新工科背景下ADAMS与机械原理课程融合教学研究

刘建波 赵晓山 杨 磊 李书环 刘玉乐 宋 欣

(天津农学院工程技术学院， 天津 300392)

为了主动应对新一轮科技革命与产业变革，服务国家战略，满足产业需求，教育部推出新工科建设项目[1]。新工科的基本内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[2]。新工科建设的培养目标是培养国家急需的高素质工程应用人才，这就要求高校不仅要设置符合国家与时代需求的新工科课程，更要改造升级传统工科课程，使其融入新工科建设的理念，助推教育强国建设[3]。

机械原理是机械类专业开设的专业基础性课程，主要研究机构的组成原理，在工科系列课程体系中有着十分重要的地位，承担着帮助学生学习机械系统运动方案创新设计的重要任务[4]。按照工程认证最新要求，学生要能够利用机械原理相关知识对机械领域复杂工程问题进行系统性建模与分析，具备解决机械工程领域复杂问题的能力。机械原理课程由于其理论性较强，在教学过程中存在教师难以清晰讲解教学重点与教学难点的问题，而学生存在对课程内容难以消化吸收的痛点。随着计算机技术的发展，教师虽然能够采用多媒体技术展示平面结构的运动过程，但并不能真实反映各构件之间的运动关系，学生难以理解机构组成原理[5]。而且在机构运动学与动力学分析方面，传统课程教学多采用解析法对机构运动过程进行分析，其繁琐的解析步骤令许多学生望而生畏[6]，课程整体讲授效果较差。机械系统动力学自动分析软件(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，简称ADAMS)是一个专门用于机械结构动力学以及运动学分析的软件，可以将机械原理课程中一些常用机构，如平面四杆机构、凸轮机构、齿轮机构的组成和运动情况进行动态仿真，弥补学生实践经验不足带来的问题[4]。目前，该软件已经在课程设计、毕业设计、本科生课外实验技能项目以及学科竞赛等课外实践环节得到广泛应用[7]，ADAMS也作为一门专业课面向机械类专业学生开设。

针对机械原理课程理论性强的特点以及ADAMS课程实践性强的特点，笔者将两者进行融合，利用ADAMS软件构建机械原理核心机构虚拟模型并进行力学、运动学以及动力学的仿真，有效解决了传统机械原理教学中存在的核心机构运动原理难以清晰表达、学生难以理解、过程求解繁琐的痛点，提高了课堂授课效果，为后续机械设计、机械制造等专业课程的学习打下坚实的基础。

一、机械原理与ADAMS课程教学过程中存在的问题

1. 机械原理课程传统教学过程中存在的问题

机械原理课程在机械类专业课程体系中具有承前启后的重要作用，前面需要用到高等数学、理论力学、机械制图等选修课程的知识，同时还需要为后期机械设计课程的学习打下基础，提高机械原理授课质量对于新工科建设具有重要意义。当前机械原理教学存在以下主要问题。

第一，教师仍以传统讲授方式为主，学生参与度不高，课堂气氛不佳[8]。随着现代教学技术的发展，雨课堂、智慧树等先进教学手段已经引入到机械原理的教学过程中，并在一定程度上活跃了课堂气氛，但“教师机械地讲、学生被动地听”的教学模式仍然没有根本改变。

第二，课程内容理论性较强，学生知识掌握程度不够。当前对机械原理核心机构的讲解仍以平面动画演示为主，学生可以了解机构的运动形式，但对机构的演变过程缺乏认识，“知其然而不知其所以然”的现象较为普遍。

第三，实验条件有限，实践教学不足。由于办学经费紧张，实验设备更新缓慢，机械原理实验教学仍以传统的认知实验或演示实验为主，学生拘泥于固有模式，缺少使用开放性思维的机会，创新能力不足。此外，当前实验原理线下教学开展次数和时长均显不足，不利于学生工程实践能力的培养。

第四，传统图解法求解过程繁琐，难以满足企业实际需求[9]。机械原理教学过程中对于运动学内容的求解仍以传统的图解法为主，求解过程繁琐、效率低、精度差，所得结果为静态，而且对于复杂机构的运动学问题求解困难，难以适应现代机械产品设计的需求。

2.ADAMS课程传统教学过程中存在的问题

ADAMS软件是一种现代设计工具，具有实践性较强的特点，可以帮助学生方便快捷地进行机械产品的设计。当前ADAMS教学过程主要存在以下问题。

第一，机械原理课程与ADAMS软件教学未能有效衔接。利用ADAMS求解机械结构运动学及动力学特性之前需要对机构进行精准建模并施加约束，这需要学生具备一定的机械原理相关知识。但目前由于课程设置原因，机械原理与ADAMS教学往往未安排在同一学期，在进行ADAMS授课时学生对机械原理相关知识遗忘较多，不能很好地保证ADAMS教学顺利进行，通常需要授课教师重新进行机械原理内容的讲解，影响授课进度。

第二，学生利用ADAMS对复杂机构进行运动仿真的能力不足。以往受制于学生对机械原理知识掌握度的限制，ADAMS教学过程多采用简单的案例进行操作演示，学生缺少对复杂机构的仿真实践练习，导致多数学生只能按照现有操作步骤进行机械式求解，难以自主采用ADAMS软件进行机构的运动学及动力学仿真分析，学生求解复杂工程问题的能力不足。

二、教学改革与实践内容

1.课程资源建设

为提升学生对机械原理知识的掌握程度以及利用ADAMS求解复杂工程问题的能力，以满足新工科建设及工程认证对人才培养的要求，笔者对机械原理核心知识与ADAMS知识点进行了重新梳理与分类，建立了机械原理与ADAMS的课程融合体系，在2020级农机专业中进行了教学试点，如图1所示。

图1 机械原理与ADAMS课程融合体系

机械原理课程核心内容分为机械结构分析、平面机构的运动分析、平面机构的力分析、连杆机构及其设计、凸轮机构及其设计、齿轮机构及其设计、齿轮系及其设计以及其他常用机构8个模块。教学团队根据机械原理每个模块的特点梳理了ADAMS中与之相对应的具体实例，并建立了案例库。机械原理理论知识讲授结束后随即利用ADAMS进行实例练习，有效地将理论与实践相结合，融合了机械原理课程理论性强、ADAMS实践性强的特点，使两者相互补充、相互促进，使学生能够在第一时间将机械原理所学理论用于实践。同时，借助ADAMS的建模仿真功能可使同学们亲身感受各核心机构参数变化对机械结构性能的影响。如：同学们通过改变四杆机构各连杆的长度参数，可以直观地了解四杆机构在曲柄摇杆机构、双摇杆机构以及双曲柄机构之间的转换过程，更深入地了解四杆机构的特性。机械原理与ADAMS课程融合教学真正解决了机械原理中各核心机构“所以然”的问题，而不是仅仅让同学们了解其结构特点，提升了学生对机械原理知识的掌握程度。

2.教学模式改革

机械原理与ADAMS课程融合教学以启发式、引导式教学为指导，注重对学生实践能力以及创新设计能力的培养，同时融入优质课程资源与现代智慧教学手段， 从授课内容与教学手段两方面提升教学质量。机械原理与ADAMS课程融合教学模式如图2所示。

图2 机械原理与ADAMS课程融合教学模式

机械原理与ADAMS课程融合教学采用线上线下相结合的方式，通过梳理慕课等优质教学资源建立线上教学资源库，满足学生课前预习以及课后复习的需求。同时，针对本节课讲授内容提前发布课前思考，让同学们思考授课内容在实际生活中的应用以及实现路径，带着问题去听课，激发其自主学习的主动性。课堂授课过程一方面要注重采用智慧树、翻转课堂等智慧教学手段，活跃课堂气氛，提高课堂活跃度；另一方面，对于难以理解或演示的核心知识点，采用ADAMS进行建模仿真，能够让同学们更直观地了解各机构的连接关系与运动方式。如：讲授齿轮根切内容时可以让同学们自主设置齿轮参数并进行运动仿真，更加直观地了解什么是根切现象以及产生根切现象的原因，提高同学们对知识的掌握程度。此外，将ADAMS融入机械原理授课过程也提高了同学们的课堂参与度，从授课内容上进一步提高了课堂授课效果。机械原理每个理论模块授课结束后，让同学们进行相对应的ADAMS实例练习，在掌握现代设计工具的同时加强对理论知识的综合运用，使理论第一时间指导实践，提高同学们的动手实践能力。课程考核中引入自主设计与仿真单元，培养同学们的发散性思维。

同时，围绕机械原理与ADAMS课程融合体系探索创新人才培养模式，推进“以课程体系建设促进学科竞赛，以学科竞赛培养创新人才”的创新型人才培养模式，培养学生团队合作及科研能力，以提高大学生在社会发展中的核心竞争能力[10]。教学团队积极对接天津市机械创新设计大赛，搭建了校内选拔平台，同学们利用ADAMS软件建立比赛方案虚拟样机并进行仿真演示，学院组织专家根据设计方案与仿真演示结果进行评选，选拔成绩优秀的团队参加天津市机械创新大赛并给予经费支持，打通了课程到竞赛的壁垒，促进了学生对机械原理知识的综合运用，有利于培养学生解决机械领域复杂工程问题的能力，更好地满足工程认证的要求。通过课程体系改革，2020级农机专业在2022年度所获批的大学生创新创业项目总数占全院的1/3，获批数量较2019级增加了40%，课程改革效果显著。

3.考核方式的改革

考核方式是评价教学优劣的重要手段。机械原理课程传统考核注重出勤、平时作业与考试，在实践方面重视较少。本次教学评价改革以培养符合新工科建设要求的高素质工程应用人才为导向，消除“考试成绩论优差”带来的高分低能的弊端，加强对实践能力的考核，突出“知识、能力、素质”于一体的综合评价特点[11]。将ADAMS实践与综合创新设计融入机械原理课程的考核之中，采用“理论+实践+创新”的考核方式，改革后的成绩构成如图3所示。由平时成绩、期末考试成绩与ADAMS实践操作三部分构成，其中平时成绩占30%，期末成绩占40%，ADAMS实践操作占30%。平时成绩由基础理论作业、阶段性测验和课堂实例练习三部分组成，三者分别占10%，主要促进学生对课堂理论知识的掌握以及考查学生运用理论知识指导实践的能力。期末成绩采用笔试的形式评价，主要考查学生对机械原理理论知识的掌握程度。ADAMS实践操作分为上机考核与综合创新设计两部分，其中上机考核占10%，此部分为客观题，主要考核学生利用ADAMS进行核心机构建模以及运动仿真的能力。综合创新设计占20%，此部分为主观题，让同学们结合机械原理与ADAMS所学知识进行自主选题，构建机械装置模型并进行仿真分析。教师根据学生所建模型的难易程度及仿真的结果进行综合评价，主要考核学生利用机械原理知识与ADAMS进行机械创新设计的能力，培养学生的发散性思维、知识运用能力以及创新设计能力等。

图3 机械原理与ADAMS课程融合教学考核成绩构成

4.持续跟踪与改进

2020级农机专业学生在下一学期即将开展综合课程设计，在综合课程设计指导过程中应注意观察学生对机械原理知识掌握程度以及利用ADAMS解决复杂机械机构问题的能力，进一步了解“机械原理与ADAMS课程融合教学”效果情况，并根据反馈结果持续改进教学内容、教学方法，从而达到新工科及工程认证对人才培养的要求。

三、结语

将机械原理与ADAMS课程进行融合教学探索，充分利用了机械原理课程理论性强而ADAMS课程实践性强的特点，使两者做到了有效的互补与支撑，提高了机械原理授课过程中学生的参与度以及对知识的掌握程度，并真正实现了将理论知识第一时间运用于实践，提高了同学们的工程实践能力与创新设计能力，以更好地满足我国制造业对高层次工科人才的需求。