基于新工科的机械原理教学内容改革与思考

发布时间：2021-03-24

　　[摘　要]以新工科建设和更好地支持地方经济发展为背景，以培养应用型人才为出发点，围绕“以学生为中心”的工程教育理念，对机械原理课程教学内容进行了探讨，引入QFD理论，以培养学生创新设计和综合运用知识的工程素质。理论力学是机械原理的先修课，怎样将二者有机结合，合理地选择理论力学的教学内容，才能既节省教学资源又便于学生理解，文章从四个方面分析，提出了自己的一些看法。

　　[关键词]新工科;QFD;机械原理

　　一、引言

　　2019中国“制造之美”年度评选颁奖典礼暨高峰论坛上，专家表示目前中国制造的内部优势一是基础建设，国内拥有相当完善的产能和配套;二是庞大的市场。相对来讲，劣势是品牌力，很少中国品牌能在全球市场赢得强大的影响力或者认知度。中国制造需要培养大批量的产品经理，让产品经理切入进来，把中国制造的产品价值推送出去，而不仅仅是一个低价竞争的困局。这个机会在产品经理的身上才能得到。如何培养适合市场需要的人才，需要高校在课程设计上进行有效的改革。

　　二、课程地位

　　机械原理这门课能初步熟悉机电产品开发过程，理解基本机构等设计选型知识，通过项目制作实现机电产品涉及的机械原理、驱动传感、能源动力等设计知识的运用，积累机电产品设计的基本经验，培养学生机电产品方案创新设计能力。

　　机械原理与理论力学属于技术基础课程，理论力学是机械原理的先修课程。机械原理是将理论力学的有关原理应用于实际机械，有自己的理论体系。但在学习机械原理课程的相关内容时，用理论力学描述机械的运动及动力占相当的比例，其中有些机构力学模型在理论力学中已有阐述，但也有些没有涉及。由于两门课程的教师沟通很少，对彼此的教学内容了解不多，在理论力学课程讲过的内容在机械原理又重复一遍，造成教学资源的浪费。而有些在理论力学没有讲过的机构模型，在机械原理课上又没有作为重点讲解，给学生的理解带来困难。

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　　机械原理课程的教学，借鉴了清华大学等知名高校的教学思路，在不断改进课堂教学方法、更新教学内容的同时，更加注重在实践教学环节中对学生的创新能力、团队合作精神以及综合素质的培养。鼓励学生大胆尝试、勇于创新，取得了明显的教学效果。

　　(一)加入部分QFD理论

　　QFD方法是一种以顾客需求为驱动的产品设计开发方法。我们将QFD理论讲授后设计一个项目，把每6名学生分为一个小组，然后让学生按该方法去建立质量功能展开屋，将用户的需求转换为质量特性、产品构型、设计参数、技术特性及制造参数，使同学们分清产品层面、制造过程层面和控制方法层面的问题。例如，选取老年人用智能冰箱案例。同学们首先对老年人生理、心理等方面的需求进行精准定位。根据对相关冰箱卖家的走访，对冰箱外观语义和冰箱的颜色材料语义进行设计，其功能模块不宜复杂，界面的交互行为需符合老年人的操作习惯，文字图标语义应清晰易懂及交互有必要的反馈。技术支持包括物联网、射频识别(RFID)以及智能语音。同学们对分类需求进行筛选，通过“两两比较法”分析老年人需求之间的相关关系，得到了老人用智能冰箱质量屋。通过该案例的探讨，课内师生交流的程度、学生在课内的发言和课外准备的程度、学生对于自己探索知识的学习方式的感受和以往有很大变化，知识掌握程度不再是唯一重要的。

　　(二)在兼顾机械原理课程的同时要保持力学知识体系完整及特点

　　由于机械原理在运用力学理论阐述机构的原理时，往往直接运用力学推导的结论，不重视求解过程，因此，有些力学掌握不好的学生不能够很好地理解，也就是对机构的基本原理理解不透彻，会给以后机械机构设计带来困难;因此，对于两种学科共有的例题，在力学中应该用力学理论阐述清楚透彻。在分析案例时我们根据学生的实际情况扩展讨论，这样不但有利于学生对机械原理课程的理解，节约教学资源，而且进一步加深了对两门课程的理解。比如在机械原理中讲解机构各点位移、速度、加速度的方法时，讲述的图解法和理论力学有一定的差别，并且作图比较烦琐、精度差，在进行复杂机械分析时尤为困难。随着计算机技术的发展，解析法成为一种更精确、更高效的求解方法。特别是当机构由二维扩展到三维时，相应的运动学矢量方程就变成了空间矢量方程，这时只能使用解析法进行分析。所以机械原理中的运动学分析方法最好和理论力学中的对应内容保持一致。在机构运动分析的过程中，可以把图解法、解析法等知识一并纳入教学，让学生对同一内容有更深刻全面的认识，从而增强学生独立分析问题的能力。

　　(三)机械原理对机械类力学课程教改的启示

　　机械原理课程主要教学目的是研究机构的组成原理及各种常用机构类型、运动、作用力、功能及设计。由于课时限制，不可能把所有机构的力学原理讲述，只能是定性的分析，这就给力学课程提出新的任务。

　　1.怎样使力学例题更接近实际，使学生更感兴趣。力学教师应该以实际问题为研究对象，使抽象的力学模型具体化，增加学生对力学的兴趣。增加机构的力学分析可以使学生对机械原理的机构有更深刻的认识、更透彻的理解，节省教时和难度，使课程在本课程的框架内有更大的扩展。例如在力学课程中应该增加的如图1所示的搅拌机构例题。

　　2.利用机械原理的实体模型和设计思想，提高学生对力学知识的理解应用。力学课程应加强与其他学科的联系，吸取其他学科先进的思想、教学手段与方法。例如，在讲解典型机构的约束时，可以借鉴机械原理课中的三维机构的图形讲解，学生能够很快理解约束的受力分析，也可以把现实的机构实体模型(图2)与理论力学课堂上建立的力学模型进行对比分析。

　　3.把现代新的机构介绍给学生并进行力学分析。由于新机构的不断涌现，增加对新机构力学的分析，让学生深刻认识新机构，增强学生的创新能力。如图3所示的波发生器装置是机械原理中的机械结构，构思比较精巧，但在力学多数教材中没有提及，在力学课程中应该把此类机构介绍给学生。

　　(四)教学方法和教学手段的改革创新

　　1.教学方法注重工程背景教育和科学思维、启发创新。教学过程中注意引导学生对所学知识的归纳梳理、举一反三、触类旁通，培养学生科学思维和自主学习能力。

　　在学习机构演化和机构型式设计时，启发学生通过改变构件尺寸、变换构件形态、转换运动副类型、机构倒置构思新机构。如通过将摆动导杆机构中直线导杆变为具有半径等于曲柄长度的圆弧段导杆，可以获得具有停歇特征的导杆机构。进一步将导杆做成轮状并适当布置导槽，可以获得内外槽轮机构。再将槽轮展直，又可以获得主动件连续转动、从动件间歇直移、锁止方式与槽轮机构相同的间歇直移机构。

　　2.教学手段力求形象生动、寓教于乐、引人入胜。充分利用电脑图像动画、工程应用视频、网络媒体资源、学生创新成果等，开发素材资源丰富多彩的CAI课件。

　　3.注重学生所学知识的综合应用。在学习了机械原理课程中的凸轮机构工作原理、从动件运动规律、凸轮廓线设计原理等知识后，组织同学们课外创新设计了如图4所示的“自由组合式典型凸轮廓线绘制仪”。

　　三、结语

　　为了提高教学效果，本次课程建设加入QFD理论并采用项目式教学法，淡化教师传授知识的主导性，强调学生学习的自主性，让学生分组参与进来，对其进行深入研究，加深了学生对QFD的了解，着重培养学生的动手能力及工程意识，达到了培养高素质人才的目的。针对机械原理与理论力学课程部分内容重叠的现象给出了建议，在机械原理的教学方法和教学手段上提出了创新改革方法。——论文作者：张艳平1，2，王继荣1，2，张继忠1，2，戴作强1，孙浩洋1，2，周志梅1