新工科背景下机械原理课程改革研究与探索——以烟台理工学院为例

仝洪月，刘安琴，贾森

（烟台理工学院，山东 烟台 264600）

0 引言

新工科建设背景下，烟台理工学院机械类专业担负着为社会培养和输送更多高质量应用型人才的重任。改革课堂教学模式和教学内容，是培养高质量应用型人才的重要途径。积极推进课堂教学改革，提高课堂教学质量，是每位教师的职责[1-2]。近几年来，全国各高效都在积极推进课堂教学改革。李磊等[3]进行了翻转课堂教学模式的探索；江帆等[4]对“机械原理”课程在MOOC环境下的混合式教学进行了研究，取得显著效果；苏昭群等[5]就械原理课程教学存在的问题，对教学内容、教学方法、实践教学等方面进行改革探索，且效果显著；邓伟刚等[6]探索了机械原理多模式融合化教学方法，在提高教师综合能力和提高学生学习能力方面有显著效果。为达到应用型人才培养要求，提高学生的机械创新和实践能力，改革机械原理课程，提升本课程的教学质量势在必行[1]。

1 课程特点及存在问题

机械原理课程是我院机械专业的核心基础课，它以工程应用为背景，具有较强的理论性、逻辑性和工程实践性。在学生掌握基本理论知识的同时，本课程主要培养学生机械创新能力和解决工程实际问题的能力[7]。

本课程以讲解各种机构运动特点、工作原理和设计方法为主，知识结构复杂，理论性强，某些知识较抽象，学习过程比较枯燥，学生学习成效甚微。且传统课堂上的缺少直观的体验，不利于培养学生的创新和工程实践能力。以往的课程授课方式是以教师讲授为主的应试教育，学生则被动接受知识，整个教学过程缺乏创造性的劳动，缺乏对学生实际应用能力和创新思维能力的锻炼和培养[8]。机械原理课程结构原因导致重理论轻实践，理论与实践联系不紧密，存在脱节现象，学生不能将所学理论知识应用到实践中解决工程实际问题。

2 课程教学改革探索

由于在教学过程中存在以上问题，面对更高质量的应用型机械人才需求，针对烟台理工学院学生的特点，充分利用我校教学资源，近几年机械原理教研室以提高机械原理课程的学习效果、提高学生的机械设计创新和工程实践能力为教学目标，合理地进行教学设计和教学方法探索，形成了符合我校学生的机械原理课程改革方案。

2.1 引入学科竞赛，激发学生学习兴趣

2.1.1 将学科竞赛引入课堂教学

由于教材及课件中的教学案例过于陈旧，不能引领学科前沿，且与学生联系不太密切，学生缺乏学习兴趣。因此，我院课题组在授课过程中，引入械设计创新大赛的作品、我院学生参加山东省大学生科技创新大赛、山东省机电产品创新大赛和三维数字化大赛等获奖的作品以及比较新型的科技产品等。把这些作品作为新的教学案例，利用这些案例来讲解相应知识点，学生在学到理论知识的同时，又拓宽了视野。且能引导学生思考创新设计，激发学生对科学竞赛的兴趣，培养学生的创新能力。

通过对案例中的机械结构进行分析，对不同的机构在进行运动演示的同时，进行相关理论知识的讲解，将枯燥的理论知识通过实践演示来诠释。通过深入浅出的方式将理论知识既直观又通俗的表达清楚，便于学生理解、掌握和灵活应用。

比如，山东省机电创新比赛获奖作品“墙壁清洗机”，其中应用到了连杆机构，通过连杆机构带动清洁刷清洗墙壁。以往在讲授连杆机构运动特点等知识点时，都是以课件上的平面机构简图为例，现在以立体的三维模型作为讲解案例，直观通俗易懂，容易引起学生的学习兴趣。

2.1.2 学科竞赛与课程设计相结合

为了提高学生的创新能力，在学期初将学科竞赛项目作为本学期机械原理课程设计的主题方向。首先，学生要先确定方案，明确各部分要实现的功能以及如何实现这样的功能。在学习理论知识的同时，学生也会在不断思考各种机构的功能，以及通过何种机构可以实现预期的功能要求。在学习中，学生不断思考，不断修改最初方案，直至得到最优化的机械结构，实现机械结构的创新。

将学科竞赛引入课程教学中，在学习理论知识的同时，又将理论知识与实践应用相结合，提高了学生的听课质量。将学科竞赛与课程设计相结合，通过这样一个问题引导式学习，既能激发学生的好奇心，提高学生学习主动性，又锻炼学生的思考能力。学生在不断学习、不断思考的过程中，提高了机械创新和工程实践应用的能力。比如，2022年机械创新设计大赛的主题是仿生机械和生态修复机械。以这个作为主题方向，学生自拟题目。最终完成的作品有仿生鱼、海洋垃圾处理器等，结构合理，基本能实现相应功能，作品质量比较高。

2.2 将理论教学与实验操作结合

机械原理课程与实践操作结合比较密切，若在理论学习中，融入实践操作，能加深学生对知识的理解，提高学生学习兴趣及课堂学习效果。所以本教研室充分利用有限的实验教学资源，尽可能将理论知识与实践操作进行融合，降低理论知识学习的难度，加强学生对知识的掌握程度。在机械原理授课过程中，机构运动简图的绘制、齿轮范成原理以及齿轮根切等理论知识，比较难理解，学生不易掌握。为此，依托我院多媒体机械原理实验室，将与实验相关知识点的学习在实验室进行。

实验一：机构运动简图的绘制。首先利用多媒体设备播放理论教学课件，先理论讲解机构运动简图的绘制方法，然后以其中的几个实物模型为例，按照机构运动简图绘制步骤，来分析该机构。理论讲解完后，由学生完成机构运动简图的绘制实验。最后再次利用机构模型，进行运动分析，引出机构具有确定运动的条件。通过这种实物演示的方式，进行理论讲解，提高课堂学习效率。

实验二：利用多媒体动画，先讲解齿轮范成法加工原理，然后再利用实验室的齿轮范成仪，进行范成法加工齿轮原理的讲解。根据范成实验的理论讲解原理，由学生完成实验操作。利用学生绘制的三个不同的齿轮轮齿形状，进行对比分析，引出知识点：什么是齿轮根切，产生根切的原因以及不根切的条件等。

在实验操作中融入理论知识讲解，在理论学习中进行实验操作，并从实验操作中延伸出下一个理论知识点。将理论讲解与实验相融合，学生不仅加深巩固了理论知识，又锻炼了动手操作能力，达到了知识学习和能力提升的目标。

2.3 将虚拟仿真平台引入课堂教学

受实验条件的制约，在授课过程中，有些机构缺乏实物模型，且多种机构组合的实物模型也比较缺乏。由于独立院校学生基础薄弱，对机构感性认识不足，面对授课过程中机构的平面结构图，不能形成立体性的直观模型画面，在进行机构工作原理、运动特点以及设计方法的讲解时，学生不能理解透彻。

利用虚拟仿真平台，将机构模型的三维动画，引入到课堂教学中，使学生更加直观的认识机构的运动原理和特点。利用虚拟仿真平台模拟各个机构的设计方法，将以往难讲、逆向思维的知识，直观表达出来，促进了学生对理论知识的理解和掌握，提高了课堂听课质量和教学效果。

例如，利用虚拟平台演示各种类型的凸轮的轮廓曲线的详细的绘制过程，通过这种生动的方式便于学生理解掌；通过虚拟平台中对间歇运动机构的应用进行案例引用，且进行三维立体演示，便于学生加深对棘轮机构的掌握。

2.4 采用“线上”+“线下”混合式教学

传统的机械原理课堂教学主要以教师讲授为主，学生被动参与，整个过程中学生缺乏创造性的劳动。在教学过程中师生双方缺少必要的互动，难以建立良好的师生关系，不利于学习效果的提升。由于课程学时的压缩，很难在有限的课堂中进行全部理论知识的学习。因此，我院改变传统的教学模式，将线上线下“翻转课堂”应用到理论教学中。以教师讲授为中心转变成以学生学习为中心，整个过程分为课前、课中和课后。

课前，教师将本节课的学习任务、线上学习视频、思考题讨论题等通过线上学习平台进行发布，要求学生通过线上自学，完成学习任务，并进行线上互动讨论、检测等，通过这种方式来增强学生的自主学习意识。

课中，教师对课前学生学习中遇到的问题进行讲解，并对本节中的重难点知识进行强调，并引例分析。整个授课过程中，教师主要起引导作用，重点在引导学生进行分析问题和解决问题，使学生变成了课堂的主体，提高学生的学习积极性。这种授课方式加强了师生间的互动交流，端正了学生学习态度，提高了学生课堂参与度，更好地使学生掌握课程知识，提高了学习效果的。

课后，学生完成知识巩固学习任务。其中包过所有基础知识的复习、知识的应用、应用所学知识解决一些工程问题等高阶性题目以及知识点的拓展。通过理论知识的复习，进一步加强学生对知识的掌握；通过应用理论知识解决一些工程问题，培养学生分析问题、解决问题的能力。

例如，机械原理第二章机构自由度的计算。课前，首先根据发布的任务要求由学生通过自学了解构件的自由度、机构的自由度的概念，试推导出机构自由度的计算公式，并通过简单地四杆机构案例验证公式的正确性，完成颚式破碎机、包装机送纸机构的自由度的计算，带着自学过程中的问题，进行线下学习。课中，由老师对自由度计算公式进一步讲解，并对包装机送纸机构进行进一步分析，在讲解过程中，不断地对学生进行引导、提问，最后引出机构自由度计算注意事项等新的知识点，并进行相关练习完成知识巩固。课后，由学生完成小型压力机等机构的自由度计算。

线上线下混合式翻转教学可以贯穿到整个课程各章节教学的始终。利用学习通app作为为线上学习平台，合理进行教学设计，充分发挥学生的主观能动性，提高课堂教学效果，最终达到知识、能力、素养培养的教学目标。

2.5 融入课程思政进行价值引领

教师的作用是教书育人，但近几年，育人功能面临被弱化的危险。因此，需要充分发挥课堂教学在育人中主渠道作用，将思政教育贯穿于整个课堂教学中，深入发掘课程的思政元素，发挥课程育人的功能，落实教师的育人职责。

在授课过程中，我院教师不断挖掘课程中的思政点，将其融入课程教学。比如讲到齿轮机构，引入中国科学院院士王立鼎的故事，王院士被称为“精密齿轮王”，于2017年带领其团队研制出Ⅰ级精度基准标准齿轮，填补了国内外Ⅰ级精度齿轮制造工艺技术与测量方法的空白。王院士从满头华发到双鬓染霜，始终在精密齿轮领域深耕不辍，且将自己的专业方向始终与祖国的需要同频共振。通过王院士的故事，启示大学生年应勇挑重担、奋发有为，夯实专业基础，提升综合素质，做有家国情怀的社会主义建设者和接班人[9]。

通过将思政元素融入到课堂教学，把思想价值引领贯穿教育教学全过程和各环节，达到显性教育和隐形教育相统一的目标。在学生获得知识的同时，又树立了正确的人生观、价值观，实现教育的育人作用。

3 教学改革效果

针对我院校学生基础较差的情况，本教研室进行了一系列适合我校学生的机械原理课程改革方法，且取得良好效果。近两年学生的学习积极性有了很大的提高，成绩明显提高，不及格率降低，且在山东省机电创新比赛中，取得特等奖2项，一等奖7项，二等奖18项，三等奖6项，且申请专利8项。这一系列成绩的取得，都说明本院的机械原理课程改革是有一定的成效。