基于新工科的機(jī)械原理教學(xué)內(nèi)容改革與思考

張艷平 王繼榮 張繼忠 戴作強(qiáng) 孫浩洋 周志梅

[摘 要]以新工科建設(shè)和更好地支持地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展為背景，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為出發(fā)點(diǎn)，圍繞“以學(xué)生為中心”的工程教育理念，對(duì)機(jī)械原理課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了探討，引入QFD理論，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)和綜合運(yùn)用知識(shí)的工程素質(zhì)。理論力學(xué)是機(jī)械原理的先修課，怎樣將二者有機(jī)結(jié)合，合理地選擇理論力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，才能既節(jié)省教學(xué)資源又便于學(xué)生理解，文章從四個(gè)方面分析，提出了自己的一些看法。

[關(guān)鍵詞]新工科;QFD;機(jī)械原理

[基金項(xiàng)目]2017年山東省研究生教學(xué)優(yōu)質(zhì)課堂建設(shè)項(xiàng)目“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”（8020296）;2018年青島大學(xué)研究生優(yōu)質(zhì)課堂建設(shè)項(xiàng)目“機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)”（QDYK18037）

[作者簡(jiǎn)介]張艷平（1973—），女，山東青島人，碩士研究生，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究;王繼榮（通信作者）（1967—），女，山東威海人，博士研究生，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究;張繼忠（1964—），男，河北唐山人，碩士研究生，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究;戴作強(qiáng)（1962—），男，山東青島人，碩士研究生，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究;孫浩洋（1978—），男，山東青島人，碩士研究生，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究;周志梅（1963—），女，山東青島人，碩士研究生，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究。

[中圖分類號(hào)] TH111[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）46-0-03[收稿日期] 2020-09-30

一、引言

2019中國(guó)“制造之美”年度評(píng)選頒獎(jiǎng)典禮暨高峰論壇上，專家表示目前中國(guó)制造的內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)一是基礎(chǔ)建設(shè)，國(guó)內(nèi)擁有相當(dāng)完善的產(chǎn)能和配套;二是龐大的市場(chǎng)。相對(duì)來講，劣勢(shì)是品牌力，很少中國(guó)品牌能在全球市場(chǎng)贏得強(qiáng)大的影響力或者認(rèn)知度。中國(guó)制造需要培養(yǎng)大批量的產(chǎn)品經(jīng)理，讓產(chǎn)品經(jīng)理切入進(jìn)來，把中國(guó)制造的產(chǎn)品價(jià)值推送出去，而不僅僅是一個(gè)低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的困局。這個(gè)機(jī)會(huì)在產(chǎn)品經(jīng)理的身上才能得到。如何培養(yǎng)適合市場(chǎng)需要的人才，需要高校在課程設(shè)計(jì)上進(jìn)行有效的改革。

二、課程地位

機(jī)械原理這門課能初步熟悉機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)過程，理解基本機(jī)構(gòu)等設(shè)計(jì)選型知識(shí)，通過項(xiàng)目制作實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品涉及的機(jī)械原理、驅(qū)動(dòng)傳感、能源動(dòng)力等設(shè)計(jì)知識(shí)的運(yùn)用，積累機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

機(jī)械原理與理論力學(xué)屬于技術(shù)基礎(chǔ)課程，理論力學(xué)是機(jī)械原理的先修課程。機(jī)械原理是將理論力學(xué)的有關(guān)原理應(yīng)用于實(shí)際機(jī)械，有自己的理論體系。但在學(xué)習(xí)機(jī)械原理課程的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，用理論力學(xué)描述機(jī)械的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力占相當(dāng)?shù)谋壤?，其中有些機(jī)構(gòu)力學(xué)模型在理論力學(xué)中已有闡述，但也有些沒有涉及。由于兩門課程的教師溝通很少，對(duì)彼此的教學(xué)內(nèi)容了解不多，在理論力學(xué)課程講過的內(nèi)容在機(jī)械原理又重復(fù)一遍，造成教學(xué)資源的浪費(fèi)。而有些在理論力學(xué)沒有講過的機(jī)構(gòu)模型，在機(jī)械原理課上又沒有作為重點(diǎn)講解，給學(xué)生的理解帶來困難。

機(jī)械原理課程的教學(xué)，借鑒了清華大學(xué)等知名高校的教學(xué)思路，在不斷改進(jìn)課堂教學(xué)方法、更新教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，更加注重在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作精神以及綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試、勇于創(chuàng)新，取得了明顯的教學(xué)效果。

（一）加入部分QFD理論

QFD方法是一種以顧客需求為驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)方法。我們將QFD理論講授后設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目，把每6名學(xué)生分為一個(gè)小組，然后讓學(xué)生按該方法去建立質(zhì)量功能展開屋，將用戶的需求轉(zhuǎn)換為質(zhì)量特性、產(chǎn)品構(gòu)型、設(shè)計(jì)參數(shù)、技術(shù)特性及制造參數(shù)，使同學(xué)們分清產(chǎn)品層面、制造過程層面和控制方法層面的問題。例如，選取老年人用智能冰箱案例。同學(xué)們首先對(duì)老年人生理、心理等方面的需求進(jìn)行精準(zhǔn)定位。根據(jù)對(duì)相關(guān)冰箱賣家的走訪，對(duì)冰箱外觀語義和冰箱的顏色材料語義進(jìn)行設(shè)計(jì)，其功能模塊不宜復(fù)雜，界面的交互行為需符合老年人的操作習(xí)慣，文字圖標(biāo)語義應(yīng)清晰易懂及交互有必要的反饋。技術(shù)支持包括物聯(lián)網(wǎng)、射頻識(shí)別（RFID）以及智能語音。同學(xué)們對(duì)分類需求進(jìn)行篩選，通過“兩兩比較法”分析老年人需求之間的相關(guān)關(guān)系，得到了老人用智能冰箱質(zhì)量屋。通過該案例的探討，課內(nèi)師生交流的程度、學(xué)生在課內(nèi)的發(fā)言和課外準(zhǔn)備的程度、學(xué)生對(duì)于自己探索知識(shí)的學(xué)習(xí)方式的感受和以往有很大變化，知識(shí)掌握程度不再是唯一重要的。

（二）在兼顧機(jī)械原理課程的同時(shí)要保持力學(xué)知識(shí)體系完整及特點(diǎn)

由于機(jī)械原理在運(yùn)用力學(xué)理論闡述機(jī)構(gòu)的原理時(shí)，往往直接運(yùn)用力學(xué)推導(dǎo)的結(jié)論，不重視求解過程，因此，有些力學(xué)掌握不好的學(xué)生不能夠很好地理解，也就是對(duì)機(jī)構(gòu)的基本原理理解不透徹，會(huì)給以后機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來困難;因此，對(duì)于兩種學(xué)科共有的例題，在力學(xué)中應(yīng)該用力學(xué)理論闡述清楚透徹。在分析案例時(shí)我們根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況擴(kuò)展討論，這樣不但有利于學(xué)生對(duì)機(jī)械原理課程的理解，節(jié)約教學(xué)資源，而且進(jìn)一步加深了對(duì)兩門課程的理解。比如在機(jī)械原理中講解機(jī)構(gòu)各點(diǎn)位移、速度、加速度的方法時(shí)，講述的圖解法和理論力學(xué)有一定的差別，并且作圖比較煩瑣、精度差，在進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械分析時(shí)尤為困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，解析法成為一種更精確、 更高效的求解方法。特別是當(dāng)機(jī)構(gòu)由二維擴(kuò)展到三維時(shí)，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)矢量方程就變成了空間矢量方程，這時(shí)只能使用解析法進(jìn)行分析。所以機(jī)械原理中的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法最好和理論力學(xué)中的對(duì)應(yīng)內(nèi)容保持一致。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的過程中，可以把圖解法、解析法等知識(shí)一并納入教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)同一內(nèi)容有更深刻全面的認(rèn)識(shí)，從而增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立分析問題的能力。

（三）機(jī)械原理對(duì)機(jī)械類力學(xué)課程教改的啟示

機(jī)械原理課程主要教學(xué)目的是研究機(jī)構(gòu)的組成原理及各種常用機(jī)構(gòu)類型、運(yùn)動(dòng)、作用力、功能及設(shè)計(jì)。由于課時(shí)限制，不可能把所有機(jī)構(gòu)的力學(xué)原理講述，只能是定性的分析，這就給力學(xué)課程提出新的任務(wù)。

1.怎樣使力學(xué)例題更接近實(shí)際，使學(xué)生更感興趣。力學(xué)教師應(yīng)該以實(shí)際問題為研究對(duì)象，使抽象的力學(xué)模型具體化，增加學(xué)生對(duì)力學(xué)的興趣。增加機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析可以使學(xué)生對(duì)機(jī)械原理的機(jī)構(gòu)有更深刻的認(rèn)識(shí)、更透徹的理解，節(jié)省教時(shí)和難度，使課程在本課程的框架內(nèi)有更大的擴(kuò)展。例如在力學(xué)課程中應(yīng)該增加的如圖1所示的攪拌機(jī)構(gòu)例題。

2.利用機(jī)械原理的實(shí)體模型和設(shè)計(jì)思想，提高學(xué)生對(duì)力學(xué)知識(shí)的理解應(yīng)用。力學(xué)課程應(yīng)加強(qiáng)與其他學(xué)科的聯(lián)系，吸取其他學(xué)科先進(jìn)的思想、教學(xué)手段與方法。例如，在講解典型機(jī)構(gòu)的約束時(shí)，可以借鑒機(jī)械原理課中的三維機(jī)構(gòu)的圖形講解，學(xué)生能夠很快理解約束的受力分析，也可以把現(xiàn)實(shí)的機(jī)構(gòu)實(shí)體模型（圖2）與理論力學(xué)課堂上建立的力學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比分析。

3.把現(xiàn)代新的機(jī)構(gòu)介紹給學(xué)生并進(jìn)行力學(xué)分析。由于新機(jī)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，增加對(duì)新機(jī)構(gòu)力學(xué)的分析，讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)新機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。如圖3所示的波發(fā)生器裝置是機(jī)械原理中的機(jī)械結(jié)構(gòu)，構(gòu)思比較精巧，但在力學(xué)多數(shù)教材中沒有提及，在力學(xué)課程中應(yīng)該把此類機(jī)構(gòu)介紹給學(xué)生。

（四）教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革創(chuàng)新

1.教學(xué)方法注重工程背景教育和科學(xué)思維、啟發(fā)創(chuàng)新。教學(xué)過程中注意引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的歸納梳理、舉一反三、觸類旁通，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和自主學(xué)習(xí)能力。

在學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)演化和機(jī)構(gòu)型式設(shè)計(jì)時(shí)，啟發(fā)學(xué)生通過改變構(gòu)件尺寸、變換構(gòu)件形態(tài)、轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)副類型、機(jī)構(gòu)倒置構(gòu)思新機(jī)構(gòu)。如通過將擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中直線導(dǎo)桿變?yōu)榫哂邪霃降扔谇L(zhǎng)度的圓弧段導(dǎo)桿，可以獲得具有停歇特征的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。進(jìn)一步將導(dǎo)桿做成輪狀并適當(dāng)布置導(dǎo)槽，可以獲得內(nèi)外槽輪機(jī)構(gòu)。再將槽輪展直，又可以獲得主動(dòng)件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)、從動(dòng)件間歇直移、鎖止方式與槽輪機(jī)構(gòu)相同的間歇直移機(jī)構(gòu)。

2.教學(xué)手段力求形象生動(dòng)、寓教于樂、引人入勝。充分利用電腦圖像動(dòng)畫、工程應(yīng)用視頻、網(wǎng)絡(luò)媒體資源、學(xué)生創(chuàng)新成果等，開發(fā)素材資源豐富多彩的CAI課件。

3.注重學(xué)生所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用。在學(xué)習(xí)了機(jī)械原理課程中的凸輪機(jī)構(gòu)工作原理、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、凸輪廓線設(shè)計(jì)原理等知識(shí)后，組織同學(xué)們課外創(chuàng)新設(shè)計(jì)了如圖4所示的“自由組合式典型凸輪廓線繪制儀”。

三、結(jié)語

為了提高教學(xué)效果，本次課程建設(shè)加入QFD理論并采用項(xiàng)目式教學(xué)法，淡化教師傳授知識(shí)的主導(dǎo)性，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，讓學(xué)生分組參與進(jìn)來，對(duì)其進(jìn)行深入研究，加深了學(xué)生對(duì)QFD的了解，著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及工程意識(shí)，達(dá)到了培養(yǎng)高素質(zhì)人才的目的。針對(duì)機(jī)械原理與理論力學(xué)課程部分內(nèi)容重疊的現(xiàn)象給出了建議，在機(jī)械原理的教學(xué)方法和教學(xué)手段上提出了創(chuàng)新改革方法。

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Abstract： With the construction of Emerging Engineering Education and better support for local economic development as the background， the new requirements for training applied talents in colleges and universities as the starting point， this paper discusses the teaching content of Mechanical Principles course around the concept of "student-centered" engineering education， and introduces QFD theory to cultivate students' engineering quality of innovative design and comprehensive application of knowledge. Theoretical mechanics is a prerequisite course of Mechanical Principles. How to combine them organically and choose the teaching content of theoretical mechanics reasonably can save teaching resources and facilitate students' understanding. This paper analyzes this problem from four aspects and puts forward some opinions.

Key words： Emerging Engineering Education; QFD; Mechanical Principles