“新工科”建设背景下“机械原理”课程的教学模式改革研究

程 诚，吴洪状，杨 聪

（苏州大学未来科学与工程学院，江苏 苏州215222）

0 引言

“新工科”建设是适应时代需求，推动工程教育创新的一项重要战略举措。2023 年2 月，教育部等五部门联合印发“普通高等教育学科专业设置调整优化改革方案”，提出“推动高校积极主动适应经济社会发展需要，深化学科专业供给侧改革，全面提高人才自主培养质量，建设高质量高等教育体系”的改革指导意见。“机械原理”“机械设计”“控制工程基础”等传统工科课程是培养工科学生的理论和技术基础的重要课程，然而教材内容注重经典理论和方法的介绍，忽视了实际应用和跨学科的综合性训练。因此，照本宣科的培养模式不能满足新时代对工科人才的要求。为了培养学生的创新思维、跨学科思维、实践能力和综合素质，在信息和科学技术的快速发展背景下，传统工科课程的教学也需要不断进行改革和创新[1,2]。

为了满足“新工科”背景下多样化、实践型人才的培养诉求，“机械原理”等传统工科课程教学改革势在必行。近年来，许多学者对“机械原理”课程改革进行了研究。王大刚等[3]通过架构产-学-研融合的教学内容体系、课程混合式教学方法以及基于产出导向的课程考核评价体系，对“机械原理”课程进行教学改革研究，取得较好效果。王君铃等[4]研究新冠感染疫情反复背景下的“机械原理”课程在线教学，发现“直播+在线资源”具有较好的教学效果。仝洪月等[5]提出将学科竞赛引入“机械原理”课堂、借助多媒体实验室及虚拟仿真平台、采用线上线下混合模式进行教学，探索出一条适合民办学校的教学模式。这些改革都取得了一些成效，但对现代工业发展现状的结合不够紧密，另外，思政内容还需进一步融入。

本文分析传统工科课程的教学现状，开展“机械原理”课程教学改革研究，旨在解决教学目标、教学内容、教学手段等关键问题。通过结合机械智能化发展现状和先进实验手段，引入先进案例教学和基于现代设计方法的开放性实验，将“机械原理”课程教学内容与现代工业发展接轨，让学生在充分了解“机械原理”课程的重要性的基础上，将理论知识与工程实际紧密结合，提高学生的创新与实践能力；并通过设计典型案例，将思政教育融入“机械原理”教学中，让学生在学习工科课程的同时，潜移默化地提升学生综合素质，使其更好地满足“新工科”交叉背景下企业和社会对工业人才的要求。

1 传统工科课程的教学现状

“新工科”建设背景下，传统工科课程教学面临着许多问题和挑战。“机械设计”“机械原理”“控制工程基础”等传统工科课程是机械工程类本科学生的必修课程，相关基础知识与理论的学习，对工程实践具有重要意义。但是，随着科技和社会的快速发展，工程领域的需求和挑战也在不断演变。目前高校使用的教材和传统教学模式往往过于注重理论知识的传授，这虽然提高了学生的理论水平和学习能力，但是在现实工程实践中，学生还需要掌握创新思维、跨学科合作、实际问题解决等能力。

“机械原理”作为机械类专业的专业核心课程，是研究机械共性问题的一门主干技术基础课程，它通过探讨机构学和机械动力学原理，为学生理解和分析机械系统运动、进行机构设计奠定了基础[6]。该课程以“理论力学”知识为理论基础，涉及了力学、数学等多学科的交叉知识，将“理论力学”用于机构和机器分析设计中，但并不是理论力学知识的简单重复和堆砌，而需要结合空间想象、实际问题特点等进行问题分析与处理，具有较高的难度和很强的工程实践性，采取传统教学模式，学生难以理解和掌握。而且，由于工科课程的专业性较高，对思想政治内容的结合往往不够深入，需要进一步提升“立德树人”的教学效果。具体存在的问题如下。

1.1 课程难度大，抽象概念难以理解

“机械原理”课程教学内容多、涵盖面广、工程性应用性强，涉及多个学科的交叉知识，如力学、数学、物理等，要求将不同学科相关基础进行整合，并形成完整的知识体系，课程难度大；包括很多抽象的知识，如机构运动简图绘制、图解法、机构反转法等，对空间想象能力要求高，仅通过传统多媒体教学和视频演示，学生难以理解和掌握。

1.2 教学方案与智能制造发展现状不匹配

“机械原理”是一门经典课程，关注机构结构与运动规律，注重采用图解法等传统方法进行机构分析与机构设计，然而工业应用中已采用各种先进设计方法，如利用Matlab 编程求解动点坐标或矢量方程、采用ADAMS 软件进行参数化设计与动力学分析等，教学方案与智能制造发展现状不匹配。

1.3 思政建设不足，立德树人效果欠佳

“机械原理”课程作为一门工科专业课程，思政教育尚处于探索和初步实践阶段，思政教育与专业教育多呈“两张皮”现象，缺乏示范性思政课程案例；教师对思政内涵、价值、意义的认知不够深刻，在思政元素挖掘、意识形态与课程内容融合等方面存在不足。

2 “机械原理”课程的教学模式改革

针对工科课程“机械原理”在教学过程中存在的问题，结合“工业4.0”下工厂生产模式，提出基于机械智能化现状和先进实验教学模式改革方案，通过案例引入、开放性实验和创新创业项目，旨在解决教学目标、教学内容、教学手段等关键问题，提高学生的创新与实践能力。具体方案如下。

2.1 强化跨学科融合，培养跨学科思维

在“机械原理”课程教学过程应该注重与其他学科的融合，培养学生跨学科思维能力。与电子工程、计算机科学等学科进行跨学科融合，探究智能机器人、人工智能、物联网等领域的“机械原理”应用，让学生从多个学科的角度思考问题，培养其跨学科思维能力。

案例1：智能机器人运动控制。在设计智能机器人时，机械原理的运动学和动力学知识至关重要。例如，当设计一个能够在不同环境中自主导航的无人机时，机械原理可以帮助工程师分析飞行器的动态特性，如姿态稳定性和操纵性能，以确保安全稳定的飞行控制。

案例2：人工智能辅助设计。在机械设计中，结合人工智能可以加速创新和优化。通过将机械原理与机器学习相结合，可以开发出自动化设计工具，用于优化零部件的形状、尺寸和材料，以实现更好的性能和效率。

2.2 注重创新创业教育，培养创新意识与实践能力

在“机械原理”课程教学过程应该增加创新创业教育的内容，培养具有创新和创业能力的人才。教授如何将“机械原理”应用于创新创业项目中，引入工程与创新创业项目案例介绍，使学生了解“机械原理”在实际应用中的运作机制和解决问题的方法，提高创新意识和实践能力。

案例1：可持续能源装置。如微型风力发电机或太阳能跟踪器，需要在不同环境条件下实现高效的能量转换。机械原理的应用可帮助优化这些装置的结构和运动机制，以确保在风、光等变化的条件下，能够最大程度地捕获和转化能源。

案例2：智能家居设备。如自动窗帘、智能门锁等，需要能够实现精确的运动和位置控制。机械原理的知识可帮助设计师解决设备的动力传输、位置控制和安全性问题，从而提高用户体验并降低设备故障风险。

2.3 强化实践教学，提升实际应用能力

在“机械原理”课程中，应该强化实践教学，注重将理论知识与实际应用相结合。通过在课程中增加开放式实验、课程设计等形式，结合“机械原理”理论知识与三维虚拟样机技术、3D 打印等现代设计方法，以跨学科应用及创新创业项目实例为参考，让学生自主探索“机械原理”的实际应用，进一步提升实际应用能力。

三维虚拟样机技术允许学生在虚拟环境模拟机械系统的运动和行为，实时观察和分析其运动学和动力学特性。例如：（1）虚拟力学实验。学生可以在虚拟环境中搭建机械系统，如杠杆、滑块、齿轮等，然后通过操控参数和施加力来观察系统运动。帮助学生直观地理解不同力的作用、力的平衡条件以及力矩的作用。（2）运动仿真实验。学生可以使用三维虚拟样机技术模拟机械系统的运动，比如摆锤的摆动、车辆的转弯等。通过调整初始条件和参数，观察系统如何随时间变化，并分析速度、加速度等动力学特性。

3D 打印技术在机械工程中具有广泛的应用，尤其是在原型制造、定制化设计和快速制造等方面。将3D 打印技术应用于“机械原理”的开放性实验可以为学生提供实际的机械系统制造和观察体验。例如：（1）零件制造与装配实验。学生可以使用3D 打印技术制造各种机械零件，如齿轮、连接件、杆件等。然后，可以在实验中将这些零件进行装配，以模拟不同机械系统的构建和运动。通过亲自参与制造和装配过程，学生能够更好地理解零件之间的关系，以及力、力矩和运动如何影响系统的行为。（2）动力传递系统实验。学生可以设计和打印一个简化的机械传动系统，如带有齿轮的机构。通过观察这个系统的实际运动，验证机械原理中的动力学概念，如速度比、转矩传递和齿轮的相互作用。

2.4 结合思政教育，深化立德树人效果

在“机械原理”课程中，应该将思政教育融入知识学习中，潜移默化地将国家和社会对学生的要求转化为学生的价值选择和行动自觉。设计典型案例，拓展思政元素的素材与资源，培养学生职业素养，结合机械行业现状与发展形势，激发学生科技报国、民族复兴。

（1）平面连杆机构思政案例。通过选择平面连杆机构的连杆上的不同点，可以得到不同的连杆曲线，以满足不同的设计要求。据此，启发学生思考“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”，在多面性的复杂世界中，存在一个不变的内核，连杆还是那个连杆，“庐山”还是那个“庐山”，唯一变化的是选择的点或视角而已。因此，要立足于不变的内核，看到事物的多面性，同样地，在遇到困难时，要从多个角度思考需求有效的解决方案。

（2）齿轮机构设计思政案例。中国是世界上机械发展最早的国家之一，例如中国古代发明的“指南车”通过齿轮传动机构控制转向，“记里鼓车”利用齿轮传动机构报告行程里数。据此，引导学生的民族自豪意识与爱国情感，激发学生向榜样看齐、爱国奉献的情怀。

3 结语

在“新工科”建设背景下，“机械原理”教学内容与课程改革探索，对相关工科专业的传统工科课程改革都具有一定的参考价值，主要：（1）以“新工科”为背景与目标，通过加入智能机器人、人工智能、物联网等领域的“机械原理”应用，引入工程及创新创业项目实例介绍，增加先进案例讲解、基于现代设计方法的开放式实验与课程设计，保证学习内容与学习智能制造发展现状接轨，培养其跨学科思维与创新实践能力。（2）强调立德树人与工科课程的有机深度融合，通过设计典型案例，扩展思政元素的素材与资源，潜移默化地将国家和社会对学生的要求转化为学生的价值选择和行动自觉，实现“润物无声”的课程思政目的。

课堂实践表明，课程教学改革对教学起到了促进作用，好评率达到98.2%，学生上课积极性和教学效果显著提高。生动有趣的案例介绍激发学生兴趣，也使学生对“机械原理”课程的价值和机械行业工作有了更深入的理解；将创新创业项目和开放性实验引入课程教学中，提高学生的创新和实践能力，培养学生参加科研竞赛、创新创业项目，为学生开展科学研究和自主创业奠定了基础；把思政内容融入知识讲授中，培养学生爱国情怀和综合素养，以满足“新工科”建设背景下的多样化、实践型人才培养需求。