“工程化”背景下《机械原理》实践教学体系改革的探索

李大胜，张 辉，吕 明，张春艳

（蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030）

“工程”是一种特定的社会实践活动，工程师是从事这种造福人类的实践活动的主体，因此以培养工程人才为目的的高等工科教育在本质上也必须具有实践性[1].所谓“工程化”是指利用工程构思、工程设计和制造，将科学理论、概念、模型和规律等从知识形态转变为产品物化状态，是实现经济效益和社会效益的主要途经.深入贯彻“工程化”教育理念才能全面提高工科学生的综合素质，才能促使学生树立成为一名合格的工程师作为学习目标，将科学技术转化为现实生产力作为学习目的.因此“工程化”教育在向学生传授现代化科技知识的基础上，更应该在传授知识的各环节适时渗透工程技术内容，使学生感悟和掌握工程设计、工程实践的普遍规律和基本分析方法，避免在工科学生的培养过程中出现理科化、脱离实际的倾向[2].

教育部2012年公布的《2011年全国教育事业统计公报》显示我国的高等教育继续稳步发展.全国各类高等教育总规模达到3167万人，高等教育毛入学率达到26.9%.全国共有普通高等学校和成人高等学校2762所，比上年增加39所.其中，普通高校中本科院校1129所，比上年增加17所，普通高等教育本专科共招生681.5万人，比上年增加19.75万人，增长2.98%，在校生2308.51万人，比上年增加76.71万人，增长3.44%[3].在我国高等教育步入大众化阶段、我国高等工程教育规模位居世界第一的背景下，笔者所在的蚌埠学院作为一所通过整合、共建的方式新建的以工为主的本科院校，如何与老牌院校实现错位竞争，开拓自己的发展空间，成为学院目前建设和发展的首要任务.为此学院在贯彻落实教育部《关于全面提高高等教育教学质量的若干意见》（教高[2012]4号）和安徽省教育厅《关于深化高等教育教学改革、全面提高人才培养质量的若干意见》（皖教高[2012]7号）的基础上，明确提出“地方性、应用型、工程化”的学院办学定位，同时采取各种有效措施，确立质量优先战略、加强内涵建设、进一步深化“工程化”教育教学改革、提升应用型人才培养质量，此举在学生的培养质量和用人单位的反馈评价中取得了显著的成效.

目前本科教学体系主要是由基础理论课程、专业基础课程和专业课程三大部分构成.其中专业基础课程起着承接基础课程理论、服务专业课程需求的重要任务.专业基础课程的教学改革可以概括为教学内容要跟上现代科技的发展和注重理论联系工程实际.《机械原理》是机械类专业的一门重要的专业基础课，在整个专业培养和课程体系中具有较为突出的主干地位.它起着从基础课过渡到专业课、从理论性课程过渡到结合工程实际的承前启后作用.《机械原理》的实验和课程设计作为学生第一个接触“工程化”的实践环节，因此深入实践环节的“工程化”改革，对于学生“工程化”能力和创新能力的培养具有极其重要的作用.就如何取得更好的教学效果，笔者在其教学内容、教学方法等方面进行了一些改革尝试，结合近几年的教学实践，总结了在教育教学改革方面的一些探索和认识，以供探讨.

1 《机械原理》实验环节“工程化”教学改革

实验及工程实践教学环节对学生工程观念的树立，解决工程实际问题的能力的提高所起的作用不言而喻.《机械原理》是一门实践性很强的课程，课程核心内容是研究机械产品的运动方案设计，是学生今后掌握机械创新设计能力的基础和关键.我院的《机械原理》课程在第二学年的下学期开课，与以往学习的高等数学、力学等课程相比，它与工程实践的联系更紧密.但在教研改革以前，《机械原理》教学一直是以理论知识的传授为重点，无论从课内理论教学的组织到实验环节、课程设计环节以及课外作业的安排大都是为了使学生加深对课本知识的理解与掌握，机械原理陈列室及实验室的仪器设备也仅仅是为帮助学生理解和巩固所学课本知识而建立的，单一知识传授的课程教学模式.对实践教学重要性的认识不足导致培养出的学生虽然具有较为扎实的基础知识，但在动手能力方面较差，普遍缺乏工程意识和创新能力，在竞争日益激烈的背景下缺乏竞争力.为此我们以教改项目为依托，确立《机械原理》实验教学环节应突出“应用型、工程化”特点，将以往的“验证型”实验逐步向“综合型、实践型和创新性”实验转变，加强对学生发现与解决问题的能力、开拓与创新能力的培养.

1.1 实验实践内容的改革

我院在教研改革前的相当长一段时期《机械原理》课程开出的实验主要包括：平面机构和各种机械传动的认知实验；平面机构运动简图的测绘和分析实验；齿轮范成实验；回转构件的动平衡实验等.第一个实验属于认知实验，内容涵盖了《机械原理》课程中大部分的机构和传动形式，学生在参观机构陈列室时，通过视听结合边听边看可以获得对机构较为广泛的初步认识，单也只是停留在认知层面；而其他实验则仅仅侧重某一方面的知识的训练，造成实验内容单一、综合性不强.学生实验做起来兴趣不高，同时也导致学生对于所做实验在今后工作中的“工程化”应用方面不甚理解.

为此教研室以掌握《机械原理》基本概念和理论为基础，以培养学生的“工程化”应用能力及创新意识为中心，将实验教学环节的改革紧密围绕提升学生的“工程化”素质这一根主线展开，将实验内容画划分为基本认知验证性实验、综合设计性实验和创新性设计实验三个层次，构建了从认知型、验证型实验到综合性实验，最后到开放性设计性创新性实验的循序渐进的实验教学体系.基本验证性实验主要是对学生基本实验技能的训练，使学生对机构及机器的组成有较为深入的认知，将书本知识形象化、具体化，激发学生对课程学习的兴趣和热情；综合设计性实验主要以增强学生的“工程化”观念，弥补其感性知识不足，提升其用实验的方法研究机构性能的技能为目的；创新性设计实验主要为增强学生的创新意识和实践动手能力，为今后进行工程综合实践创造必要条件.

据此教研室依据我院现有的实验条件，在紧密结合理论课程内容的基础上重新拟定了12个实验项目，分别是：典型机构认识与分析实验；机构运动简图测绘与分析实验；齿轮范成原理实验；刚性转子动平衡设计与实验；凸轮机构运动分析实验；螺栓组及单螺栓联接静、动态综合实验；平面机构组合与创新实验；曲柄滑块、导杆、凸轮组合机构系统动力学实验；创意组合式轴系机构设计实验；机械传动性能综合实验；机械系统创意组合及测试分析实验；机械系统创新搭接及运动测试实验.实验题目的设置相比以往更加贴近工程实践，且实验内容基本涵盖了《机械原理》的重点内容，有利于学生理论联系实际，并指导实际应用.任课教师可根据具体情况任意组合选取四个由浅入深、由简单到综合、由认知到创新的实验项目作为课程的实验内容.对于其余的实验，利用《机械原理》开放性实验教学体系，鼓励学生利用课外时间完成自己有兴趣的实验项目，充分调动学生不断探索的求知欲.这样可使学生在《机械原理》课程设计开始之前就在“工程化”素养和创新意识方面得到锻炼和培养[4].

1.2 机械原理实验教学平台的建设

为配合实验教学改革提升实验教学效果，近年来我院加大对实验室投入，以“工程化”为主导思想对机械基础实验室进行了改扩建，实验室的软、硬件条件都得到很大改善，基本满足了设计性、综合性和创新性实验的要求.

为使学生深入理解《机械原理》课程中机构、零件、部件、机器、机械的概念，改建了一个全新的机械基础认识实验室，改变了以往单一机构和机械零部件的展示，增加了多套与生活贴近的机械产品.如各种直齿、斜齿、锥齿、蜗轮蜗杆减速器；二缸、四缸发动机；液压千斤顶；多种机电液组合的应用工具等.通过讲解和运动演示，使学生认识到机械产品的不断创新是人们创新思维、创新能力的充分展示，是与生产力发展、科技进步紧密联系的.从而激发学生对现实生活中经常见到的工具出发去探索新的原理和设计的兴趣和能力.

机构运动组合创新实验平台的建立对培养学生工程意识和创新能力极为重要.为此实验室购置了数套机械系统创意搭接组合运动及测试分析实验平台.该实验平台是一个全新的运动方案创新设计及测试分析平台，采用符合拆装的模块化结构，做到一机多用，既可以开设基本型实验，又能开设研究型实验，使设备资源达到最大利用.使用该平台能实现带传动、链传动、平面连杆机构、齿轮机构、间歇运动机构、定轴轮系、周转轮系等机构组装的各种不同类型的复杂机械系统创意组合，典型拼装方案达18种以上.同时检测系统集数据采集与电机调节控制于一体，可对直动机构运动位移、速度、加速度，摆动机构、摆动角位移、角速度、角加速度，传动轴转速及转速波动运动规律，机构回转运动回转不匀率等进行测试分析，并且实时显示在计算机上，与打印服务功能相结合.实验前实验教师只给出要求实现的输出动作，在分组上将5名同学分为一个合作小组，在遇到问题则由组内成员共同讨论解决，指导教师仅提供参考意见，不进行方案决策.使每个学生在实验过程中都能提出自己的方案并有动手机会，最终将抽象的书本理论搭接成直观的运动组合，例如学生通过机械系统创意搭接组合运动及测试分析实验平台获得测试数据及曲线，通过对曲线变化的原因分析，评价自己搭建的系统和设计方案，例如安装精度提高、构件的运动规律如何进行分析等，相比单纯的验证性实验按部就班地操作极大的提高了学生运用所学知识分析和解决实际工程问题的能力及创新能力.

2 《机械原理》课程设计环节“工程化”教学改革

具有较强的工程意识、技术应用、操作技能和一定创新思维的机械类毕业生中是最受用人单位欢迎的.而《机械原理》课程设计是在教师指导下学生相对独立完成的第一次综合设计实践.《机械原理》课程设计的主要任务就是使学生在课程结束后巩固和运用所学的机械原理相关理论、培养其机械运动方案初步设计能力、使其在机械创新设计意识方面得到一定的培养和训练、为其今后从事机械产品的创新设计打下必要的基础.

2.1 突出课题来源的“工程化”

课程设计题目选择直接关系到整个课程设计所能取得的训练效果，对学生“工程化”素养以及设计能力、创造精神的培养起到至关重要的作用.传统的设计题目类型较为单一陈旧，严重束缚学生的创新思维，在设计过程中学生普遍感到枯燥无味，无法调动学生的学习积极性，甚至滋生抄袭现象.为此目前我院《机械原理》课程设计课题在坚持阶梯型多元化的课题来源的同时结合教师自身的科研以及与企业的合作，并充分利用新购置的机械系统创意搭接组合运动及测试分析实验平台，开发积累了一定数量难度适中、又密切联系工程实际的设计题目，收到了较好的效果.

2.2 突出分组方式的“工程化”

完成一个工程设计需要一个团队的分工协作.以往的一人一题和多人一题的课程设计分组模式都存在较大弊端，由于低年级的学生此前并没有经历过系统的设计过程训练，学生的机械基础知识储备相对不足，加上有许多专业知识尚未接触，工程实践经验也相对欠缺，加之课程设计周期短，一人一题容易导致学生在指定时间无法完成设计，甚至出现设计结果不符合给定的设计要求等现象.相反组员人数过多，又会滋生部分同学“等、靠、要”的惰性现象出现.实践证明3-5人一小组的分组最为合理，小组共同完成一个设计题目，并推举出一名组长，每一名组员在提出和介绍自己的设计构思方案的基础上，进组内讨论、方案评价比较，取长补短，最终形成本小组的一个或几个方案.并在机构运动组合创新实验平台上搭接模型，验证设计方案的合理性、可行性.同时根据出现的问题提出调整和修改意见最终形成较为成熟的设计方案.实践证明，合理的分工合作模式在充分调动和发挥每一名学生的主观能动性和独立思考能力，培养其工程意识和创意意识同时也提高了学生的动手实践能力和团队合作精神.

2.3 鼓励学生应用现代工程设计手段

在课程设计中采用传统的图解法有着几何运动概念清晰直观，解析法则有着答案精确的优点.但同时图解法也存在作图复杂、工作量大、精度低、效率低等缺陷，而解析法也存在着仅以数字的形式显示，不直观等弊端.而随着计算机及其成熟软件在工程设计中的应用，虚拟技术和各种三维设计分析软件在机械相关行业中已成为设计分析的主要工具.为此，任课教师在理论课授课阶段全程使用多媒体教学，通过展示教研室自制的各种机构的三维动画来鼓励和激发学生对各种三维设计分析软件的自学兴趣.同时结合我院每年一届的计算机辅助设计大赛和高年级学生的引领作用，使目前已有相当一部分学生在课程设计中采用计算机三维软件进行设计和分析，促使其较早掌握了现代机械工程设计的手段和方法.

3 “工程化”师资队伍的保障

师资队伍的工程素质水平的高低是学生“工程化”培养质量的关键因素之一.近年来随着我国高等教育的扩招，师资队伍普遍呈现年轻化，很多教师是从学校到学校，虽然有着硕士博士的学位，但也导致各工科院校尤其是像蚌埠学院这样的地方性工科院校的师资队伍工程实践经验的普遍缺乏，成为制约“工程化”人才培养和“工程化”教育教学改革深入推进的主要因素.因此学生普遍反映的《机械原理》是一门“教师难教，学生难学，机构原理听得懂，创新机构难下手”的课程与师资队伍工程整体素质水平不高不无关系.而面向工程实践的工程类人才的培养必须注重实践性，这就要求师资队伍不仅要具有深厚的专业理论知识，其工程实践经验和工程应用能力的水平将直接决定学生“工程化”培养质量.为此笔者认为可以通过以下途径来解决师资队伍中具有较高工程素质的数量不足、工程素质整体偏低的突出矛盾.

一是加强具有工程实践背景的师资人才引进.作为以工为主的院校在师资引进的过程中，要争取政策的扶持，在教师引进特别是实验指导教师方面在引进高学历人才的同时加强对于具有工程实践背景、具有企业一线较长工作经历的工程师等人才的优先引进；二是建立校外兼职师资常规化制度.加强与当地企业合作，聘任企业工程师中的技术骨干为校外兼职教师，在聘请他们承担相应教学环节特别是实验实践教学环节教学任务的同时也请他们充分参与到专业人才培养方案的修订；三是积极参与地区相关产业技术创新战略联盟，通过校企深度合作，提升学校教师工程素质水平.对于教师的培训在重视学历学位的提升为主的同时，加强理论培训与实践培训的结合程度，加强与企业的合作，使派送教师到企业短期工作获取更多的工程实践经验成为常态化；四是在鼓励教师承接各类纵向项目的同时加大对承接企业委托研究项目研究的支持，提升教师的工程创新能力；五是出台相关政策转变以往重视理论研究和发表论文为主，忽视专利、产学研合作和技术服务等方面的对工科专业教师的评价考核体系.

4 “工程化”教学尺度的把握

如果能将“工程化”的内容合理、自然、准确的溶入教学环节，教学氛围必将活跃、生动形象，学生的学习积极性和工程素养将大幅提升，但是在实际操作时往往会出现这样那样的问题.例如在具体实施时将知识面铺得过大，脱离了本课程的知识点或理论内容，从而理论深度不够而使“工程化”教学成为科普教学；工程实际应用选择的不合理使学生感到教学安排是为了“工程化”而“工程化”的牵强附会；将“工程化”的主线引出课题后又陷入了纯理论的内容中等等.

为此在推进“工程化”的教学改革时要注意：一是教师要切实将对工科专业学生的“工程化”教学改革作为一件一定要做而不是可做可不做的事情，教师要主动介入实际工程，积累储备实际工作经验，这样才能做到在教学过程中真正能拿得出可讲透“工程化”案例；二是教师对本课程的理论的掌握必须扎实，同时吃透本专业其他相关课程体系的内容和今后学生的服务面向，做到既能够自如地从理论向实际展开，又能从实际中准确的回归理论；三是教师要有灵活艺术的授课技巧，对教学内容安排的深度和广度能自如的把握，做到既能展得开，又能收得住，切不可偏离本课程的理论太远而使学生无法领会本课程的重点.

5 结语

应用型工科本科院校如何办出与其他各类教育有别的特色，形成错位竞争优势，突出“工程化”教育教学改革应该是一条可以探索的道路.教研室在认真研究工程的内涵与本质特征的基础上，经过近几年的“工程化”教育教学改革实践，在人才培养的各环节，努力体现工程的本质特征，取得了一些显见的效果.学生分析和解决实际工程问题的能力普遍得到了提高，实际动手能力得到了锻炼，组织能力和团队精神得到了培养.同时对实践教学体系“工程化”的教育教学改革反过来也促进了教师队伍整体知识结构、综合素质的提高.

〔1〕李正,林凤.从工程的本质看工程教育的发展趋势[J].高等工程教育研究,2007(2):19-25.

〔2〕祝海林,邹旻,李方俊，等.“工程化”实践教学体系的探索[J].太原理工大学学报(社会科学版),2003(3):86-89.

〔3〕中华人民共和国教育部.2011年全国教育事业发展统计公报.http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htm lfiles/moe/moe_633/201208/xxgk_141305.htm l.

〔4〕李大胜,石怀荣,吕明,张春艳.应用型本科院校《机械原理》教学改革与实践[J].淮海工学院学报(人文社会科学版),2012(3):90-92.