新工科背景下《机构设计及应用》教学改革探索

李天兴，聂少武，张志文 

（河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003）

［摘  要］针对新工科背景下《机构设计及应用》课堂教学过程中存在的一些问题，进行了教学方式转变、教学内容拓展、实践模式补充、成绩评定多样化等方面的有益探索。近两年来机械设计专业本科生的教学效果和评教水平表明，本课程的教学改革起到了良好的效果。学生在了解和掌握机构设计及应用技术的基本知识的同时，能够拓宽和把握先进机构的最新发展动态和发展趋势，开阔了学生在机械设计领域的知识视野，提高了学生的创新设计和创新思维能力、综合知识应用能力和动手能力，达到了培养应用创新型人才的最终目的。

［关键词］新工科；机构设计及应用；教学改革；创新能力

［基金项目］2019年度 河南科技大学教育教学改革研究项目：新工科背景下“机构设计及应用”教学改革的探索与实践（2019-49）。

［作者简介］李天兴(1975—)，男（汉族），河南孟州人，工学博士，河南科技大学机电工程学院副教授，硕士生导师，主要从事齿轮传动设计研究；聂少武（1983-），男，河南宜阳人，工学博士，河南科技大学机电工程学院副教授，研究方向为齿轮制造技术；张志文（1975-），男，河南汝阳人，工学硕士，河南科技大学机电工程学院讲师，研究方向为管理信息系统、工业工程等。

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A   

一、引言

提升本科生的科研创新能力，为国家培养创新型专业人才，一直是高等教育的重要任务，也是当前一项重大的历史使命。由此，教育部发布的《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》启动了“新工科研究与实践”项目^[1-2]。“新工科”不是局部考量，而是在新科技革命、新产业革命、新经济背景下工程教育改革的重大战略选择，是今后工程教育发展的新思维、新导向。新工科背景下机械工程建设的内涵要求培养创新能力和实践能力并重的复合型人才，由此高校的专业教育也应在新工科背景下对专业课程的教育教学改革进行探索和实践。

机构设计及应用是机械设计及其自动化专业的一门重要的专业必修课^[3]，对于学生的创新设计能力、动手能力和知识的综合应用能力均具有重要的作用。该课程以各类机构的分析与综合为导向，旨在培养学生掌握常用和典型机构设计的基本理论和设计方法，注重对设计方案的构思和创新设计，强化机构分析，通过机构设计的程序实验来实现机构的基本设计理论和方法的实际应用，提高学生的设计水平。2017年我校新版教学大纲的修订，机构设计及应用课程的教学内容和实践环节发生了不小的变化，同时为了适应当前社会对本科生工作能力和知识视野拓展的要求，该课程教学改革的探索与实践是十分必要的^[4]。

二、课程学情分析

《机构设计及应用》课程上课对象为大三学生，在基础知识积累上，他们之前已经学习了高等数学、线性代数、计算方法、计算机编程等数学课程，具备了数学计算、数值分析及数学运算等数学知识基础，掌握了一定的数学计算工具及数值算法，具备了一定的解决机构运动设计及分析的计算问题能力。在专业基础方面，他们已经学过了机械原理课程，对常见的连杆机构、瞬心线机构、共轭曲线机构、凸轮机构及齿轮传动机构比较熟悉，掌握了基本机械结构的设计原理和方法，具备了一定的机构设计与分析能力，并且已经完成了机械原理和机械设计的课程设计，具备了一定的创新思维和创新意识，具有一定的动手实践能力。这些基础知识和基础能力的积累为机构设计及应用这门课程的学习奠定了有利条件。

三、课程教学存在问题分析

1.教学课时有限与授课内容深度的不匹配

机构设计及应用的课程特点是理论知识难度较大，知识点琐碎而复杂，学生需要花费大量课余时间来理解和消化课堂知识。然而，该课程的理论教学仅40学时，其中实验8学时，授课内容包括平面连杆机构的综合与分析、瞬心线机构设计、共轭曲线机构设计、凸轮机构设计和齿轮机构设计等。实验教学在本门课中举足轻重，有限的教学课时捉襟见肘，更是缺少发挥学生创新意识的实践课时。因此，授课内容调整和讲课方式变化是教学改革探索的必要内容。

2.授课知识内容与专业发展趋势的不协调

机构设计及应用的知识内容理论性很强，且主要依托传统机械结构的基本理论和设计方法，选用教材内容的更新远跟不上科学技术的发展。例如，齿轮机构设计的主要知识点是基于周转轮系的功率流和效率展开，但近年来，机器人精密减速器是当前机构研究的热点之一。对于这些国内外最新的科研成果和动态趋势，应该在授课过程中引导学生了解和熟悉相关知识，完成科学前沿的知识储备。然而由于课时的限制，学生只能在课余时间自查自学与行业发展趋势相适应的知识内容。因此，为了拓展学生在机构设计技术方面的知识视野，提高专业素养，如何将授课内容与本领域最新理论技术相结合的教学改革，是解决两者不协调的关键所在。

3.教学手段与方法的滞后

机构设计及应用的教学内容涉及各类典型机构的综合、分析与设计等，理论推导公式多而难以理解，传统的板书很难表达清楚机械结构的细节，手绘过程也浪费大量的课堂时间，严重影响教学进度和质量。采用PPT教学，课堂信息量大，减轻了授课老师的部分工作强度，但长时间的幻灯放映使得学生昏昏欲睡，同样达不到预期的教学效果，因此板书和多媒体教学之间的度的把握需要进行探索。另外，本门课程开设在第6学期，大多学生忙于考研、竞赛和实践等环节，学习过程的疲沓和理论知识的枯燥常导致课堂出勤率严重不足。因此，如何在教学手段方面进行改进，以吸引学生走进课堂也需要进行探索与实践。

4.实践环节的欠缺

机构设计及应用课程综合了数学、力学、机械、计算机、编程、仿真等多学科的最新发展，在学生的实践性环节中应该适当开展机构的设计、组装及分析等环节，以培养学生的设计能力、创新能力、动手能力和知识的综合运用能力。新版大纲中只有8个学时的实验，学生编程能力不足，主要依赖于授课老师的程序编制和运行演示，学生能够读懂程序、正确运行和合理分析即可，达不到预期效果。因此，通过多渠道、多模式的实践或实验，锻炼学生的创新设计能力和计算机编程仿真能力，是本课程改革的重要内容。

四、教学改革探索

根据新工科的培养目标，结合课程教学大纲和实验教学大纲，本文对教学手段方法、教材内容拓展、实践环节补充、成绩评价提升等进行了尝试性的改革探索，使学生在了解和掌握机构设计及应用技术的基本知识的同时，拓宽和理解目前先进机构的最新国际发展动态和发展趋势，通过课程学习开阔学生在机械设计领域的知识视野，提高学生的创新设计、综合知识应用能力和动手能力。

1.新版大纲下，教学方式转变和教学内容拓展，充分发挥主观能动性

机构设计及应用课程的知识点内容多，涉及的学科门类广，理论深度大和掌握难度大。如何在有限的时间，最大限度的让学生掌握和了解更多的基本知识，以及本领域最新的科学技术发展动态，是培养目标达成的关键所在。本课程在理论教学中采用PPT与板书相结合，大量添加专业最新前沿动态，增强学生的互动和理解程度。多媒体作为现代教学方式具有其优越性，能够在有限的时间内提供更多的知识信息，能够生动表现复杂机构的设计思路，节省了大量机构绘制时间；但传统板书教学还是多媒体不能完全替代的，对于重点知识、尤其是理论推导部分，板书教学能够让学生跟随教师的板书过程对新知识进行更好的理解与掌握，为学生的接受提供思考的时间。另外，讲课过程中，注重结合教师科研项目与研究成果来阐述课程知识和最新科研理论，提高学生对于课程知识学习的兴趣。另外，为了打破课堂教学的平淡过程，授课过程中可以给出问题先由学生思考讨论后再有针对性的分析，一方面锻炼了学生的独立思考能力，另一方也变换了课堂的节奏。同时，注重师生之间的互动是不可获取的，学生在学习过程中能够充分发挥主观能动性。

另外，在有限的课时内，为了让学生真正地学好、学懂这门课程，除了采用PPT多媒体教学方式外，还增加了在线课程的学习，授课方式采用线上、线下混合教学方式。对于一些基本概念、基础知识、设计理念和方法的介绍等常识性内容，鼓励学生课前在线学习，提前预习；对于一些理论性强、推理性强、综合性强、机构复杂、运动分析较深入的知识，采用课堂环节授课，通过问题驱动、启发式教学方法，利用有限的课堂去帮助学生理解较难的知识点，通过课堂互动交流让课堂学习效果得到充分的体现，同时也培养学生创新思维和创新意识能力。线上、线下混合教学方式也使得学生的学习主观能动性得到更进一步的发挥。

2.实践环节的多种模式补充，培养创新能力和知识应用能力

机构设计及应用作为一门多学科融合的综合课程，其理论知识具有较大的深度和难度，尤其是单纯的理论知识过于抽象。在实践环节，本课程将计算机仿真技术、优化设计方法和计算机编程实现相结合，组织学生在多自由度机构运动创新设计实验平台上自行组合设计机构结构，锻炼了学生的创新设计能力、专业知识的应用能力和动手能力。实际过程中，采取了程序设计、机构搭建和虚拟仿真分析相叠加的模式，起到了良好的效果。首先，学生编制程序设计出机械机构，然后在机构创意组合测试分析实验台上自行搭建所设计的机构，并对其进行虚拟仿真设计和合理性分析。如此过程，学生在直观感受所搭建机构的工作原理和运动方式的同时，编程分析运动规律和仿真优化。该实践过程直接将所学各学科知识进行综合应用，尤其是在平面连杆机构的运动分析和综合时，学生要充分发挥自己的创造性去思考，而不是照搬书本上的设计过程。

3．学生成绩评价方式多样化，激励学习主动性和创造性

机构设计及应用课程关联了机械学科的其它多门课程、理论深度大、知识点分散，单纯的卷面考试不易全面考察学生对于基础知识和新理论的掌握，也无法引导学生投入时间和精力开拓本领域的知识视野。因此，成绩评定标准应兼顾课程特点、学生平时的表现、团队合作意识，以及独立完成任务的能力，这是体现培养目标达成的重要方面。本课程采用项目制和科技论文相结合的形式进行评价考核。要求学生根据所学理论知识内容，在查阅一定量最新文献的基础上撰写论文，要求体现个人在具体设计上的认识和看法，同时根据学生所写论文内容进行师生间一对一的讨论答辩。评价结果不再仅仅以平时成绩和试卷成绩来评定，而是基础知识、最新设计发展与实践并重，对于问题的认识深度、视野的广度、论文的规范性和回答问题思路的清晰性将占较大比重。评定成绩按照独立完成情况、相关设计原理叙述的正确性、综合知识的应用程度、个人对所设计机构的认知程度、论文结构的完整性和回答问题的情况等综合而成。这种评价方式充分体现了学生对课程基础知识的灵活应用和最新科研成果的掌握程度，激励学生学习的主动性和创造性。

五、教学效果分析

机构设计及应用课程自2019年进行了教学改革尝试，改革之前，课堂授课主要采用板书方式，机构运动动画不直观，学生理解起来也较为困难，对课程兴趣度低，课堂效果不理想；对学生的评价方式主要采用试卷考试，学生成绩只能从片面上反映出学生的理论知识掌握程度，不能体现出学生的创新思维和创新实践能力。学生评教效果一般，多数学生反应这门课程并没有学到太多有用的知识，也不具备设计实践能力。

教学改革后，从2019、2020两年的教学评教来看，教学效果得到了明显的改善。PPT多媒体教学动画让学生明晰了机构设计原理和机构运动过程，极大激发了学生的学习热情，线上、线下混合式教学方式让学生全身心的投入到课程的学习过程中，学到的知识更丰富，学习过程也变得更加主动；实践环节的增加让学生们不仅掌握了理论知识，而且提高了学生们的实践动手能力，并且在实践过程中，学生的创新思维和创新意识得到了充分的发挥，有部分同学在实践环节能设计出非常规的机械机构，还申请了发明专利。学生评价：学习这门课程后，感觉学会了可很多，不仅是学到了理论知识，也掌握了一些有用的软件工具，更重要的是实践动手能力得到了很大提高，这对其他课程的学习以及课程设计、毕业设计等实践环节都起到了很重要的促进作用。

六、结论

结合“新工科”的大背景，本文对机构设计及应用课程的课堂教学改革实践进行了有益的探索。在理论教学中PPT与板书相结合，并且采用了线上、线下混合教学方式，大量添加专业最新前沿技术和动态，拓展了学生在机构设计技术方面的知识视野，增强了学生的互动和理解程度，也提高了学生的主动学习能力；在实践环节，将计算机仿真技术、优化设计方法和计算机编程实现相结合，组织学生在多自由度机构运动创新设计实验平台上自行组合设计机构结构，培养了学生的创新思维和创新实践，锻炼了学生的创新设计能力和动手能力，使学生适应企业现代设计的需要；在培养目标达成环节，评定标准和方式多样化，基础知识、最新设计发展与实践并重，兼顾课程特点、学生平时的表现、团队合作意识，以及独立完成任务的能力得到增强。本课程的教学改革起到了良好的效果，提高了学生的综合知识应用能力和创新思维能力，树立了自信心，达到了培养应用创新型人才为最终目的。

[参考文献]

［1］崔庆玲,刘善球.中国新工科建设与发展研究综述［J］.世界教育信息,2018,31(04):21-28.

［2］钟登华.新工科建设的内涵与行动［J］.高等工程教育研究,2017(3):7-12.

［3］曹惟庆，徐曾荫.机构设计［M］.北京:机械工业出版社,2000.

［4］田君，钟守炎，孙振忠.基于卓越工程师培养目标和“学习产出”(OBE)教学模式的机械设计课程群的建设与改革［J］. 教育教学论坛,2015(31):118-120.

Teaching Reform Exploration of "Mechanism Design and Application" under the Background of Emerging Engineering

LI Tian-xing, NIE Shao-wu, ZHANG Zhi-wen

(School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang, Henan 471003, China)

Abstract: In view of the problems existing in the classroom teaching process of "mechanism design and application" under the background of emerging engineering, some beneficial explorations have been carried out, such as the transformation of teaching means, the expansion of teaching content, the renewal of experimental mode, and the diversity of performance evaluation. The teaching effect and evaluation level in recent two years show that the teaching reform of this course has played a good effect. While understanding and mastering the basic knowledge of mechanism design and application technology, students can broaden and grasp the latest development trend of advanced mechanism, broaden their knowledge vision in the field of mechanical design, improve their innovative design ability, innovative thinking ability, comprehensive knowledge application ability and practical ability. The goal of cultivating applied innovative talents has been achieved.

Key words: emerging engineering; mechanism design and application; teaching reform; innovation ability