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新工科背景下机械原理课程课堂教学设计与实践——以华北水利水电大学为例

发表时间：2021/6/10 来源：《教育研究》2021年7月上作者：王迎佳1 郭飞1 秦东晨2

[导读] 国家"新工科"建设要求对机械专业大学生的创新能力培养提出了更高的要求, 本文紧密围绕立德树人的根本任务，立足以学生为中心的角度，对华北水利水电大学机械学院机械原理课程课堂教学模式、方法等开展探索，设计了适应机械原理课堂教学的新模式，并以课程一个知识点的教学设计为例，优化课程内容体系，恰当融入课程思政，通过实践，取得了良好的效果，提高了课程的教学质量，实现了知识传授和价值观引领的有机结合，为信息化时

1.华北水利水电大学机械学院王迎佳1 郭飞1 450045
2.郑州大学机械与动力工程学院秦东晨2 450001

摘要：国家"新工科"建设要求对机械专业大学生的创新能力培养提出了更高的要求, 本文紧密围绕立德树人的根本任务，立足以学生为中心的角度，对华北水利水电大学机械学院机械原理课程课堂教学模式、方法等开展探索，设计了适应机械原理课堂教学的新模式，并以课程一个知识点的教学设计为例，优化课程内容体系，恰当融入课程思政，通过实践，取得了良好的效果，提高了课程的教学质量，实现了知识传授和价值观引领的有机结合，为信息化时代改进课程教学效果提供了有益的借鉴。
关键词：机械原理；课堂教学；教学设计；实践
       随着全球信息化技术与机械工程科技的深度融合，国家对新时代工程人才培养提出了新的要求，在此背景下，2016年，教育部提出了建设“新工科”的发展要求，成为我国高等工程教育进入新阶段的重要标志[1]，随后形成的“复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”等重要纲领，为我国工科教育和培养机制的改革指明了方向[2]。“新工科”建设要求坚持立德树人的根本任务，大力推动了工科专业课程的教学改革研究与实践，为中国社会主义建设培养了更多多元化、创新型的卓越工程师。
        在“新工科”建设要求的引领下，本文以华北水利水电大学机械学院机械原理课程为例，剖析传统灌输式教学模式的弊端，积极探索线上线下混合式教学模式中课堂教学环节的实施办法，从“以教师为中心”向“以学生为中心”转变，进行了详细合理的教学设计，激发了学生参与课堂的积极性，充分调动学生的主动性和创造性，实现知识、能力、素质和价值观的全面协调发展，取得了良好的教学效果。
        1.机械原理课堂教学现状
        1.1 课程简介
        机械原理是工科类院校普遍开设的一门重要的技术基础课程，在机械类专业人才培养计划中占有举足轻重的地位[3]。课程主要研究各种机构和机器中涉及机构学、运动学和动力学的一般问题，连杆机构、凸轮机构和齿轮机构等一般工程结构中常用机构的性能和设计方法，以及一般机械方案设计的实践性问题[4]。
        1.2 课堂教学现状
        机械学院的机械原理课程历经不断改革，目前学时为44+4学时（理论+实验）。机械原理是一门理论性、逻辑性较强的课程，概念多、公式多，理论较抽象，处于大二下学期的学生理解起来难度较大，要求学生前期高等数学和理论力学课程基础较好[5]；而且，机械原理课程与工程实践紧密联系，要求学生具备一定的自主学习与实践能力。因此，学时少而学习任务重，传统教学多以教师课堂讲授为主，辅以板书和多媒体工具，形成“教师不停讲、学生被动学”的单向模式。这种灌输式方法难以充分调动学生的主动性和积极性，难以激发学生的独创性，忽视“以学生为中心”的作用，学生课堂参与度不高，教学效果自然不尽人意。
        随着现代网络信息技术的飞速发展，经过近些年不断地建设与发展，特别是新冠肺炎疫情期间线上教学的开展[6]，机械学院的机械原理课程逐步形成了线上线下混合式的教学模式。课堂上以讲授基本理论为主，适当设计“案例式”、“启发式”的讨论活动，着重引导学生夯实基础、培养学生工程实践能力；线上通过思考题、作业加深学生对课程理论的理解，扩展知识面，提高学生创新设计能力，有效延伸课堂教学。
        课堂是教育实施的主阵地，课堂教学是重要的教学环节，在新时代“新工科”和打造“金课”要求下，教师应站稳课堂。课堂上，教师应紧密围绕教育立德树人的根本任务，始终秉承“以教师为主导、以学生为主体” 的原则，把握学生认知特点，了解学生兴趣，符合教学大纲，讲授基本知识和原理，并结合实际工程结构及机械行业发展趋势，目标明确、思路清晰，合理组织教学进程，恰当有效实施各种教学活动，最大限度激发学生求知欲。
        2.课堂教学改革内容
        课堂教学环节设计的合理性和有效性直接影响着教学效果。为了提高教学效率和教学质量，培养学生解决工程实际问题的能力，教师应合理有序的安排各教学环节，形成清晰的教学方案。在教学设计中，应根据教学大纲把握教学规律，明确教学目标，即明确“教什么”；根据教学目标，合理计划和布局45分钟的课堂教学时间，即明确“怎么教”；根据学生认知特点，探索怎样能使学生学得更好的方法，即“以学生为中心”，明确“怎么学”。教师根据教学大纲编制教学设计，认真分析学生需求，合理设计和安排各教学环节，如大致分配讲授知识点、提问、讨论、课程思政切入点等环节时间，力求教学效果的最优化。课后，教师还应全面评价教学效果，做好教学反思，根据学生反馈，不断修改完善教学设计。
        2.1课堂教学设计
        课堂教学设计以1课时（45分钟）或2课时为单位，对课堂教学进程进行预先设计，紧密围绕立德树人的根本任务，既要充分发挥教师的主导作用，掌控整个教学过程，有效传道授业；又能体现学生的主体地位，有效启发学生、调动学生的积极性和主动性，提高人才培养能力。
        一般教学设计中，应首先明确本节课在整个教学过程中的地位、教学目标、教学重难点、学情分析、教学方法、教学思路和板书设计，尤其应加入对课程思政切入点的设计，然后详细设计整个教学过程，最后进行教学总结，课后还应加入教学反思。
        2.2课堂教学设计案例
        教学过程具体设计是教学设计的关键部分，应详细合理的设计各环节并给出大致时长。以 “平面四杆机构的基本知识”第一个知识点“铰链四杆机构有曲柄的条件”为例，教学过程如图1所示。

图1 教学过程框图
        （1）对上节课内容进行回顾，并简要点评线上作业
        回顾铰链四杆机构基本类型和演化形式，教师语言简明扼要、条理清晰，有效引起学生对学过内容清晰的回忆，必要的重复，有利于加深学生对知识点的印象。多年教学实践表明，“温故”才能更好的“知新”。简要点评线上作业，发现共性问题，可在本节课相关内容处再次强调。
        （2）先进机械举例，感受机械之美
        从几种学生非常感兴趣的先进机械的动画（如奔跑的机械马、兼具美观与实用的风扇等）入手（这些视频在线上资料里学生已看过），在惊叹“机械之美”的同时，可指点让学生看到其中有曲柄的部分，原来如此复杂和具有挑战性的结构，也可以由简单的构件组成。这样，激发了学生的求知欲望。再引央视纪录片《大国重器》第二季第三集中一段轮式装载机视频，引导学生发现其中的连杆机构，这样，就与课程联系起来了。既复习了相关知识，又激发了学生的爱国情怀。
        （3）提出问题
        1）工程问题举例
        以三种工程中典型机构---雷达天线俯仰机构、振动筛和鹤式起重机主传动机构（动画显示）为例，先让学生仔细观察，再由教师讲解，点出其中的曲柄，目的是使学生理解四杆机构运动机理。
        2）研究曲柄存在的意义
        让学生了解曲柄在实际工程结构中存在的意义，避免学生进入“为了研究而研究”的误区。
        （4）铰链四杆机构有曲柄的条件——核心内容
        多媒体动画结合板书，详细推导分析机构中存在周转副和曲柄的条件，并得出相应结论。应注意明确主要概念、并区分相关概念的差别，使用教鞭在图中指点，板书重点突出、简洁清晰，务必使学生看清楚、听清楚、想清楚。当分析分别取不同杆为机架时得到不同机构形式，教师示范讲解一种，由学生讨论并提问分析另两种情况。以平行四边形机构等工程常用机构为例，展开课堂分组讨论，教师驻足倾听每组学生并发现问题。鼓励学生积极思考，倡导学生主动参与教学实践，加强师生互动。
        （5）布置课后工作
        课后要求学生登录学习通，完成教师上传的思考题、作业，积极参加讨论，教师加入并适当加分；请学生对本节课进行评价，及时上传意见和建议。推荐观看《大国重器》、《大国工匠》等纪录片，激发学生的爱国热情，坚定民族自信心和自豪感，也鼓励学生向前辈学习，立志为中国装备制造业贡献自己的一份力量。
        （6）融入思政元素
        每年应更新一些先进机械，并且向学生简介连杆机构的研究方向。同时要明确：先进机械，都必须以基本理论、基本设计方法为基础，只有夯实基础，才可能创造出新颖优良的机械装备各行各业，实现生产的机械化和自动化，为综合国力的高速发展贡献力量。以此开拓学生视野、激发学生的创造热情。
        “存在曲柄的条件”和“存在整转副的条件”是本节课中两个易混淆的概念，教师应明确其区别和联系。以此为出发点，教师可用约三分钟的时间，举例说明在实际的工程设计中容不得半点马虎，一个小的疏忽，可能会导致重大事故，甚至是生命的代价。故在今后的学习、工作中，要始终保持科学严谨、一丝不苟的工作作风，认真负责的工作态度。
        （7）教学总结
        从工程问题出发，激发学生学习兴趣，使学生带着解决问题的强烈愿望通过课堂学习一步步寻求方案，并回归工程问题。这种循序渐进的教学思路，注重培养学生解决实际工程问题的能力，落实了新工科建设要求，体现了工科类课程“从工程中来，到工程中去”的重要原则，并有效激发学生爱国主义情怀，建立为中国制造业发展做出贡献的执念与信心。
        （8）板书设计
        板书应与课程内容紧密相关、互为补充，与多媒体相配合而不是简单重复，以关键词的形式明确课程主要内容，反映的是知识点间的内在逻辑关系，让学生对课程成果一目了然，印象深刻。板书字体应工整美观，重点内容可用不同颜色、不同符号标示。板书设计如图2所示。

        （9）其他
        此外，教学设计还应考虑到以下方面：教师口头表达应清晰、流畅、准确、生动，语速节奏恰当，感染力强；使用普通话；肢体语言丰富且运用恰当，教态自然大方；仪表自然得体，精神饱满，亲和力强，等等。
        3.结语
        本文围绕机械原理课程课堂教学实施办法进行了一系列改进和创新设计，核心是落实“立德树人”的根本教育任务，注重理论联系实际，坚持以学生为中心的教育理念，着重加强学生解决实际工程问题的能力和创新能力的提高，服务于“新工科”建设对新时代创新工程人才培养的要求，改革后的课堂教学焕然一新，得到了良好的教学效果，这也对机械专业相关课程的教学改革具有较好的借鉴作用。
参考文献
[1] 陆国栋. “新工科”建设的五个突破与初步探索[J]. 中国大学教学，2017(5):38-41.
[2] 胡瑞年，刘璞. 新时期高校“新工科”建设及发展路径研究[J]. 决策与信息，2019(1):111-122.
[3] 葛文杰. 牢记使命创建新时代“一流课程”——基于机械原理课程的改革与建设实践[J]. 西北工业大学学报（社会科学版）, 2018, 1: 40-44.
[4] 孙恒, 陈作模, 葛文杰. 机械原理（第八版）[M], 北京: 高等教育出版社, 2013.
[5] 王超，徐学忠，胡朝斌. 工程教育专业认证背景下“N+1”考核的《机械原理课程设计》教学改革实践[J]. 当代教育实践与教学研究，2020(8):178-179.
[6] 王迎佳，秦东晨，郭飞. 机械原理课程线上教学探索与实践[J]. 管理工程师，2020(5):75-80.
基金项目：河南省高等教育教学改革研究与实践重点项目（编号：2017SJGLX010）；河南省高等教育教学改革研究与实践项目（编号：2019SJGLX291）；2018年校级精品在线课程建设项目。
作者简介：
王迎佳（1980- ），女，河南省郑州市，华北水利水电大学机械学院讲师，工学博士，研究方向：机械设计，润滑理论
秦东晨（1965- ），男，河南省温县，郑州大学机械与动力工程学院教授，工学博士，研究方向：机械工程
郭飞（1977- ），女，黑龙江齐齐哈尔市，华北水利水电大学机械学院副教授，工学硕士，研究方向：机械设计