《机械原理》课程教学创新探索

江洁

（红河学院：a.工学院，b.云南省高校高原农机机电一体化技术研究与应用工程研究中心，云南蒙自 661199）

21世纪工程的迅猛发展对工程师培养提出了全新要求，伴随工程的复杂性、规模性和不确定性与日俱增，未来工程活动的实现只能来源于工程师持续、有活力的创造性才能。工科学生在校学习阶段是工程师培养的工程起点，更是汲取工程专业知识，塑造工程素养，激发创新思维的关键节点。通过全面落实学生的工程能力培养，调动学生的积极主动性，提高学生的主动发现和创新解决实际工程问题的能力，促进教学质量的持续改进，提升工程教育人才的培养质量成为工科专业迫在眉睫的改革任务。

现代工程师的核心能力锁定为工程实践能力和创新思维能力，工科人才培养要基于回归工程，塑造创新性，注重学生知识、素质、能力的协调发展[1-3]。《机械原理》课程作为机械类各专业必修的一门重要的技术基础课程，在培养机械类创造型工程人才全局中占据重要位置。课程主要讲授机构的组成、运动和动力分析及常用机构设计的基本理论和方法，具有概念性强、公式多、课程内容多及理论性强等特点。

传统《机械原理》课程教学以知识为本位，关心知识的系统性和理论性，强调科学理论而忽视工程应用[4]。课程理论教学采用讲授式教学，以教师为中心，缺乏对学生工程实践能力和创新思维能力的锻炼和培养[5]。人才培养环节与社会需求严重脱节，引发一系列痛点。

（一）学生工程体验严重缺乏

课堂上以教材为主，学生缺乏工程环境的熏陶，难以理解工程中提炼出来的科学问题。课程理论知识的抽象繁杂，使学生在“知其然”阶段就受挫，从而止步于“知其所以然”阶段。最终造成学生难以在正确的理论指导下形成系统的综合技能，基础理论的不扎实和综合技能的难练就，都成为学生在知识习得、技能增强和素质提高等方面的绊脚石。

（二）学生创新激情有待激发

仅依靠教师讲授为主的课堂，学生在学习体验中迷失了主人地位，造成学生学习积极性难以调动，学得较好的学生也仅会解答理论题，却无法分析并解决实际工程问题。绝大部分学生学习的主动性、参与性、协作性和创新性严重缺乏，全情投入持续学习的良好状态难以维持，使创新失去可能性。

站在新的人类社会发展节点，重新审视《机械原理》课程的时代特点，第一，相较数学、物理学等理论性较强的课程，它与工程实际结合更为紧密，更需要回归工程，为初步培养工科学生的工程实践能力提供了可能性；
其次相较专业机械课程，它不具体研究某种机械，而仅深入地探讨机械和机构的一般共性问题，为初步培养工科学生的创新思维能力营造了最有利环境。综上，《机械原理》作为机械类专业学生的专业技术基础课，是学生建构专业知识高楼的奠基石，是培养学生工程实践能力和创新思维能力的最佳切入点。所以只要对原有教学实施有效改革，必将提升学生的工程实践能力和创新思维能力。基于此，教学创新改革重点围绕教学理念、教学方式和教学评价三大转变展开。

（一）教学理念转变

创新是进步的灵魂，理念是行动的先导。贯彻OBE（Outcome Based Education）理念，坚持“学生中心”，围绕学生达成课程目标构建教学体系。教学创新改革后，对应毕业要求确立了《机械原理》的课程目标[2]，如表1所示。

表1 课程学习目标

（二）教学方式转变

构建“线上”与“线下”相结合的教学模式，采用“项目教学法+探究法+合作学习法”，应用“超星学习通”“雨课堂”“腾讯会议”“QQ群”等信息技术工具实施教学，以项目为主线，教师为引导，学生为主体，回归工程，凸显创新。

课前由学生自主结成5～6人/组的学习合作小组，教师线上发布学习资料（PPT、视频、网络资源等），布置课前预习、讨论和思考内容。培养学生自主学习、团队协作和创新思维能力。课中基于师生面对面课堂教学或者在线直播课堂，教师对学生预习结果进行前测，结合来自合作企业、教师应用型科研项目等（部分校企合作，学生作品案例如图1所示）工程案例提出好的问题进行学习[6-8]。

图1 校企合作、学生完成作品

通过建立新、旧知识间联系，引导学生层层剥离问题的表面现象，最终探究得到问题的本质。课堂全程为学生提供机会，帮助他们通过探究和发现来达成自己的理解。借助开放性的工程问题，让学生分享不同观点，检查学生不断发展的理解，纠正谬误。通过头脑风暴、人人交互、人机交互的形式，学生各尽其能持续分析和研究问题，学生经历如图2所示学习全过程。伴随着矛盾的逐步升级，解决问题的方法趋于更高阶，呈现出一定的创新性。

图2 学生课堂学习过程

课后，布置学生完成开放性和进阶型工程问题分析。课程实施全程凸显学生作为学习主人的地位，强烈的责任感与小组竞争机制，触发学生积极思考、学习和创新的激情。

（三）教学评价转变

课程评价考核是评价学生能力是否达成的重要手段，因此科学合理的评价方式尤为重要，本门课程的评价强调过程性，以学生能力培养目标的达成为目标，以检查学生对各知识点的掌握程度和应用能力为重要内容。评价集自评、互评、小组评和教师评等多元方式，评价总成绩由平时成绩（20%）、期中成绩（20%）、期末成绩（60%）组成，每一部分评价细则，所服务的课程目标与权重如表2所示。

表2 课程目标达成评价表

以《机械原理》课程教学近4年数据为样本，观测教学创新改革对包括学生总评成绩、学生能力达成度和学生实践、创新成果等方面的影响。

（一）教学创新改革对学生总评成绩的影响

总评成绩来源于平时成绩、期中成绩和期末成绩，评价贯穿学习课程的全过程，方式涵盖学生自评、小组内互评和教师评价，改革4年的总评成绩情况如表3所示。

表3 总评成绩情况

4轮教学总评成绩情况显示，学生成绩逐步提高，优秀学生逐渐显现。2020年度学生成绩显著提高，主要原因就在于对教学大纲进行了严格修订，建立明确的课程目标（如表1所示），按照课程目标的达成开展教学探索。总评成绩变化（如图3所示）证明了教学创新改革确实对学生总评成绩提高有效果明显。

图3 4年总评成绩比对图

（二）教学创新改革对学生能力达成度的影响

改革初期，课程教学大纲概括性地将课程学习目标及能力培养描述为：使学生掌握机构学和机器动力学基本理论、基本知识和基本技能，学会各种常用基本机构分析和综合方法，并具有按照机械使用要求进行机械传动系统方案设计的初步能力和机械创新设计的素质。通过本课程的学习与实践，使学生初步具有拟订机械运动方案、分析和设计机构的能力。该课程目标弱化了学生工程实践能力、创新思维能力、综合分析能力、团队协作能力，表现出了与当今人才能力需求的不匹配性。随着社会发展对人才培养提出的新需求，产出导向成为课程改革重点内容，新的课程教学大纲中明确了课程目标（详见表1），服务了毕业要求，系统从四个维度形成了知识、能力和素质培养相对稳定的工程人才培养模式。通过对改革4年来学生的课程目标达成度评价分析（如表4所示），可以观测出学生综合能力的培养提升情况。

表4 课程目标达成度评价情况

对比4年课程目标达成情况可知（如图4所示），经过教学改革，课程各目标及总目标达成度均呈现上升趋势，证明了改革的有效性。其中课程目标1、2达成度上升趋势较缓，说明四年来学生对课程基础理论知识的掌握程度大致相同。课程目标3在2020年度得到大幅上升，证明围绕学生工程实践能力和创新思维能力提升，所采取的课程改革实施效果良好，学生的创新意识得到强化，创新能力得到提升。下一步改革围绕课程目标4达成度提升，将尝试从学科竞赛、申请专利等方面更深层次融入课程教学当中，将学生创新成果纳入课程总评成绩当中，从“以赛促学”的层面提高学生的创新思维能力。

图4 课程目标达成度评价对比

（三）教学创新改革对学生实践、创新成果的影响

4年来学生受益于课程创新改革成果，在工程实践能力、创新思维能力、团队协作能力和综合分析能力得到发掘与强化，学生参与中国好设计、“互联网+”创新创业大赛、全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛等创新创业大赛获奖共56项，毕业设计中进行传动方案创新的占比67%，申请国家专利20项，基本上所有项目都来源于实际工程问题。

课程改革以学生能够达成课程目标为导向，优化整合教学内容、学习资源、教学方法、评价策略等，创新性地将来自校企合作单位的小型高原机械工程问题植入教学内容，鼓励学生运用信息技术发掘学习资源，以学生为中心调整并采用适当教学方法协助学生主动探究问题获得新知，建立多元评价体系。凸显地方应用型人才工程实践能力和创新思维能力培养特色。