基于双一流建设的机械工程专业机械原理课程教学新思考

    摘? 要 为实现“两个一百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴“中国梦”，国家提出“双一流”建设的重大战略决策。同时，随着时代的发展和科学技术的进步，机械装备的应用范围和智能化都取得极大发展。基于前述原因，进行机械工程专业机械原理课程的教学内容、教学方法等分析，提出契合高校“双一流”建设的机械原理课程教学新思路。

    关键词 双一流;机械工程;机械原理;教学内容;教学方法;机器人;启发式教学;网络资源

    中图分类号：G642.3? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）24-0113-03

    Abstract In order to realize the “Two Centenary Goals” and the “Chinese Dream” of the great rejuvenation of the Chinese nation， the state has put forward the major strategic decision of “double first class” construction. At the same time， with the development of the era and the progress of science and technology， the application range and intelligence of mechanical equipment have been greatly deve-loped. Based on the above reasons， this paper analyzes the teaching content and teaching method of the mechanical principle course of the mechanical engineering major， and puts forward a new teaching idea of the mechanical principle course which is in line with the “double first class” construction of national colleges and universities.

    Key words double first class; mechanical engineering; mechanical principles; teaching con-tent; teaching method; robot; heuristic tea-ching; network resources

    1 引言

    機械工程主要以有关自然科学和技术科学为理论基础，以及结合工程生产实践中的技术经验，用以研究和解决在机械装备开发、设计、制造、安装、运用和维修等过程中的理论和实际问题的应用学科。机械工程专业于1956年在我国正式开设，是国家工学教育一级学科，属于传统的工科专业。该专业培养具备机械设计、制造、机电工程及自动化基础知识与应用能力，能在科研院所、企业、高级技术公司利用计算机辅助设计、制造及技术分析，从事各种机械、机电产品及系统、设备、装置的研究、设计、制造、控制、编程，数控设备的开发、计算机辅助编程，工业机器人及精密机电装置、智能机械、微机械、动力机械等高级技术产品与系统的设计、制造、开发、应用研究，以及从事技术管理的高级工程技术人才[1]。

    机械原理课程是国家一级学科机械工程中机械设计及理论专业、机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业、车辆工程专业等专业的一门专业主干课程。随着社会的发展和科学技术的进步，机械装备的应用范围和智能化都极大推进，特别是机器人机构学的兴起，为机械原理课程的教学提出巨大挑战和新要求[2-3]。

    同时，为实现国家“两个一百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴“中国梦”，2015年8月18日，中央全面深化改革领导小组第15次会议审议通过《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，决定统筹推进建设世界一流大学和一流学科。2017年1月，经国务院同意，教育部、财政部、国家发展改革委联合印发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法（暂行）》。诚然，推动机械工程学科“双一流”建设的实现，离不开组成机械工程专业各门课程的优化建设。因此，针对机械装备发展的新情况和国家新时代对一流大学和一流学科的建设新要求，开展机械工程机械原理课程的教学改革研究，具有重要的现实意义。

    2 教学内容分析

    机械原理课程目前的教学课时量一般为60课时左右（包括课堂授课课时和实验课课时），主要的教学内容包括机构的结构分析、平面机构的运动分析、平面机构的力分析、机械的效率和自锁、机械的平衡、机械的运转及其速度波动的调节、平面连杆机构及其设计、凸轮机构及其设计、齿轮机构及其设计、齿轮系及其设计、其他常用机构以及机械系统的方案设计等内容[4]，大多为历史沿袭的教学内容，鲜有更新。

    随着社会科学技术进步对机械工程发展的极大推动以及人们对工作高效率、生活高质量的更高要求，促进了各式各样、各类型各功能的现代机械装备的大量涌现和机构学研究的突飞猛进，产生众多机械新机构（如柔顺机构、变胞机构等）、新理论（如柔顺机构学、并联机构学等）和分析设计新方法、新手段（如虚拟样机仿真技术等）。例如，机器人作为一种新型的机械装置或设备，在社会生活的各个领域得到广泛应用，机器人机械结构、单元组成以及运动分析、力分析等的基本原理和方法与其他机械系统没有本质区别。同时，机器人作为一种特殊的多样性、自动化或智能化的机械设备，其机械结构形式、零部件组成、运动分析手段、力求解方法等又显著区别于目前《机械原理》教材中介绍的一般平面机械系统，但机械原理课程的教学内容中涉及机器人的内容还较少，这不利于学生对机械工程新装备、新技术、新方法的掌握，也不利于学生工作和科研能力的提升。因此，为了适应社会发展和科学技术研究的需要，有必要对机械工程专业机械原理课程的教学内容和教学方法进行适当调整。

    3 教学措施方法

    基于国家对高校“双一流”建设的要求，并根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020）年》、“卓越工程师教育培养计划”和《中国制造2025》实现制造强国战略目标的主旨精神，契合国家培养创新能力强、适应未来智能技术发展的工程技术人才的现实需要[5]，本文开展机械工程专业机械原理课程的教学措施分析。

    教学内容方面

    1）压缩烦冗章节，删减陈旧内容。机械原理课程是国家一级学科机械工程专业的主干课程，有着悠久的历史沿袭。所以，在诸多《机械原理》教材或授课内容安排上往往会存在一些较为陈旧的内容，或现实机械分析与设计中所舍弃的方法，如凸轮轮廓曲线设计的图解法、机构运动分析的作图法、机构动态精力分析的图解法等，还有平面连杆机构运动分析的瞬心法、平面机构的高副低代等内容。这些内容对于具有高速、高精密等要求的现代机械装备来讲已用处不大，建议在机械原理课程教学时舍弃或简要介绍或安排学生自学即可。

    2）扩展新知识，引入新方法。近年来，社会对机械装备性能的高速度、高精度、高效率以及机械装备分析、设计的高质量、低成本、短周期等都提出新要求，同时，科学技术的进步也为工程技术人員提供了新的数学方法和计算机技术，促进了大量新型机械装备的研发和推广应用。如利用微分几何、旋量代数与李群、李代数等现代数学知识进行机器人机构的创新设计、自由度分析、运动特性研究等;利用三维造型软件Pro/Engineer、SolidWorks或虚拟样机动态仿真软件ADAMS、ANSYS等开展机械装备的设计、运动分析、动态特性仿真等;利用数学软件MATLAB等进行机械装备理论模型的推导、计算、控制设计、信号或图像处理等。还有，诸如并联机构、柔顺机构、可重构/变胞机构、柔性机构、欠驱动/冗余机构等机构学发展新方向新知识，都可以在机械原理课程中适当引入，以促进学生对学科前沿和发展趋势的了解。在机械原理课程的相关教学内容中适当引入前述新知识、新方法，既可以扩展学生的视野，分析问题方法的多样性，也可以激发学生学习的兴趣与主动性，提高解决实际工程问题的技术能力。

    教学方法方面

    1）利用机械装备新实例，激发学生学习兴趣。随着科学技术的进步，高智能化的机械装备（如嫦娥登月车）逐渐被人们所熟知和关注，充分利用新型机械装备实例的新奇性，对激发学生学习的积极主动性和探知欲大有裨益。如机器人在工业制造、资源开发、环境监测、救灾排险、医疗服务、家庭娱乐、军事国防和航天航空等领域都得到广泛应用，这些机器人实例为机械原理课程的教学提供了丰富的新素材。授课教师可以根据课堂授课的具体内容，选择能激发学生学习主动性和兴趣的机器人实例，包括机器人录像、三维模型和图片等[6]，进行机械原理教学内容的实例分析，通过理论知识与机器人实例相结合的方式激发学生学习兴趣，提升教学效率。如在讲授机构自由度计算时，可以引入焊接机器人以及人体手、臂、腿、腰等自由度的计算进行教学内容的阐述分析。

    2）采用启发式教学，引导学生主动学习。启发式教学是一种创设问题情境、启发学生思维，培养学生学习能力的教学方法，易于为课堂营造良好的学习探讨氛围和师生互动关系[7]。教师可以结合日常生活中常见机械小问题，进行相关机械原理课程内容的教学，对学生来说既容易理解和接受，又可以极大地提升他们的学习主观能动性，从而收到良好的教学效果。如通过给出脚踏缝纫机为什么会卡死、摇头风扇如何实现摇头、雨伞如何实现收放等问题，启发学生思考、分析、探讨，再通过教师的引导、解析等，促使学生主动获取平面四杆机构及其特性的新知识，对提升教学质量大有帮助。

    3）利用网络资源，广汲知识营养。信息互联网技术的发展正极大地改变人们社会生活的各个方面。师生可以通过互联网获得国内外著名高校推出的机械原理开放课程或国家精品课程的学习视频或资料，巩固或强化对机械原理知识的理解;也可以通过互联网及时了解机械工程学科发展的最新科研信息和前沿技术成果，激发对未知知识的探索欲。因此，利用网络资源不但可以很好地促进机械原理课程教学质量的极大提升，而且可以开阔师生的学科视野，提升学生探索新知识的兴趣与积极性。

    4 结语

    针对国家提出的“双一流”建设重大战略决策，进行机械工程专业机械原理课程教学内容和教学方法等问题的分析，提出一些具体教学措施，以促进国内机械工程专业机械原理课程教学效果的改善和课程教改的深入研究。

    参考文献

    [1]机械工程专业[DB/OL].https：//baike.baidu.com/item/机械工程专业.

    [2]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].8版.北京：高等教育出版社，2013.

    [3]刘琼，朱雅光，惠记庄，等.“互联网+”机械原理课程教学模式改革的研究[J].教育教学论坛，2018（19）：102-104.

    [4]王玉珏.我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究[D].兰州：兰州大学，2013.

    [5]刘善增，李艾民，冯世哲，等.增强机械类基础课程教学效果方法探讨[J].中国教育技术装备，2017（4）：83-85.

    [6]刘善增，冯世哲，付顺玲，等.机械类基础课程师生共进式有效教学策略分析[J].中国教育技术装备，2017（20）：100-102.

    [7]刘善增.基于机器人发展和应用的机器人技术课程教学探讨[J].中国教育技术装备，2019（4）：102-103，108.