基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)械原理課程教學(xué)改革探索

魏軍英等

[摘 要]世界正經(jīng)歷著一場關(guān)于新概念、新理論、新方法等的新技術(shù)革命，為了贏得這場革命的勝利，作為國家綜合國力發(fā)展基石的機(jī)械工業(yè)，對創(chuàng)新型人才的渴求與日俱增。針對機(jī)械原理課程教學(xué)改革問題，構(gòu)建兩大教學(xué)模塊、三層次能力培養(yǎng)的機(jī)械原理教學(xué)體系，對其教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。重視課余科技活動及科技競賽，并在教學(xué)實(shí)踐活動中實(shí)施，取得了良好的效果，提高了學(xué)生的分析問題、綜合問題及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

[關(guān)鍵詞]教學(xué)模塊 三層次能力 教學(xué)體系 教學(xué)內(nèi)容 創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力

[中圖分類號] G714 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）04-0160-02

目前，世界正經(jīng)歷著一場關(guān)于新概念、新理論、新方法等的新技術(shù)革命，為了贏得這場革命的勝利，作為國家綜合國力發(fā)展基石的機(jī)械工業(yè)，對創(chuàng)新型人才的渴求與日俱增。機(jī)械原理課程是機(jī)械類專業(yè)的必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)機(jī)械方面的創(chuàng)造型人才中將起到不可或缺的重要作用。[1]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雖然機(jī)械原理課程的教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行了不少改革，但其教學(xué)改革仍面臨著極大的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合在機(jī)械原理課程教學(xué)中的教學(xué)實(shí)踐和體會，探討機(jī)械原理課程的教學(xué)改革問題。

一、以機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為主線，構(gòu)建兩大教學(xué)模塊、三層次能力培養(yǎng)的教學(xué)體系

機(jī)械原理課程主要研究各種機(jī)構(gòu)所具有的一般共性問題、常用機(jī)構(gòu)的性能及設(shè)計(jì)方法以及機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的問題，不僅注重學(xué)生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)，更注重綜合問題的能力及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，其中分析、綜合能力是創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)，分析、綜合能力最終是為創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力服務(wù)的。因此，學(xué)生首先要學(xué)會分析問題、綜合問題，才能進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。[2]

根據(jù)我校機(jī)械原理課程建設(shè)的特點(diǎn)，結(jié)合理論知識與工程實(shí)踐之間的密切聯(lián)系，探討了我校機(jī)械原理課程兩大模塊——理論教學(xué)模塊及實(shí)踐教學(xué)模塊[3] [4]、三層次能力[5]培養(yǎng)的教學(xué)體系的構(gòu)建，突出對學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新思維及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，如圖1所示。

（一）課堂理論教學(xué)模塊及相應(yīng)能力的培養(yǎng)

課堂理論教學(xué)模塊主要包括動力設(shè)計(jì)模塊、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊和綜合設(shè)計(jì)模塊。

1.動力設(shè)計(jì)模塊主要包括機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析、機(jī)械的效率與自鎖、機(jī)械的平衡、機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)及其速度波動的調(diào)節(jié)等內(nèi)容。這些模塊介紹的是機(jī)械系統(tǒng)常用的分析方法，通過學(xué)習(xí)這個方法可掌握如何進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，可提高學(xué)生的分析能力。

2.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊包括平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、齒輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、齒輪系及其設(shè)計(jì)、常用機(jī)構(gòu)和組合機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)等。這一部分主要學(xué)習(xí)常用機(jī)構(gòu)的工作原理及其設(shè)計(jì)知識，有利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

3.綜合設(shè)計(jì)模塊包括機(jī)構(gòu)的選型與綜合、機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)等。機(jī)構(gòu)的選型與綜合是根據(jù)設(shè)計(jì)題目的要求來選擇現(xiàn)有機(jī)構(gòu)或者進(jìn)行機(jī)構(gòu)組合以進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，而機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是一項(xiàng)創(chuàng)造性的活動，要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，充分發(fā)揮創(chuàng)造性思維和想象力，靈活運(yùn)用各種設(shè)計(jì)方法和技巧，設(shè)計(jì)出新穎、靈巧、高效的機(jī)械系統(tǒng)。這兩個模塊對于培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力有極其重要的意義。

（二）實(shí)踐教學(xué)模塊及相應(yīng)能力的培養(yǎng)

實(shí)踐教學(xué)模塊主要包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊、課程設(shè)計(jì)模塊和科技創(chuàng)新模塊。

1.機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)組成。該課程實(shí)驗(yàn)已經(jīng)由原來的演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主變?yōu)榫C合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主，在機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖繪制等基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、機(jī)械運(yùn)動方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。為了提高學(xué)生的實(shí)踐能力，根據(jù)要求開放實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可利用課余時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思設(shè)計(jì)，并進(jìn)行驗(yàn)證。這不僅能提高學(xué)生的動手操作能力，還能提高他們的分析問題、綜合問題的能力。

2.機(jī)械原理的課程設(shè)計(jì)不再僅僅是給定機(jī)構(gòu)、方案的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析，而是給出相應(yīng)的要求及參數(shù)，要求學(xué)生進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動方案的構(gòu)思設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動、動力分析并進(jìn)行方案優(yōu)化。在課程設(shè)計(jì)中鼓勵學(xué)生采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)及三維建模、分析、優(yōu)化，并動手制作實(shí)物樣機(jī)模型，提高他們的分析綜合能力及實(shí)踐能力。

3.科技創(chuàng)新模塊。鼓勵、支持學(xué)生參加各類科技創(chuàng)新競賽活動，如山東省大學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽、山東省高校機(jī)器人大賽、山東省大學(xué)生科技創(chuàng)新大賽等。學(xué)生根據(jù)各種競賽的主題與要求，結(jié)合機(jī)械原理理論知識，進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計(jì)，并建立虛擬樣機(jī)或?qū)嵨锬Ｐ?，將所學(xué)理論知識應(yīng)用到實(shí)踐中，極大提高了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

二、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，合理選用設(shè)計(jì)方法

目前，機(jī)械原理課程學(xué)時(shí)有所縮減，但對教學(xué)內(nèi)容要求卻有所提高。因此，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容無法適應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的要求。根據(jù)前述的以機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為核心組織的教學(xué)體系，應(yīng)加強(qiáng)對各類機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動、動力及傳力性能及其具體的應(yīng)用介紹。特別是平面連桿機(jī)構(gòu)中其位置設(shè)計(jì)、齒輪機(jī)構(gòu)中齒輪的嚙合原理、凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪廓線的設(shè)計(jì)、輪系中輪系傳動比的計(jì)算、機(jī)械系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，都應(yīng)在課堂上重點(diǎn)講解、討論。而對于與理論力學(xué)課程中所重復(fù)的運(yùn)動分析、力分析等基礎(chǔ)理論知識與方法以及不太常用的一些方法，可要求學(xué)生通過復(fù)習(xí)鞏固或自學(xué)掌握。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的設(shè)計(jì)方法是解析法和圖解法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用解析法趨于廣泛。解析法設(shè)計(jì)計(jì)算精度高、效率高，便于采用計(jì)算機(jī)對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，能解決很多圖解法難以解決的問題。但圖解法直觀、形象，更利于學(xué)生理解、掌握，對于有些簡單問題，采用圖解法比解析法更快捷有效。因此，設(shè)計(jì)中不能完全擯棄圖解法，應(yīng)根據(jù)二者的特點(diǎn)及具體題目的要求合理選用設(shè)計(jì)方法。

三、重視課外科技活動，提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力

（一）鼓勵學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目

在機(jī)械原理教學(xué)中，鼓勵教師把科研活動、科技創(chuàng)新的理念融合到課堂的教學(xué)過程中，加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。在各理論教學(xué)模塊中，教師可結(jié)合自己的科研項(xiàng)目開展相關(guān)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的教學(xué)內(nèi)容，積極開展課堂討論，鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題。結(jié)合所學(xué)機(jī)械原理理論知識，鼓勵學(xué)生參與教師的科研課題，將理論與實(shí)踐結(jié)合起來。這樣既應(yīng)用、鞏固了所學(xué)專業(yè)知識，又提高了自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力。

（二）參加各種科技創(chuàng)新競賽活動

為了促進(jìn)學(xué)生積極參加各種科技創(chuàng)新實(shí)踐活動，提高其綜合及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況與發(fā)展的需要，建立了三個層次的大學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動的組織機(jī)構(gòu)。[6]領(lǐng)導(dǎo)層：由學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)職能部門與知名專家教授組成，負(fù)責(zé)發(fā)展規(guī)劃、活動開展、資金籌集、工作協(xié)調(diào)、評比表彰等。管理與服務(wù)層：由學(xué)校教務(wù)處、科研處、各學(xué)院教學(xué)管理部門組成，負(fù)責(zé)教學(xué)過程的具體設(shè)計(jì)、組織實(shí)施、質(zhì)量監(jiān)控等。具體實(shí)施層：由共青團(tuán)、學(xué)生會、學(xué)生社團(tuán)等組成，負(fù)責(zé)學(xué)生課外科技創(chuàng)新實(shí)踐活動的規(guī)劃與實(shí)施。

（三）實(shí)踐效果

目前，各種科技創(chuàng)新競賽已經(jīng)成為大學(xué)生素質(zhì)教育的重要項(xiàng)目。在課題組相關(guān)老師參與和指導(dǎo)下，學(xué)生一般在學(xué)習(xí)機(jī)械原理課程中或者結(jié)束該課程后，參加各種機(jī)械設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽。近幾年大賽中，在全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中獲二等獎2項(xiàng)，全國大學(xué)生過程裝備創(chuàng)新與實(shí)踐大賽中獲三等獎1項(xiàng)，山東省大學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新大賽中獲一等獎9項(xiàng)，積極參加校級科技立項(xiàng)18項(xiàng)，院級科技立項(xiàng)29項(xiàng)。這些榮譽(yù)和獎項(xiàng)極大鼓舞了學(xué)生參加科研創(chuàng)新實(shí)踐的積極性，提高了他們綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

四、結(jié)語

創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的培養(yǎng)是高校素質(zhì)教育的重要環(huán)節(jié)。本文針對機(jī)械原理課程教學(xué)改革問題，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，積極探索、構(gòu)建了兩大教學(xué)模塊、三層次能力培養(yǎng)的機(jī)械原理課程教學(xué)體系，優(yōu)化調(diào)整了教學(xué)內(nèi)容，并鼓勵、支持學(xué)生參加科研活動、各種科技競賽。通過課題組成員在教學(xué)過程、科研活動中的實(shí)踐，極大提高了學(xué)生分析問題、綜合問題及創(chuàng)新設(shè)計(jì)、實(shí)踐的能力，取得了良好的效果。

[ 注 釋 ]

[1] 孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 陳文華，陳秀寧.“機(jī)械原理”課程改革的實(shí)踐與探索[J].機(jī)械工業(yè)高教研究，2001（1）：71-74.

[3] 穆塔里夫.阿赫邁德，朱穎.我校機(jī)械原理課程教學(xué)改革的若干探索與實(shí)踐[J].高等理科教育，2003（5）：32-34.

[4] 王會.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)械原理課程建設(shè)探索[J].職業(yè)時(shí)空，2012（4）：108-109.

[5] 黃昌華，郭庚田，白彩琴.采用三層次培養(yǎng)方案進(jìn)行機(jī)械原理課程教學(xué)改革[J].清華大學(xué)教育研究，1995（1）：47-49.

[6] 魏軍英，王靜，王吉岱.工科大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)體系的建設(shè)研究[J].中國電力教育，2014（1）：14-15.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]