引起有意注意），然后动画演示机构的运动 （确认错误，引起脑细胞的兴奋），再讲述注意事项 （关注问题的关键），最后计算机构自由度 （解决问题的检验，喜出望外）。

4）准实践教学法 《机械原理》是机械类专业的技术基础课，其教学内容与实际机械紧密相关，通过录像、计算机模拟、多媒体教学手段的合理使用，展现实体的特征与动态、理论原理的推导、实验的演绎过程，加深对实体、理论的认识与理解，可以极大地提高教学效率，激发学生的学习热情，提高教学效果。

除了以上的教学方法外，还大力推广讨论式、研究式教学法，增加小设计和小论文，充分激励学生探索和研究的热情，让学生学会科学研究的方法，把能力的培养落实在实处。

3 实践教学

实验教学是 《机械原理》教学的重要环节，其构建了理论教学与实践教学、课堂教学与课外科技实践密切结合的创新平台。

3．1 创建多层次实验项目

《机械原理》课程的实验环节包括基本实验、综合实验和创新实验。通过这些实验环节不仅可以巩固理论课的基础知识，还能培养了独立科研工作的能力。对实践教学环节的改革，以课堂教学与实验教学相结合、真实实验与虚拟实验相结合、课内实验与开放性实验相结合 “三个结合”思想为指导，依托武汉科技大学国家级机械实验教学示范中心的软硬件环境，建立基础实验室、专业扩展实验室、开放实验室、大学生创新基地，创建了基础型、综合型、设计型、研究创新型等多层次实验项目，打造 《机械原理》多元化实践教学平台，为能力培养与素质培养提供坚实的支撑［3］。

3．2 强化工程实践意识

针对学生工程实践意识普遍不足的问题，以冶金行业中的飞剪机构、转炉倾动机构等为对象，进行有针对性的示例分析及设计计算实训，培养学生对行业机械的认识和工程实践能力。在实验中强化实践意识，如渐开线齿廓基本参数测量实验贴近工程实际应用、机构组合设计实验以工程实物为原型进行机构设计与分析、机构运动与动力学参数测量实验中融入传感器、数据采集与处理、运动控制等。课程设计以典型冶金设备如飞剪机构等为对象，内容包括型综合与尺度综合，以生产中的设计工艺参数为原始条件设计新型机构，并进行方案的评价与优选。

4 考核方式的多元化

机械原理课程考核方式和成绩构成为：每月进行一次月考，占总成绩的20%，平时作业占30%，课程编程 （1～2个），机构运动仿真编程与机构的三维设计与仿真，学生独立完成或小组完成，占10%，期末考试占40%。月考和期末考试内容上具有足够的覆盖率，结合教学内容重要程度、教学所需要时间等因素，从内容与目标两个维度合理分配权重，对高级目标适当增大权重，对基础知识考察其理解、应用、分析、综合的能力，并从题型上增加论述题、分析题和创新设计题，以促进学生创新智能的发展。课程编程的内容设置上，包括机构运动仿真编程、创新机构或机械系统的设计、机构的三维动画仿真、机械装置的制作与工程训练等多种形式，学生可根据自己的特长与爱好选择其中两种作为课程编程，独立完成或组队完成，能够因材施考，最大限度的调动学生的积极性，培养综合能力。

5 教学网站建设

建设了 《机械原理》网络教学网站。网络教学网站主要包括多媒体课件、实验教学、视频点播、网上自测、网上答疑、课程论坛、课程导学、教学改革、教学信息发布、往年考题等。教师可利用网络进行辅助教学，学生可进行远程、自主的学习，共享教学资源。

6 教材建设

教材是精品课程建设的基础。课程组在20多年潜心研究的基础上，结合课程教学实际和专业特点，编写了一系列适用性强的教材，包括主编的教材、实验教材以及辅助教材等。其中，主编的教材经过了不断的完善和充实，力求将最新的教学内容、教学手段和科研成果融入教材中，保证教学内容的前沿性和时代感。创建一本以培养机械系统设计和创新能力为主线，采用现代计算方法的全解析法 《机械原理》是教材改革的方向。

1998年，湖北省首届教学名师廖汉元教授和国家教学名师孔建益教授等主讲教师提出了全解析法的教学改革思想，并将全解析法贯穿于整个教学环节，出版国内第一本全解析法 《机械原理》 （第1版）。该教材主要介绍机构及机械分析与综合的几本理论与方法，注重与现代设计方法相结合，在分析与设计中应用了计算数学及优化的有关知识与方法，并加强了机构型综合的内容。2007年，对第1版教材的内容进行了修正和更新，出版了 《机械原理》（第2版）。2013年，出版了 “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材 《机械原理》（第3版）。该教材在原有教材的基础上，建立以机械系统设计和培养创新能力为主线，以设计程序为顺序选择和安排教学内容的教材新体系，对圆柱齿轮机构和受控五杆机构进行了较大的修改，并针对其他各章节在使用中发现的错误和不足进行了修订，从而保证了教学内容的新颖性。教材内容应与时代发展相适应，更新的内容主要包括机构型综合的创造技法 （数值分析的机构型综合连杆组合法）、高级别机构的newton－raphson迭代法、高副机构及两自由度机构的运动分析、将圆柱齿轮机构改为以变位齿轮为主线编写，标准齿轮为其特例、增加 “机构的优化设计”、首次提出的考虑摩擦力分析的线性化法、建立平面连杆机构尺度综合的全解析方法、当前机构研究的热点内容：受控五杆机构。近年来，教学组的教师在教材建设中倾注大量心血，主编或参编教材多部，形成了主教材、辅助教材 （含课程设计和实验教材）、参考教材、多媒体课件有机结合的系列配套教材。新的系列教材适应教改需要，优化了课程体系，吸纳了科研新成果，反映了当代机械学科的发展方向。

7 师资建设

由国家名师孔建益教授、湖北省名师廖汉元教授领衔的课程教学团队由15位成员组成，其中，55岁以下的教师 （14人）均具有硕士或博士学历，其中9人具有博士学位，占教师总数64%；教授3人，副教授 （含高工）8人，讲师 （含工程师）4人，具有高级职称的教师占教师总数的73%；50岁以上2人，40－50岁6人，30～40岁7人；从外校毕业的教师8人，其中从外校毕业 （德国汉堡国防大学、华中科技大学和西北工业大学等）的博士5人，硕士3人，占整个师资队伍的53%。另长期聘请中石油勘探院苏义脑院士为本学科特聘教授，指导并参与该课程的建设。课程团队的构成层次分明，连接紧密；团队成员专业特色突出，优势互补；团队成员年龄结构合理，老中青结合；团队成员职称层次合理，配合有效；团队成员学缘分布广泛，充满活力。团队发展以教学为基础，以科研为导向，以教学中的需求促进科研发展，以科研中的成果反哺教学，学研互动，两者的共同作用保证了团队教学与科研紧密结合。

课程组中资深教授和教学名师甘为人梯，对青年教师言传身教，关心备至。青年教师为导师助课，经历教学全过程。通过 “传帮带”，青年教师的教学水平迅速提高，优秀的教学经验得以薪火相传。通过多年的培养教育和一线教学科研实践，课程组90%以上的青年教师成为了教学骨干，5人在学校教学比武中获一、二等奖，获学校教学优秀奖达8人次，1人晋升正教授，5人晋升副教授。

8 结 语

考虑机械卓越工程师的培养需求，经过多年的国家精品课程的建设，《机械原理》基于机械学科的发展和学生的学习需求，做到了规范化、制度化和网络化的教学过程。另外，积极开展各项教学研究工作，积极与国内其他高校进行教学交流和研讨，吸取先进的教学理论和经验，不断地更新和充实教学内容和方法，保证了精品课程的可持续发展。在教学过程中，严格执行教学督导和学生的教学评价制度，教学效果及时反馈，保证了教学质量。

［1］廖汉元，孔建益 ．机械原理 ［M］．第3版 ．北京：机械工业出版社，2013．

［2］孔建益，侯宇，杨金堂，等 ．“五横五纵”矩阵型机械原理教学模式的探索与实践 ［J］．武汉科技大学学报 （社会科学版），2009，11 （1）：101－104．

［3］侯宇，孔建益，杨金堂，等 ．机械原理多元化实践教学体系研究 ［J］．中国冶金，2011（2）：33－36．