《機(jī)械設(shè)計》課程資源建設(shè)與混合教學(xué)模式探索

陳永 趙寧 丁攀 張秀麗 李世欣 田輝 王棟

摘要： 《機(jī)械設(shè)計》課程是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化和農(nóng)業(yè)建筑環(huán)境與能源工程等各本科專業(yè)必修的一門工程專業(yè)核心基礎(chǔ)課，集中介紹機(jī)器運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的基礎(chǔ)知識，闡述機(jī)械傳動和軸類零部件，簡明扼要的分析通用零件和常用機(jī)構(gòu)的工作原理及校核標(biāo)準(zhǔn)?！稒C(jī)械設(shè)計》課程具有非常強(qiáng)的設(shè)計理論性、實踐性和概念性，能夠解決機(jī)械工程及相關(guān)領(lǐng)域遇到的技術(shù)和管理問題，具備分析問題的能力。通過優(yōu)化課程資源建設(shè)，探索出基于案例式分析的線上學(xué)習(xí)、課堂討論相結(jié)合的混合教學(xué)模式，并實現(xiàn)課堂教學(xué)的方法學(xué)習(xí)與實驗課程的原理方法驗證有機(jī)結(jié)合。通過混合教學(xué)模式的探索，嘗試?yán)孟冗M(jìn)的信息化技術(shù)手段融入到教學(xué)中，以生動形象的教學(xué)手段，數(shù)字教學(xué)資源平臺激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并通過線上/線下的研討，加強(qiáng)學(xué)生的工程應(yīng)用分析問題能力訓(xùn)練，提升學(xué)生的工程思維能力。

Abstract： The course "Mechanical Design" is a compulsory engineering core basic course for undergraduate majors such as mechanical design and manufacturing and its automation， agricultural building environment and energy engineering. It focuses on the basic knowledge of machine kinematics and dynamics， and explains mechanical transmission and shafts. Parts， concise and concise analysis of the working principles and calibration standards of common parts and common institutions. This course has a very strong design theory， practicality and conceptuality， can solve technical and management problems encountered in mechanical engineering and related fields， and has the ability to analyze problems. By optimizing the construction of curriculum resources， a hybrid teaching model based on case analysis combining online learning and classroom discussion is explored， and the method of classroom teaching is organically combined with the principle and method verification of experimental courses. Through the exploration of mixed teaching mode， teachers try to use advanced information technology to integrate into teaching. Teachers use vivid teaching methods to stimulate students' interest in learning through digital teaching resource platforms. Students learn independently， and through online/offline seminars， strengthen students' ability to analyze problems in engineering applications and improve their engineering thinking ability.

關(guān)鍵詞： 機(jī)械設(shè)計;課程資源;混合教學(xué)模式;信息化

Key words： mechanical designl;course resource;mixed teaching pattern;informatization

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0254-03

0? 引言

《機(jī)械設(shè)計》是近機(jī)械類、機(jī)械類等本科專業(yè)必修的一門工程專業(yè)核心基礎(chǔ)課[1-4]，核心內(nèi)容包含機(jī)械零件的強(qiáng)度（抗斷裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度和機(jī)械零件的可靠性）、連接（涉及螺紋連接、螺旋傳動、鍵及銷連接）、機(jī)械傳動（涉及齒輪傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動和鏈傳動等）、軸系零部件（涉及滾動軸承、滑動軸承和軸）內(nèi)容，重點(diǎn)闡述常用機(jī)構(gòu)的工作原理及一般尺寸的通用零部件的工作參數(shù)設(shè)計，詳述機(jī)械零部件的設(shè)計理論與技術(shù)方法[5-8]，由于受課程學(xué)時少的限制，因此教師課堂講授的理論知識和知識點(diǎn)的覆蓋面有待豐富。與此同時，由于課程理論知識概念性強(qiáng)，核心知識點(diǎn)抽象難以理解，同時課程設(shè)計要求學(xué)生的動手實踐測繪能力，要求分組討論和參觀機(jī)械零部件實驗室來加強(qiáng)對課程的認(rèn)知理解。在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，《機(jī)械設(shè)計》為能源與動力工程專業(yè)、智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)和機(jī)械設(shè)計及其自動化專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，總學(xué)時56學(xué)時，其中理論講課48學(xué)時，實驗8學(xué)時。為豐富課程教學(xué)，將課程資源建設(shè)與混合教學(xué)模式相結(jié)合，以學(xué)生課程學(xué)習(xí)中遇到的瓶頸問題為導(dǎo)向，調(diào)整教學(xué)方式，提升教學(xué)質(zhì)量。

1? 《機(jī)械設(shè)計》課程資源建設(shè)及其面臨的主要問題

“農(nóng)-工結(jié)合”是依托河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)林教育資源優(yōu)勢和新工科發(fā)展需求，培養(yǎng)智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)方面的工匠人才。通過“農(nóng)-工結(jié)合”提升工匠創(chuàng)新人才競爭力與專業(yè)生存發(fā)展之道，為工程行業(yè)培養(yǎng)高技能專業(yè)人才。《機(jī)械設(shè)計》是基本原理與設(shè)計功能應(yīng)用相結(jié)合的工程專業(yè)核心課程，重點(diǎn)研究常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本的設(shè)計理論和計算方法，實現(xiàn)物理參數(shù)定量描述;同時，探索運(yùn)用新的設(shè)計方法是《機(jī)械設(shè)計》探討的重要內(nèi)容，它旨在利用最優(yōu)方法尋求最佳設(shè)計方案和設(shè)計參數(shù)。因此，《機(jī)械設(shè)計》資源建設(shè)為構(gòu)建貫通農(nóng)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工工業(yè)的橋梁提供了理論基礎(chǔ)支持。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)開設(shè)的《機(jī)械設(shè)計》課程是河南省一流本科課程，課題組教師積極授課，完成教學(xué)任務(wù)的同時，一直積極申請機(jī)械類“工程教育專業(yè)認(rèn)證”，投入精品課程建設(shè)。在教學(xué)平臺的搭建上，機(jī)械設(shè)計課題組教師積極參與機(jī)械設(shè)計實驗教學(xué)示范中心申報和河南省高等教育教學(xué)改革重點(diǎn)項目工作。

1.1 《機(jī)械設(shè)計》課程資源建設(shè)具體實施方案

①建立機(jī)械設(shè)計課程資源建設(shè)開放實驗室，增加主干章節(jié)的名校精品課程網(wǎng)絡(luò)鏈接和動畫視頻，完善課程師生互動評價機(jī)制，制定匹配的教學(xué)改革方法;

②增加機(jī)械設(shè)計的課程實踐環(huán)節(jié)，讓本科生的機(jī)械設(shè)計相關(guān)作品積極參與到全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽“挑戰(zhàn)杯”和全國機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽，讓本科生掌握CAD、CAXA、EDEM和SOLIDWORKS等軟件基礎(chǔ)和具備一定的二維和三維繪圖和識圖能力;

③利用solidworks、Mastercam和Adams等軟件繪制及仿真機(jī)械設(shè)計的關(guān)鍵零部件，比如減速器的爆炸圖和動畫，加深對減速器等零部件拆裝運(yùn)動過程的理解和認(rèn)識;

④通過機(jī)械設(shè)計課堂講解與實驗內(nèi)容的有機(jī)融合與銜接，建立面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的綜合教學(xué)體系，提高機(jī)電工程學(xué)院本科生及全校對機(jī)械專業(yè)感興趣的輔修學(xué)生的工程設(shè)計能力;

⑤通過統(tǒng)一的基于FPGA技術(shù)的實驗開發(fā)平臺，形成一整套面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的系列課程實驗教學(xué)內(nèi)容體系和實驗管理模式，實驗項目內(nèi)容具有系統(tǒng)性和層次性;

⑥機(jī)械設(shè)計課程資源建設(shè)遵循便利性和高效性原則，對教學(xué)和實驗管理模式和評價機(jī)制進(jìn)行完善，包括對機(jī)械實驗設(shè)備的管理、實驗輔導(dǎo)、實驗檢查與批閱等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的修正。

1.2 目前遇到的瓶頸問題主要包括

①以傳統(tǒng)的國家級規(guī)劃教材和PPT缺乏新鮮感：機(jī)械設(shè)計課程重點(diǎn)闡述常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本的設(shè)計理論和計算方法，抽象的課堂講解難以提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動性，亟需智能數(shù)字化和信息化的機(jī)械設(shè)計課程資源建設(shè);

②“農(nóng)-工”知識融合局限于單門的課程案例和教學(xué)內(nèi)容：課堂講學(xué)講解側(cè)重工程力學(xué)現(xiàn)象和機(jī)械原理而忽略其機(jī)構(gòu)運(yùn)動的聯(lián)系，需要同機(jī)械制造基礎(chǔ)、機(jī)械制圖等課程銜接;

③以機(jī)械設(shè)計為主的傳統(tǒng)授課內(nèi)容難以體現(xiàn)“農(nóng)-工結(jié)合”應(yīng)用實踐特色：具備理論力學(xué)、機(jī)械原理等先修基礎(chǔ)課前提下，該課程重點(diǎn)闡述工程案例設(shè)計的基礎(chǔ)知識，引入農(nóng)業(yè)信息檢測、農(nóng)產(chǎn)品狀態(tài)調(diào)控等產(chǎn)業(yè)相關(guān)的工程實現(xiàn)方法，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計方法在工程中的應(yīng)用;

④傳統(tǒng)的授課模式難以滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求：現(xiàn)有教學(xué)模式以原理方法及其理論分析為線索，難以實現(xiàn)以高效的教學(xué)成果導(dǎo)向工程教育。通過嘗試將案例分析融入到翻轉(zhuǎn)校園APP，利用學(xué)習(xí)通、慕課和騰訊會議等軟件將機(jī)械設(shè)計的經(jīng)典案例和視頻上傳分享，實現(xiàn)師生的良好溝通和互動;

⑤課堂授課與課程設(shè)計環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性銜接不夠縝密：機(jī)械設(shè)計實驗是中間環(huán)節(jié)，和課堂授課有關(guān)聯(lián)性，但系統(tǒng)性銜接不夠縝密;高效的溝通橋梁是將授課的經(jīng)典案例與課程設(shè)計實驗相結(jié)合，加強(qiáng)對實驗方法的技能訓(xùn)練和理論知識的鞏固。

2? 機(jī)械設(shè)計混合式教學(xué)模式探索

2.1 以問題為導(dǎo)向的機(jī)械設(shè)計混合式教學(xué)模式設(shè)計

《機(jī)械設(shè)計》作為理工基礎(chǔ)向機(jī)械工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化的橋梁，課程設(shè)置在第4學(xué)期，工程專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了《機(jī)械制圖》《理論力學(xué)》《機(jī)械制造基礎(chǔ)》和《機(jī)械原理》等課程，具備機(jī)械設(shè)計相關(guān)基礎(chǔ)。因此，將改革原有教學(xué)模式，探索構(gòu)建以問題為中心的教學(xué)理念，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析研究，提出與不同運(yùn)動過程有關(guān)的工程問題，闡述該運(yùn)動過程的機(jī)械原理和方法，以及面向智能制造產(chǎn)業(yè)的農(nóng)-工融合應(yīng)用，如圖1所示。

針對《機(jī)械設(shè)計》課程主要學(xué)習(xí)掌握的運(yùn)動過程形成的力學(xué)效應(yīng)和物理量激勵產(chǎn)生的工程效應(yīng)，將在學(xué)習(xí)工程力學(xué)、理論力學(xué)、機(jī)械傳動、軸系零部件等章節(jié)時，預(yù)先選擇機(jī)械設(shè)計案例，并為解釋分析機(jī)械原理現(xiàn)象設(shè)計問題進(jìn)行研討。

2.2 線上學(xué)習(xí)、課堂研討與實驗驗證相結(jié)合的混合教學(xué)模式

為了激發(fā)《機(jī)械設(shè)計》的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)意識，在上述案例與問題設(shè)計的基礎(chǔ)上，將結(jié)合先進(jìn)的信息化技術(shù)手段，改革原有以講授為主的教學(xué)模式，利用《機(jī)械設(shè)計》可視化教學(xué)資源，圍繞案例和問題將線上學(xué)習(xí)、課堂討論與實驗驗證有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)工程與機(jī)械工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化與融合，如圖2所示。

其中：線上學(xué)習(xí)：用于課前將案例和問題推送給學(xué)生預(yù)習(xí)或自學(xué)，并通過線上提問互動，了解課程將學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

課堂研討：根據(jù)案例組織研討，對預(yù)先設(shè)計的問題和學(xué)生在線提出的問題進(jìn)行梳理和解答，以案例為基礎(chǔ)讓學(xué)生掌握相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計分析方法，了解機(jī)械工程應(yīng)用場景。

實驗驗證：將機(jī)械設(shè)計案例融入實驗課程，通過實驗進(jìn)一步加深對機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程的認(rèn)識，在實驗中驗證農(nóng)-工融合過程形成的工程力學(xué)現(xiàn)象，以及物理參數(shù)激勵產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng);同時，鼓勵學(xué)生設(shè)計實驗驗證機(jī)械工程現(xiàn)象，并將實驗結(jié)果的討論反饋到課堂教學(xué)中。

2.3 探索基于智能終端的課前預(yù)習(xí)、課外拓展學(xué)習(xí)的機(jī)械設(shè)計教學(xué)新模式

課前預(yù)習(xí)和課外拓展學(xué)習(xí)為課堂教學(xué)做好鋪墊，利于課堂教學(xué)開展，但需要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容做出引導(dǎo)，因此探索研究基于智能終端的課前預(yù)習(xí)、課外拓展學(xué)習(xí)的機(jī)械設(shè)計數(shù)字化教學(xué)資源平臺。研究內(nèi)容包括：課前預(yù)習(xí)的內(nèi)容及要求，預(yù)習(xí)后做出反饋;針對思考題的課外拓展學(xué)習(xí)方法、內(nèi)容及要求，完成拓展學(xué)習(xí)后做出反饋。擬利用PC機(jī)/智能手機(jī)建立輔助課堂教學(xué)的數(shù)字化智能終端。研究內(nèi)容如圖3所示。

主要包括以下內(nèi)容：

①服務(wù)器端課前預(yù)習(xí)、課后拓展學(xué)習(xí)數(shù)字教學(xué)資源建設(shè)。針對教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)內(nèi)容設(shè)置相應(yīng)的預(yù)習(xí)內(nèi)容和要求，以及課后拓展學(xué)習(xí)的內(nèi)容和要求;

②基于手機(jī)/PC機(jī)的智能終端建設(shè)。設(shè)計調(diào)用教學(xué)數(shù)字化資源的APP/PC機(jī)郵件訪問的方式，每個學(xué)生作為1個用戶終端查看課前、課后教學(xué)要求及內(nèi)容，并完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù);

③課前、課后學(xué)習(xí)完成情況反饋及評估每個學(xué)生利用智能終端將完成的課前預(yù)習(xí)、課后拓展學(xué)習(xí)反饋到教師使用的服務(wù)器端;

④手機(jī)利用移動數(shù)字網(wǎng)或WIFI，PC機(jī)利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3? 結(jié)束語

總而言之，由于《機(jī)械設(shè)計》理論知識概念性強(qiáng)，核心知識點(diǎn)抽象難以理解，因此如何充分體現(xiàn)學(xué)生在線學(xué)習(xí)的主動性，同時充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的作用，即將傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢和在線學(xué)習(xí)的優(yōu)勢結(jié)合起來的混合教學(xué)模式已成為教育教學(xué)研究中的熱點(diǎn)問題。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院“工程教育專業(yè)認(rèn)證”有關(guān)工作及專業(yè)實踐教學(xué)工作已正式啟動，《機(jī)械設(shè)計》作為機(jī)械制造及其自動化專業(yè)認(rèn)證的十門核心課程之一，其課程的混合教學(xué)模式探索已取得初步成果，并積極推進(jìn)相關(guān)內(nèi)容。

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