《机械原理及设计》课程教学方法与考核机制探索

周脉乐 杨启志 韩佃雷 徐立章

摘  要：近年来，教育部积极推进“新工科”建设，探索工程教育新模式，使得高等工程教育面临新机遇、新挑战。农业机械化及其自动化专业主要培养学生对农业生产机械化系统的设计、管理和运用能力，对工程创新能力具有较高的要求。《机械原理及设计》是农业机械化及其自动化专业的必修课，对于提升学生农业装备的设计和解决农业生产机械化问题的能力具有重要作用。工程教育专业认证强调以学生学习为中心，注重学生工程实践能力培养，对《机械原理及设计》课程的教学也提出了新的要求。针对现有《机械原理及设计》教学体系和基本教学要求，以新工科人才培养要求及工程教育专业认证为改革目标，文章提出了针对《机械原理及设计》课程教学方法的一些改革建议。基于学习产出的教育模式，在教学方法和课程考核两个方面提出改革建议。

关键词：机械原理及设计;农业机械化及其自动化;新工科;教学与考核;工程教育

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）33-0095-04

Abstract： In recent years， the Ministry of Education has actively promoted the construction of "emerging engineering education" and explored a new mode of engineering education， which makes higher engineering education face new opportunities and challenges. The major of agricultural mechanization and automation mainly cultivates the ability of design， management and application of agricultural production mechanization system， and has higher requirements for engineering innovation ability. "Mechanical principle and design" is a compulsory course for agricultural mechanization and automation specialty， which plays an important role in improving students' ability of agricultural equipment design and solving agricultural production mechanization problems. Engineering education professional certification emphasizes student learning as the center， pays attention to the cultivation of students' engineering practice ability， and puts forward new requirements for the teaching of mechanical principle and design. In view of the existing teaching system and basic teaching requirements of mechanical principle and design， taking the requirements of emerging engineering education talents training and engineering education professional certification as the reform objectives， this paper puts forward some reform suggestions for the teaching method of mechanical principle and design course.The educational model based on outcomes-based education takes enriching students' knowledge， puts forward reform suggestions in two aspects of teaching methods and curriculum assessment.

Keywords： Mechanical Principle and Design; agricultural mechanization and automation; emerging engineering education; teaching and assessment; engineering education

引言

2017年以來，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，大力推动高校教育体制机制创新，使高等工程教育面临新机遇、新挑战。江苏大学是教育部首批卓越工程师教育培养计划试点高校，其农业机械化及其自动化专业（以下简称农机专业）以学生能力培养为导向，将通识教育与专业教育有机结合，以力学、机械学、农学、控制工程等学科为主体，兼顾工程科学教育与工程实践训练，培养能从事现代农业装备设计、制造、运行管理等工作的工程技术人才。

《机械原理及设计》是农机专业的必修课程，是紧密联系农业装备设计的基础课程，学生掌握机械设计的基本技能，才能培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。《机械原理及设计》已经形成了一套完整的理论和实践课程体系，对于农机专业本科生建立基础知识框架来说是十分重要的，是必备的知识和技能。但是，传统的《机械原理及设计》课程教学内容以讲解机械原理、公式和设计方法为主，知识结构复杂、理论性强，教学过程比较枯燥、抽象，缺少形象思维和直观体验，不利于培养学生的工程实践能力，学生学习成效甚微，课程的发展受到严重限制[1]。很多高校开始尝试机械类专业课程的改革，如开展案例式教学[2]、基于系统论的教学设计[3]、增材制造技术应用[4]、基于创新能力发展平台的教学模式[5]、多种考核方式相结合的考核方案[6]、“大作业”改革[7]、以学生为中心[8]、基于创新能力培养[9]和翻转教学模式的教学改革[10]、项目式教学模式[11-12]等，取得了一定的成效。本文基于学习产出的教育模式，注重学生的学习成果，以新工科人才培养要求及工程教育专业认证为改革目标，从教学方法和课程考核两个方面对《机械原理及设计》课程进行教学方法探索，培养学生的创新设计能力。

一、《机械原理及设计》教学现状

目前，国内多数高校的农机专业均设有《机械原理及设计》课程，包括机械原理和机械设计两部分内容。课程设置通常有三种情况：1. 分别开设《机械原理》和《机械设计》，且课程设计独立进行;2. 《机械原理》和《机械设计》分别单独教学，但是课程设计合二为一;3. 将机械原理和机械设计两部分内容合并为一门课程，即《机械原理及设计》。传统的教学过程采用第一种方式，但越来越多的学校开始了合二为一的改革探索，教材将机械原理和机械设计两部分内容结合为《机械原理及设计》或《机械设计基础》[13-14]。

根据课程的基本教学要求，多数教材中机械设计的内容包括机械零部件的工作能力计算、结构设计和强度校核等内容，部分教材增加了机械优化设计等内容。现阶段，农机专业的教学内容与机械专业相似，以机械零部件的计算、设计为主，但农业机械的生产物料和工作环境存在多样性，与工程实际联系更紧密。由于《机械原理及设计》课程有非常强的实践性，而教师在实践方面经验不足或缺失，将无法为学生提供全面的指导。另外，在课程内容上过度强调以教材为中心，存在一定的知识滞后性问题。面对更高质量的农机人才要求，《机械原理及设计》课程的教学内容与方法尚存在较大的改革空间。

本文针对农机专业，将《机械原理及设计》课程改革分成教学方法和课程考核两个方面进行，以学生学习产出为目的，同时紧紧抓住课程教学的三个层次（基本知识、专业兴趣和工程实践能力），将《机械原理及设计》改造为理论和实践课程一体化、多样化的专业课程，培养学生的工程实践能力，适应新时代农机专业人才的培养需求[15]。

二、教学方法探索

农机专业本科教育，旨在培养学生对农业生产机械化系统的设计、管理和运用能力。农机专业本科生培养需要注意两点，一是传授农机专业基本知识，二是培养学生“知农、爱农、为农”的情怀。在《机械原理及设计》课程中，可以通过教学互动环节、随堂作业和综合创新训练的形式来增强学生专业知识和情怀的培养，同时增加对教师的培养与考核，促进“双师”型教师队伍建设，提高教学质量。

（一）增强教学互动

《机械原理及设计》的课堂里，大多教师的教学方法以讲授基本知识为主，学生则全程被动接受知识。在教学过程中，教师是课堂的中心，一切教学活动都是围绕教师展开的，双方缺少必要的互动，难以建立良好的师生关系，学生学习成果不显著。在《机械原理及设计》教学中，教师需要讲授大量的机械知识、力学公式和设计方法等，内容枯燥乏味，需要师生间的互动提高教学质量。近年来随着互联网技术越来越普及，多媒体教学手段逐渐增多，教师可以借助网络资源增加授课内容的丰富程度[16]，也可以通过播放各种机构（尤其是农业机械）的工作动画、实际生产的记录片等方式来增加学生对于这门课程的直观认识、培养学生的兴趣。

1. 增加教学互动元素

增加课堂互动最行之有效的方法就是把更多带有互动性的事物引入课堂，例如增加实物演示，即将一些农业机械上用到的零部件、典型机构作为讲课道具，用以直观演示其工作原理与工作特性;或者充分利用计算机的优势，将机械领域用到的一些软件引入到课堂中，如运用UG、ADAMS等讲解较难理解的概念和原理，使学生对机械先有感性认识再有理性认识。由于《机械原理及设计》课程需要求解一些零件或者系统的载荷、寿命等参数，要用到材料力学、弹性力学等课程的相关知识，在讲解实例时可以利用软件进行演示，通过软件进行机构运动模拟以及系统的受力、载荷分析，使学生直观认识机械系统的运动和受力，十分适合于《机械原理及设计》课程的教学活动。相比于枯燥的书本，直观、易懂的软件显然更具吸引力。只有学生的兴趣被激发出来，求知精神体现出来，课堂才能由以教师为中心向以学生为中心转变。

2. 课堂走出教室

课堂不应仅局限于教室内，《机械原理及设计》课程内容的讲授可以在实践基地进行，如金工实习的加工车间、合作企业等，为学生提供一个接触、学习真实生产实践活动的机会，让学生参与到生产实践中。学生在动脑与动手结合的过程中，提高解決工程实际问题的能力。校企合作有校企合作办学、创新实践基地、校企共建实验室等多种形式[17]。在教学环节中，增加两次在企业进行的“实验课”“参观课”，提升学生视野、增长学生对专业认识，同时锻炼学生的动手能力、观察能力等，对于学生的全方位发展非常重要。无论采取何种措施，运用何种方式，教学工作始终要坚持的就是以学生为教学中心，围绕学生开展教学。

（二）增加课后学习与实践

《机械原理及设计》是一门实践性很强的课程，除了课堂上的学习之外，还需要课后进行思考和训练，通过解决工程实际问题，提升学生的机械创新设计能力。通常，多数学校的做法是布置作业、习题等，让学生通过课后练习巩固课堂学习成果。部分学校还会根据讲课的进度布置一些“大作业”。“大作业”是根据工程实际提出问题，让学生运用所学知识解决实际问题，可以考察学生对课程的综合掌握程度。因为“大作业”通常都是一些和现实生产应用接轨的工程问题，学生需要查阅资料，并充分思考才能完成。

教学实践发现，传统“大作业”题目比较单一，学生完成“大作业”时，多数是通过书本、教材查阅相似的工程问题，利用手册查找公式，然后计算求解，设计思路比较程序化，本质上还是“代入公式-求解计算”的过程，不利于学生创新设计能力的培养。很多学生能正确选择公式，却对其含义一知半解，更缺乏独立解决工程问题的能力。《机械原理及设计》课程在现有“大作业”的基础上更进一步，增加“大作业”的多样性和开放性，即设法让学生在完成作业的过程中接触更多资料与工程实践。有多种方式提高“大作业”的多样化程度，如将机械设计软件（如UG、ANSYS、ADAMS等）用在作业中、选择更加开放的设计类问题而不是计算类题目等。学生完成“大作业”的设计任务后，基于实训中心的机械加工设备、3D打印机等，加工、制作所设计的机械零部件，最后让学生提交实际的零部件件或机构，而不是纸面上的图纸或数字模型。通过“大作业”让学生经历机械装备计算、设计、制造等完整的工程流程。

（三）综合创新能力培养

以《机械原理及设计》课程内容为基础，农机专业在大一至大四年级分别开设《农业装备综合创新训练》，每学年训练一次。《农业装备综合创新训练》的內容为典型农业机械的测绘、运动分析、设计计算和控制管理等。基于江苏省现代农业装备与技术协同创新中心协同体，通过工程测绘、机构计算与设计、系统控制与管理等方式，使学生运用已学知识解决实际工程问题，开展研究性教学。

三、课程考核机制探索

《机械原理及设计》是一门典型的机械类课程，多数高校《机械原理及设计》课程的考核方式采用期中、期末考试的方式。这种考核方式能够有效推动学生学习，却难以检验学生是否具有独立思考、解决机械设计领域的复杂问题的能力。因此，可以从知识和能力两个方面入手，改进课程的考核机制，科学地进行教学质量监控。

（一）知识检查

目前所采用的期中考试、期末考试以及各类小考、月考、随堂检测等，都属于知识检查范围。但限于考试的时间和题量有限，无法全面考察学生掌握知识的情况。另外，无论开卷还是闭卷考试都存在一定的缺陷。闭卷考试题量受限，考察范围小，难以激发学生的创新思维。开卷考试则难以区分学生是否真正理解了所考的知识。鉴于知识检查的特点，可以采用线上、线下相结合的方式。对于课堂知识点的考察，可以采用“网上QUIZ”的形式。学生在线上答题，每个单元都有若干习题，包括基础题和综合题，以保证足够的考察范围。对于综合设计知识，可以采用辅导、练习的方式考察学生的掌握情况。

（二）能力检验

能力检验是最重要的考察环节，也是最难以做到的。事实上只有实际工程项目才能达到检验的效果。对应工程教育专业认证目标，在知识检测的基础上，可以借鉴“金工实习”的形式，让学生分组完成一些机械零部件设计实例，让学生经历思考-设计-遇到困难-解决困难的过程，锻炼学生综合能力，包括独立思考、解决问题、团队协作能力等，这些能力对于其后续的学习都是至关重要的。根据工程认证毕业指标的要求，学生要具有就复杂的工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流的能力。为检验这些重要能力，可以选择在课程考核中增加答辩环节，实施全过程学习质量监控。通过答辩使学生对所做的设计作全面总结，对学生的知识学习与能力培养也会更具效果。

《机械原理及设计》课程要求学生要不断地进行类似于金工实习的实践活动，不断参与各类项目。这就需要较高的成本和较多的时间，而学校的资源有限，学生的数量又相对较多，可以和机械领域的企业或科研院所合作教学，充分利用社会优秀资源。目前，很多校企合作模式已经成功地应用于学生的毕业设计、毕业实习及毕业答辩等方面，但在课程教学方面应用较少。可以预见，校企合作模式将在课程教学中发挥巨大的作用。

四、结束语

本文围绕《机械原理及设计》课程教学方法与课程考核两方面，提出了一些课程改进建议，这些改进最重要的就是坚持以学生为教学活动的中心，重视学生综合能力培养。在教学活动中，让学生逐渐培养出独立探索、发现问题、解决问题的思维。

江苏大学一直以传承“老农机”的特色为中心，着重突出“现代农业装备设计”，形成了“工中有农，以工支农”的鲜明办学特色和独特的农机文化情怀，学生的农业装备综合创新设计能力显著提高，取得了良好的培养效果。近三年，农机专业本科生获各类省级科研创新立项达10余项，在全国、省级各类大学生科技竞赛中获奖50项以上。毕业生深造率连续保持在40%以上，就业率保持在95%以上。以2020届毕业生为例，毕业生总人数53人，考研录取人数24人，升学率达45%。毕业生对本专业教学满意度高于94%，工作与专业相关度约为75%。大部分毕业生选择了农机行业及机械设计、制造业，大中型企业占比79%，社会用人单位对农机专业人才培养整体水平的满意度较高，对毕业生的专业知识、技能和工程实践创新能力等均给予了较高评价。

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