新工科背景下机械原理及设计课程体系探索*

高晓辉 仝晓萌 刘永光

北京航空航天大学 北京 100191

0 引言

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务新兴产业创新发展，教育部积极推进新工科建设，对一些传统工科专业进行升级改造，着力培养实践创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。在此背景下，很多高等院校根据自身特色，建立了“机器人工程”新专业，服务国家机器人工业战略发展需求，培养具有社会责任感，掌握机器人工业基础知识并具有实践创新能力的高素质综合型人才。机械原理及设计专门为机器人工程专业学生开设，是对传统非机械类工科专业基础必修课程机械设计基础的升级改造，重点补充学生在机械传动与设计方面的基础知识，是完善学生知识体系不可缺少的重要内容。

机械原理及设计作为新工科专业中一门核心专业课程，它对机械设计基础课的部分教学内容进行了增删，更加注重机械知识的综合性与系统性，加强了提升学生实践创新能力和开阔其国际化视野的内容。目前很多专家主要针对机械设计基础课程体系与教学方法开展深入的探索研究与改革[1-3]，这对补学生机械结构知识之不足、提升学生实践能力起到了重要推动作用。为激发学生自主学习创新与工程应用能力，笔者所在教学团队在教学内容中融入具有学校培养特色的项目驱动方式，取得了良好的教学效果[4-6]。针对新工科培养需求，对课程理论教学、实验教学和课程设计分别作了调整，以提高学生对知识的综合应用能力[7-8]。充分挖掘课程思政元素，在传授专业知识的同时，为大学生树立正确的世界观、人生观和价值观，也是新工科人才培养中的重要内容[9]。尽管机械设计基础课程根据新时代人才培养需求一直处于动态改革探索中，但与新工科人才培养需求还存在一定差距，处于摸着石头过河阶段，其教学内容、教学模式与考核方法相对来说还不完善，课程特色不够明显，对学生基础及其认知能力的培养不足，亟须进一步探索与改进。

为适应新工科人才培养发展需求，基于机器人工程专业特色与学生知识体系特征，我们对该课程在教学内容、教学模式及考核方法上进行了全方位改革与探索，以进一步提升课程教学品质，夯实机械结构知识基础，激发学生学习的热情和社会责任感，提升学生对综合知识的运用与实践创新能力，希望能对高素质复合型新工科人才培养模式发展起到重要推动作用。

1 教学内容研究

1.1 现状分析

机器人工程专业的课程很多都比较侧重培养学生的控制能力与智能算法运用，从课程设置来看，机械结构类的课程相对较少。“机械原理及设计”作为一门综合性机械类基础课程，包含了大部分机械结构类知识内容，涉及金属工艺学、互换性与测量技术、机械原理与机械设计等多门专业课程（图1），总课程64 学时（理论学时58，实验学时6），目前教学内容中金属工艺学（2 学时，占比3.1%）、互换性与测量技术（2 学时，占比3.1%）、机械原理（24 学时，占比37.5%）、机械设计（27 学时，占比42.2%）、综合实践（3 学时，占比4.7%）、基础实验（6 学时，占比9.4%）。该课程教学内容中机械设计部分占比最高，涉及多种通用机械零部件的设计方法，要求学生要具备扎实的理论力学与材料力学基础知识，学习难度较大；机械原理部分占比其次，涉及通用传动机构的工作原理及技术特征，对机器人传动机构的认知分析起到指引性作用；金属工艺学、互换性与测量技术这两部分教学内容相对较少，主要对机械制造工艺进行科普；综合实践主要是从机器人系统结构角度出发，对多种传动机构与零部件的组合应用起到指导性作用；基础实验主要是培养学生的实物认知与特性分析能力。

图1 课程内容分布

从目前教学内容的分布特征来看，教学内容重理论轻实践、重设计轻原理、缺乏国际前沿与思政元素、机器人专业特色不够鲜明。由于机器人工程专业培养的学生主要面向智能控制，学生机械类基础知识薄弱，机械设计部分内容较多且难度较大，尤其是设计理论部分，推导过程复杂，学生普遍表示学习难度较大，短时间内无法掌握；机械原理部分主要讲解通用传动机构，缺乏机器人传动机构与本校培养特色，尤其是有关先进传动机构的教学内容明显不足；综合实践课程教学内容较少，短暂的实训课程对提升学生整体认知分析设计能力明显不足；实验课程比较集中，短时间内学生无法深入感知体验机械元器件与传动机构特性；由于课时限制，缺乏先进智能制造与机器人等相关教学内容。因此，需要结合机器人工程专业学生的特点及培养目标需求，对该课程教学内容进行改革与探索。

1.2 教学内容发展规划与改革探索

根据机器人工程专业学生的特点与培养目标需求，调整教学内容，优化课程结构，以讲授最基础的实用理论为主，以“必需、够用”为度，突出机器人工程与本校专业培养特色，充分挖掘思政元素，改进教学内容，突出实用性、动态性和前沿性，提升学生综合实践创新能力与社会责任感。

1）金属工艺学（2 学时）与互换性与测量技术（2学时）课时不变，增加机械制图3 学时，2 个学时用于重点讲解装配图和零件图构成元素，1 个学时通过实际工程案例中装配与零件图的绘制将金属工艺学、互换性与测量技术这两部分内容在机械制图中进行融合体现，提升学生对这两部分内容的理解与实践能力；

2）增加仿生机器人、柔性机器人、空间机械臂等国际前沿机器人及本校专业培养方向特色传动机构教学内容3 学时，将机械原理部分调整为27学时，开阔国际前沿视野，启发学生在机器人领域的创新思维，同时调整原有教学内容，更加侧重传动机构工作原理、特性、优缺点与实际运用场景的讲解，弱化传动机构设计；

3）将机械设计部分减少到24 学时，重点讲解通用机械零件设计公式参数物理意义及其显性关联因素，简化理论公式推导过程，降低学习难度，弱化机械零件设计方法，加强通用机械零部件与本校专业特色零部件工作原理、特性、优缺点与实际运用场景的讲解，并通过实际工程案例对所有机械零件联合应用进行串联讲解；

4）综合实践授课内容增加到6 学时，3 个学时用于本学校专业特色与经典机器人系统工程案例讲解，将前期所有学习内容进行有效串联，并通过分组的方式布置课程任务，让学生在2 周时间内，利用课余时间完成，3 个学时用于学生课程任务展示，教师进行点评和学生互评，提升学生系统整体认知理解分析与设计能力；

5）取消集中基础实验部分6 学时，将基础实验融入理论教学中，在平时上课过程中，针对每个课程的教学内容，准备多套教学工具和机械零件实物，通过随堂讲解与展示，进一步提升学生的实物认知，同时讲授完课程之后，将教学工具和机械零件实物发到学生手中，在2 周时间内，利用课余时间进一步提升学生对机械传动机构和零部件的认知和掌握能力；

6）根据课程特点，依托国内外机械与机器人技术发展史，结合自身科研经历逸闻趣事及实际项目中遇到的问题与解决方法，充分挖掘思政教育元素，贯穿于课程教学过程中，激发学生学习热情和责任感，实现“课程思政”元素随堂融入。

2 教学模式研究

2.1 现状分析

当前机械类课程主要采用以教师为主的新媒体教学方法，普遍存在教学学时紧，教学方式单一枯燥，难以实现教学互动，缺乏互动交流与项目实践，学生参与度低、沉浸感差，总体教学效果不佳的现状。随着科技的发展，多媒体教学方式不断推陈出新，教学模式也相继发生改变，传统的板书教学理论授课方式逐渐被新媒体教学方式所替代。为提升教学效果，尽管教师采用了动画、三维仿真和视频等多种新媒体教学方法，加强教学互动，提升学生实物认知与分析理解机械零部件及传动机构的能力，但由于涉及教学内容多、各章独立松散、连贯性差、知识碎片化严重，且学生机械类知识基础差，普遍存在学习热情不高、多章知识点串联困难、实物特性认知与运动特性想象能力不足等问题。

2.2 教学模式发展规划与改革探索

针对机器人工程专业授课过程中机械原理及设计教学模式存在的问题，将多媒体技术与现代化教学方法相结合，探索“以学生为中心”的多元化混合教学模式，打造开放式学习研讨环境，注重工程实践创新能力培养。

1）由于课程理论性强、教学内容多、涉及范围广，对学生空间想象与实物认知能力要求较高，教师应合理运用现代化教学手段，采用“图片+视频+动画+三维仿真+实物案例+实验演示+板书”多种教学手段的有效融合，尤其是将机械传动机构与零部件实物引入课堂，把晦涩难懂的机械知识立体化，增强教学的直观感与沉浸感，使学生更容易理解课程内容。

2）围绕线上与线下、课内与课外、理论与实践等多个方位，建立以学生为中心的“课上讲授+课下线上复习+分组研讨+综合实践”的多元化混合教学模式，规范线上线下混合式教学模式的“教”与“学”，打造开放式学习环境，做到覆盖率100%与学生互动，增强教师与学生之间、学生之间的互动互评互测，让学生在相互探讨与集体学习中增强对知识的理解和掌握能力。

3）将具有本专业特色的科研工程范例转化为教学案例引入实践课堂，把多种传动机构与机械零部件融为一体，解决知识模块独立松散的碎片化问题，同时布置相关作业，通过分组分工的方式完成，增强学生知识运用与实践创新能力。

4）采用启发式与课程任务驱动式有机融合的教学方法，并将其贯穿整个教学过程中，同时穿插最新科研成果，动态构建教学资源。每章学习结束后，布置相关开放性作业，增强学生主动思考的意识，将知识融会贯通的运用能力。

3 考核方法研究

3.1 现状分析

目前该课程和大多数课程一样，采用期末考试占70%，平时成绩占30%（其中考勤、平时作业与资源学习占20%，实验成绩占10%）的考核方法。以闭卷考试为主的考核方法难免会让学生采用集中复习、死记硬背的方式，考试完成之后，短暂的记忆很快消失，学生并未达到真正理解掌握知识的学习效果，实践创新能力后劲儿明显不足。平时成绩主要侧重于课堂表现与作业完成情况，无法真实体现学生的理解掌握能力。因此，课程考核方式过于单一，过程性评价明显不足，学生求学热情低，知识运用、实践训练与创新能力明显不足。由于“机械原理及设计”是一门综合类课程，更加侧重于培养学生对机械结构系统的认知理解分析与实践创新能力，而有效的考核方法不但能够真实客观地评价学生的理解掌握能力，而且能够激发学生的学习热情，形成良好的教学氛围，增强学生的主观能动性，对提升实践创新能力具有良好的推动作用。

3.2 发展规划与改革探索

为了充分调动学生的学习积极性，培养其实践创新能力，我们积极推动以考促学、以考督学、教考融合，通过改进考核方法来进一步激发学生的学习热情，夯实其机械类知识基础，同时以考核作为反馈，对教授的知识点进行查漏补缺，进一步优化教学方法。

1）将期末考试成绩占比调整为50%，侧重考查学生对基础知识的理解掌握能力，减少分析计算题目的占比，增加多种机构对比特性分析，题目覆盖每章学习内容，同时增加开放类设计题目（10分），增强学生对知识的运用能力。

2）增加过程性评价，在总成绩中占比20%，主要分为教师测评和学生互评，对课程任务的完成程度、所做工作与参与度进行综合打分，细化考评准则，激发学生的参与度与实践动手能力，更加强调将所学知识综合运用于实践及创新能力的评价。

3）进一步细化占比30%的平时成绩评分准则，构建考勤、作业、回答问题、线上学习、课程设计等多元化综合评价方法，侧重课上课下、线上线下与教师之间的互动交流，实行积分制，及时公布每位学生的积分，实现过程性综合评价，激发学生的危机意识与学习热情。

4 结论

根据新工科背景下机器人工程专业培养特色及行业需求，基于学生理论体系特征与本学校专业培养特色需求，我们对“机械原理及设计”课程在教学内容、教学模式与考核方法上进行了全面改革探索，克服了传统教学的缺点，凸显了课程专业特色与时代前沿技术特征，激发了学生的学习热情，培养了其实践能力、创新能力，进一步完善了机械系统结构体系，引导鼓励学生全面创新发展。目前，根据改革方案已经完成了新一轮教学，通过课程学习，学生具备了一定的机械知识运用能力，尤其在最后一轮的课程综合实践中，学生收获满满，成绩比改革前也有一定幅度的提升。