基于大学生机械创新设计学科竞赛的机械原理课程教学改革

赵世田 付莹莹 郁 倩 袁 健

（盐城工学院机械优集学院 江苏·盐城 224051）

0 引言

机械原理课程是高等工科院校本科机械类专业教学计划中的一门必修的专业技术基础课，主要研究各种机械的共性问题，为后续专业课学习提供必备的专业基础知识，在培养学生对机械系统方案创新和综合设计能力、工程意识等方面起到不可或缺的重要作用。机械原理课程具有一定的系统性、逻辑性和较强的工程实践的特点，对学生不仅有理论要求，对动手实践能力也提出了较高的要求。近年的国家教育部多项高校教学与改革指导意见文件，明确要求高等学校的本科教学改革要着重实践性教学环节特色，注重学生自学能力和创新能力的培养，[1]特别是最近出台的《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》，[2]明确要求推动科研反哺教学，强化科研育人功能，推动高校及时把最新科研成果转化为教学内容，激发学生专业学习兴趣，加强对学生科研活动指导，加大科研实践平台建设，开放共享各级科研基地，支持学生早进课题、实验室和科研团队，以高水平科学研究提高学生创新和实践能力，鼓励学生参加科技竞赛，达到以赛促教，以赛促学效果。传统教学的重点是教师授课，知识的传授是主要的目标，忽略了学生主导学习地位和实践能力的提升，使得学生的自主性和创造性得不到锻炼。[3]为了让学生能够更好的理解和掌握课程内容，最终能较好的应用到实践中，除了传统的教学模式外，还应该强化慕课、微课、与学科竞赛相结合等多种新型的教学方法，[4]课程考试方式的改革探索实践，以提高本课程的教学效果。

盐城工学院的机械原理课程，在近年来的教学改革实践研究中，逐步丰富课程考核方式，结合全国大学生机械创新设计大赛，通过增加项目设计考核环节，将理论教学与实践教学相结合，融合了理论教学和实践认知、程序设计上机实验、三维建模设计与虚拟样机的运动仿真分析的综合实践，突出实践教学的创新设计，集中锻炼学生自学与创新能力培养，大型工具软件的使用，增强学生对机构的直观认知和学习主动性，真正做到“以项目为主线，教师为引导，学生为主体”，[5]通过设计项目式教学案例，循序渐进的锻炼学生对机械传动系统性能分析和系统方案设计能力，经受项目实践锻炼的学生，在江苏省和全国大学生机械创新设计大赛中成绩优异，机械原理课程也已经获得国家精品在线开放课程的认定，这些新型的教学方式及课程改革对于提高学生的学习兴趣和动手能力，改善教学效果具有显著的成果。

1 全国大学生机械创新设计大赛

全国大学生机械创新设计大赛是经教育部高等教育司批准，由全国大学生机械创新设计大赛组织委员会和教育部高等学校机械基础课程教学指导分委员会主办的全国理工科重要课外竞赛活动之一。其目的在于引导高等学校在教学中注重培养大学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神；加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行机械创新思维、设计和制作等实际工作能力，吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件。目前国内各大高校都在积极推进课程建设与大学生能力培养的过程，在培养计划中引入学科竞赛机制，紧密结合日常教学环节与学科竞赛，积极探索教育教学改革、学风建设和创新人才培养等。本文以盐城工学院的机械原理课程教学改革为例进行探讨。

表1 机械原理课程考核体系

2 基于大学生机械创新设计学科竞赛的机械原理教学改革实践

在机械原理的教学改革实践研究中，近年来革新课程考核方式，多样化课程考核体系（表1 所示），增加项目设计考核内容，占机械原理课程总评成绩10%，项目设计主要结合机械类创新设计大赛，围绕大赛主题组织学生自由组队分工进行项目设计，据此考核学生灵活运用所学机械原理知识的能力，针对工程实际问题的实践动手技能。

（1）机械原理课程教学过程初，引入学科竞赛题目。传统的机械原理教学方式多是以老师讲解为主，学生只是被动的听，教学过程中没有理论和实践相结合的环节，单纯的理论讲授会变得枯燥无味，学生也失去学习兴趣。项目式教学方法的引入，可以提高学生的学习积极主动性，在开课时就给出实践项目课题，引导学生思考创新设计。由于机械原理课程开设在每年的春学期，开课时间基本与每届全国大学生机械创新设计大赛主题与内容的发布时间大体一致，例如第八届全国大学生机械创新设计大赛主题内容，学期初布置的实践课题为小型停车机械装置的设计与制作。开课后组织并下达项目设计任务书，要求学生通过有针对性的查阅资料、提前预习等方式明确任务书的具体内容和要求，做到有目的的去学习理论知识。

（2）机械原理课程教学过程中，将理论知识与学科竞赛内容相融合。将机械原理课程体系分为理论教学、实践教学和创新性教学三个模块。老师在课堂上进行理论知识讲解，引入多媒体等多种教学方法，以实践课题为例讲解理论知识，如立体车库的组成、运动分析及设计方法，使学生打好坚实的理论基础。在具备一定的机械原理理论知识之后，课堂外学生每4-5人为小团队，推举组长一名，领导大家进行方案论证分析，讨论并确定优化的设计方案，进行结构设计，以培养学生创新能力及团队合作能力。在学科竞赛项目设计过程中，学生为主体，老师仅是从方法论的角度引导学生较好的进行创造性学习和实践，例如共轭盘形分度凸轮机构与传统的间歇机构相比较，具有刚性好、振动冲击小、噪音低、可靠性高等优点，特别适用于两平行轴间的高速、高精度间歇性分度运动，广泛用于包装机械、印刷机械、换刀机械手等自动化生产线上，配合其它机构可以实现特定的间歇分度运动。通过指导学生通过上机实验编写程序进行共轭盘形分度凸轮轮廓曲线设计，采集轮廓数据点，然后采用Solidworks、NX或Creo三维建模软件进行实体建模，观察轮廓曲线是否存在交叉等不良设计并进行改进，完成零件三维建模后进行机构总装配，借助ADAMS 软件建立机构虚拟样机（图1 所示），进行机构运动学和动力学分析，输出的改进正弦加速度运动规律曲线与理论曲线相比较，特别是加速度分析机构可能存在的冲击现象，机构运动协调性等，促使学生接触机械工程领域的大型虚拟仿真软件。如图2 所示机构运动仿真曲线可以看出，加速度曲线在分度期内存在小幅振荡，学生可以分析振荡产生原因，同时表明机构运动存在柔性冲击。

图1 ADAMS 虚拟样机

图2 机构运动仿真曲线

（3）机械原理课程教学结束时，完成学科竞赛实物或模型制作。课程结束时，学生最终以项目报告、论文或模型实物等形式提交各小组的项目设计成果。项目报告涵盖项目任务及小组任务分工，主要完成步骤和环节的完成，报告内容要有图、表、公式及文字，分析结论等。每组以团队形式设计多媒体课件进行公开答辩，说明本组设计的创新性，项目设计任务分工，设计思路与创新性，设计理论依据等，老师针对任务分工、设计牵涉到的机械原理知识进行针对性提问四个问题，然后依据项目报告和公开答辩情况进行项目设计成绩综合评定（各占50%）。对于好的项目设计推荐参加校、省级学科竞赛。受益于机械原理和机械设计等相关课程教学改革实践，通过这种项目设计锻炼，盐工学生科技创新意识和实践动手技能明显提高，图3 所示《空间自行车停车轮》荣获全国大学生机械创新设计一等奖，实用新型专利一项，图4 所示《无避让存取家用双层立体停车库》荣获江苏省大学生机械创新设计二等奖，实用新型专利两项。国合班赴英国格林威治大学的留学生实践创新动手能力强，毕业设计环节动手制作实物或模型，一等荣誉学士学位获得者逐年提高，2019 年占比高达65%。

图3 空间自行车停车轮

图4 无避让存取家用双层立体停车库

3 结论

机械原理课程教学改革实践表明，将大学生机械创新设计学科竞赛引入到机械原理课程教学中，项目设计贯穿课程教学的全过程，学生通过这种贴合工程实际的项目设计能够有效提高学习兴趣及积极主动性，综合掌握机构的创新设计、编程计算、机构三维建模、运动仿真分析等能力，把理论与实践有机的结合起来，培养学生的自主创新能力，锻炼了团队合作能力及各类现代化的工具软件的使用。多样化的课程考核构成，能够促使学生重视每一分项，不会投机于期末考试的突击复习或者作弊方式。项目设计题目时结合全国大学生机械创新设计大赛主题，或者结合老师科研纵横向项目，实践工程项目的融入提高学生学习积极性，锻炼实践动手能力，同时省赛和国赛的参与能够为学业成绩增光添彩。这种教学改革更加注重教学过程、综合能力锻炼，能够全面培养和考核学生对课程学习及其综合运动与创新实践能力，真正做到了以学生为中心，教学效果显著提高。