以项目为导向的机械原理实验教学改革

陈朝猛 王立洋 杨伟力

（贵州民族大学，贵阳 550003）

随着新一轮科技革命和产业革命的兴起，智能化制造已成为新型工业革命不可或缺的重要组成部分。2015年5月，国务院发布《中国制造2025》，其中明确提出要重点突破集成电路专用装备、高端机床、机器人和航空航天装备等核心技术，以促进战略产业和优势产业的快速发展。这一系列核心技术的发展离不开高质量机械装备的设计与制造，要实现这些目标首要解决的问题就是掌握机械的工作原理。然而，在现有的机械原理实验教学过程中存在诸多弊端，如教学模式单一、脱离实际需求、教材内容更新速度落后于技术发展、缺乏实验和实践环节等。

各校教学条件不同，存在问题也各不相同，研究人员根据所在学校存在的问题提出了不同的机械原理实验教学改革方案。任小勇等通过优化教学过程，丰富与完善了实验内容和考评机制，实现机械原理的实验教学改革[1]。通过改革，学生由实验的被动学习者变为主动参与者，充分激发了他们的学习兴趣，教学效果显著提高。黎书文等基于成果导向教育（Outcome Based Education，OBE）理念对机械原理实验教学进行改革，主要优化了教学手段、成绩考核方式和教学体系等几个方面[2]。林隆荣等提出通过基础实验、综合实验和开放性实验相结合的方式对机械原理的实验教学进行3个层次的改革[3]。李永湘等为实现OBE和新工科背景下的机械原理教学改革，提出用创新性设计实验代替原有实验的方案[4]。何玉林等针对机械原理实验教学存在的不足，提出用多元模式相融合的方式进行教学改革[5]。改革后，学生的学习主动性得到了提高，证明实验教学改革对学生的学习兴趣起到了较好的促进作用。从评价结果看，实验教学改革有效展现了不同层次学生的学习效果，有利于了解各个学生的学习优势和不足，更好地帮助学生成长和成才。徐春明等分析了当前机械原理实验教学中存在的问题，结合虚拟现实技术特点与高校人才培养目标，提出了对机械原理开展虚拟仿真实验教学的教学理念[6]。结果发现，通过虚拟仿真实验能够让学生清楚相关的实验操作，对机构的工作原理有了更充分的认识，能够显著提高学生的理论水平。李彦彦等针对机械原理实验教学中存在的问题，如学生参与性不高、教学方法与教学理念落后、考核不规范等问题，提出通过增加实验室开放程度、改革教学方法、规范考核措施等方式提高实验教学效率[7]。实践证明，这些方法对提高机械原理实验教学效率非常有效，能够明显提高学生的工程实践能力、创新能力和协作能力。赵婕为适应新工科对机械创新人才培养的要求，针对传统机械原理实验教学中存在的不足，提出通过构建完整实验教学体系、加强实验教学考核、增加综合设计性实验以及营造开放式实验环境来提高实验教学效率[8]。

部分高校在机械原理实验教学过程中缺乏实验与工程实践表现的问题较为突出，实验教学主要以观看机构运动模型、齿轮减速器拆装、简单机构的创新性装配为主。由于实验条件过于简陋，学生难以生动理解学习内容，不能充分发挥创造力与想象力。因此，有必要以项目为导向，让学生有更多机会将机械原理的书本内容与工程实践相结合，更深层次地理解和掌握理论知识。

1 机械原理的实验教学现状

机械原理是机械工程专业的核心课程之一，涉及机械运动学、机械动力学、机械强度学等方面的知识，是学生学习机械工程的基础。实验教学是机械原理课程教学的重要组成部分，能够帮助学生理解和巩固课堂上学到的理论知识，提高他们的实际应用能力和创新能力。但是，机械原理实验教学模式尚存在很多问题，具体分析如下。

1.1 评价体系不合理

现有的机械原理实验教学是理论学习的一种简单辅助。以贵州民族大学为例，在每学期18周的教学时间里只有两个实验教学周，且每周仅有4个实验学时。由于实验教学在该课程的教学中占比过少，导致其地位严重下降，在期终考核总评中甚至没有列入单独的考核体系，仅作为平时成绩考核的一部分，严重打击了学生学习的积极性。在机械原理实验教学中，实验报告评分标准应明确、具体，否则学生可能会对如何撰写实验报告产生困惑，也会影响实验报告的质量和教学效果，导致难以量化考核。因此，应以服务于高校所在地的应用型人才培养需求作为导向，建立科学、全面、合理的评价体系，将项目创新设计、团队项目、课堂讨论、作业和课堂表现均纳入考核范围，充分发挥学生的学习积极性，提高学生的动手能力，将枯燥的学习转变为兴致性学习。

1.2 缺乏足够的实践机会

机械原理实验教学应注重实践操作，但是由于时间和资源的限制，学生可能没有足够的机会进行实验操作。这导致学生理论知识掌握不够扎实，难以将理论应用于实际操作，更难以发挥创造性思维对机械装备展开主动优化设计。此外，一些实验设备和材料已经过时或不够先进，难以满足实际工程应用的需求，使学生对机械原理实际应用的有效性产生困惑。

为了增加学生的实践机会，除校级与院级层面联系更多的实习实践基地外，授课教师可以鼓励学生积极参与教师的相关研究项目，充分发挥学生丰富的想象力，设计出全新应用型机构。在满足要求的情况下，积极支持学生申请实用新型专利或发明专利，增强学生的成就感。

1.3 积极性与创造性不足

机械原理的实验教学通常以老师讲解为主，学生仅需按照实验步骤操作即可，这导致部分学生常常处于一知半解的状态，不能主动参与到实验中去，甚至无法准确地操作实验仪器。机械原理的实验教学应该是一种互动式的教学过程，老师和学生共同参与，通过讨论、提问和探究来推进实验教学的进程。这样的互动过程不仅可以促进学生对实验原理的理解和掌握，还可以激发学生的学习兴趣和积极性，改善他们的学习效果。

2 以项目为导向的教学改革

针对机械原理实验教学中存在的问题，提出以项目为导向的教学改革方法，通过设计完成机械系统项目，让学生在实践应用中掌握机械原理基础理论知识，具备实验技能和创新能力。具体来说，以项目为导向的机械原理实验教学改革方法包括以下步骤。

（1）项目分类。一方面，根据主持的纵向和横向项目类型将其分为若干子项，如强度实验、刚度实验、动平衡实验、运动学分析实验和动力学分析实验等。另一方面，由教师对每一个项目提出设计要求，并制定考核标准。重点考察以下内容：学生是否熟练掌握实验操作步骤，是否能够准确测量、观察、记录实验数据；学生是否能够根据实验数据进行分析和处理，进而得出实验结论，是否能够合理解释实验结果和现象；学生是否能够按照实验报告要求，清晰、简洁、准确地撰写实验报告，报告内容是否严谨、规范；学生是否能够积极参与实验讨论，并针对实验中遇到的问题进行深入思考和研究。

（2）项目选题。由学生自行分组后，根据各组的兴趣选择适合自身的课题，以激发学生的学习积极性和创新能力。

（3）项目设计。各组学生通过分析和研究所选课题的机械系统结构、原理和运动特点，设计机械系统的结构、参数和控制方式。然后对设计的系统进行三维建模，并进行运动仿真分析。

（4）项目测试。在已有实验条件和项目负责人的支持下，学生对设计的机械系统进行装配和测试，分析系统性能和存在的问题，并进行调试和优化。同时，对比分析实验测试结果与仿真结果，以验证仿真结果的可靠性。

（5）项目展示。学生将机械系统的设计方案、三维模型、仿真模拟结果和实验测试结果制作成演示文档后，在学期末向老师和所有同学汇报研究成果。

以项目为导向的实验教学改革旨在以生活中的常用机构作为创新设计或改进设计的目标，使学生能够设计一套可行的机构，并绘制出相应的平面图形，建立对应的三维模型进行仿真，阐明机构的工作原理。通过应用项目设计，能够让学生把所学知识融会贯通并应用于实践，同时发挥学生的主观能动性，使其创造性完成研究项目。通过实验能够让学生验证理论知识的正确性，有助于提高学生的动手能力和在实验中的团结协作能力，了解常见机构的运行状态和工作机理，把抽象的理论知识转化到具体的机构中，提高学生的认知能力和创新能力。

3 教学改革效果分析

通过以项目为导向对机械原理进行实验教学改革后，将学生的实验能力和期末成绩与改革之前的情况进行对比，发现改革后不仅学生的实验动手能力得到了提高，而且理论知识的掌握也更深刻，大部分学生能分析各种现象产生的原因，并做出合理解释。

综上可知，通过项目的实践锻炼，既能让学生展示机械原理的基础理论知识，又能增强学生的自信心和职业素养。同时，学生从被动的知识接受者转变为主动的实践者和创新者。可见改革的实施提高了机械原理实验教学的实效性和创新性，培养了学生的综合能力和实践能力。

4 结语

在国家战略发展急需机械工程专业人才的情况下，传统的机械原理实验教学方法已经难以满足现实需求。以项目为导向的机械原理实验教学改革方法是一种符合现代教学理念和教学要求的教学方法，能够促进学生创新能力和实践能力的提高，使学生充分掌握理论知识，证明以项目为导向的机械原理教学改革实施对机械工程专业人才的培养具有重要的现实意义。