面向卓越工程师培养的机械原理课程改革与创新

李克旺 刘静娜 侯艳军吕惠娟 王 燕 柴晓艳 牛兴华

1.天津理工大学机械工程学院 天津 300191 2.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室 天津 300191

面向卓越工程师培养的机械原理课程改革与创新

李克旺1，2刘静娜1，2侯艳军1，2吕惠娟1，2王 燕1，2柴晓艳1，2牛兴华1，2

1.天津理工大学机械工程学院 天津 300191 2.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室 天津 300191

为配合卓越工程师教育培养计划的实施培养卓越机械工程师，以强化工程实践能力、创新能力为核心，对机械原理课程的教学体系、工程实践体系及课外训练体系等方面进行了改革实践，探讨如何建立适应于卓越工程师培养的培养模式。

卓越工程师；工程实践；创新能力

1 卓越工程师培养目标对教学的要求

卓越工程师教育培养计划（简称“卓越计划”）旨在培养和造就一大批创新能力强的卓越工程技术人才，为人才强国战略的实施和建设创新型国家服务，对提升高等教育质量，面向社会和市场需求培养人才，具有十分重要的示范意义。［1］

受传统观念及经费投入等方面的影响，工科教育在培养人才的工程能力、实践能力方面较薄弱。具有国际视野的行业领军人才、研发型高端人才和国际认可的高级工程技术人才是卓越工程师人才培养的目标。［2］卓越工程师的核心是创新能力。加强实践能力和创新型人才的培养，是满足知识经济时代社会对人才的迫切需求。面向卓越工程师培养计划的教学，在培养学生熟练掌握专业基础理论知识的基础上，要更加注重培养学生的实践应用能力和创新能力。［3］

2 机械原理教学现状

机械原理是机械类学生重要的技术基础课程。是一门与生产实际紧密相连的设计性、实践性很强的课程，更是学生学习机械设计创新思想与方法的重要阶段。

但是现有的机械原理课程教学存在一些亟待解决的问题。教师仍然是教学的主体，填鸭式的教学使学生只是被动的参与者。现有课程内容体系建立在知识的系统性和完整性之上，传统的教学理念没有被摆脱。教材的内容创新性不够，没有体现对学生“能力”培养这个主线的要求。在课程内容及知识点的编排上缺乏与生产实际相结合。教师使用先进教学手段充实自己的教学活动不足，传授更多新知识受到约束，在课程教学中只是理论知识的简单讲解，忽视案例教学，没有结合工程实际进行教学。

3 机械原理课程教学改革实践

3.1 课程改革思路

课程建设以卓越工程师培养为目标，增加学生的科技创新能力及其实践动手能力。结合课程实践教学环节及科技创新项目，激发学生创新兴趣，引导学生积极参加创新实践。认真细致规划机械原理课程教学改革的课程建设体系。机械原理课程教学体系主要分理论教学和实践教学两大模块。理论教学模块主要以机构设计为主线，此过程主要侧重于在传授知识的同时，培养学生的创新意识和创新思维方式。实践教学模块主要包括实验教学、课程设计以及课外科技创新活动三部分，它们主要侧重于训练和提高学生的创新能力、工程实践能力。

3.2 理论教学内容和方法改革

教学内容改革，教材改革是核心。为适应教学改革的需要机械原理教材进行了不断完善，但还没有打破传统的体系和内容，注重于机械分析内容、图解法内容和单个机构（不是机械系统）的介绍。缺乏进行机构综合、机械系统运动方案设计等综合能力的训练，培养出的学生机构创新能力不足。根据教学改革的需要，我们对教材进行了论证，机械原理课程教材选用更强调新理论、新方法应用的面向21世纪新教材，为进行教学内容的改革构建了新的平台。［4］

我们在课程的理论教学中，把机构的工程应用实例融入教学，增加了学生的学习兴趣，提高学生的创新意识。机构运动简图是对机构进行结构分析、运动分析、力分析和设计的基础，因其组成元素描述的抽象化和理论化，加上学生又缺乏对实际机械应用的认识，导致理论知识与实际应用联系不起来，影响了教学效果。由于这门课具有较强的机械学科基础理论性和实践性，在组织教学内容时，除加强对机构理论知识及其应用特点介绍外，更注重结合实际工程运用案例讲解机构。在授课过程中，针对课程中的重点和难点，教师设计一些讨论题，充分发挥学生的主观能动性，引导学生对问题进行探究，在讨论中发现问题、解决问题，牢固掌握机构设计中的一些基本原理。在课下针对实践性较强的知识点，教师设计具有工程背景的作业，调动学生的学习积极性。

教学内容改革重点突出能力培养。教师在教学过程中通过激发学生的创新意识，营造创新环境，培养其创新思维、方法、技能。同时教师可通过淡化分析，强调综合，加强学生对机械系统的综合训练，加强用解析法进行机构分析、设计内容的教学，掌握用计算机处理机构设计与分析问题的算法与思路。教学内容改革实现了3个转变。

（1）由手工设计计算向用计算机编程计算转变，强化了计算机应用能力。

（2）由图解法向解析法的转变，充分利用现代计算机技术，提高设计效率与质量。

（3）由注重机构分析向注重综合转变，加强学生在机构运动方案设计与创新能力的培养，提高解决实际问题的能力。

结合具体章节的内容，教师注意处理好图解法与解析法的关系，适当保留机构学经典的图解法内容，以培养学生空间思维和形象思维能力，加深对基本原理和基本概念的理解，为推导解析法公式创造条件。教师编制用于机构运动分析、动力分析和机构设计的标准子程序集和使用说明，学生编写设计的主程序，通过参数化的设计可以高效获得多种设计方案，进行各种设计方案优化比较，探索了寻求最优设计方案的方法，增强其自身的设计兴趣，以及设计能力和创新精神。

改革教学方法与手段，注重创新能力的培养。在教学学时被压缩、教学内容不断更新完善的情况下，教学方法和手段就显得格外重要。为了充分利用现代教学手段所具有的教学信息量大，教学效率高和教学效果好的特点，我们开发了用于CAI教学的“素材库”，它包含有大量的工程机械应用场景录像和开发的三维机械结构模拟仿真，构成了一套较完整的多媒体CAI教学系统，为课程提供信息资源支撑。帮助学生透彻地了解所研究的机构在实践中的具体应用情况，增强学生学习的兴趣，拓宽了知识面，从而提高创新设计能力。

3.3 实践教学环节的改革

按照理论学习与实践教学相结合，以培养工程实践能力和创新精神为主线，构建满足卓越工程师知识、能力和素质要求的实践教学体系。课程实践教学环节主要有：课程设计模块、实验教学模块和大学生课外创新实践活动模块。为提高学生的创新能力、工程实践能力，积极推进实践教学内容和教学环节的改革，形成具有产学特色的实践教学培养模式。

整合课程设计，培养创新精神和实践能力。课程设计是培养学生创新实践能力的重要实践教学环节。长期以来，题目单一，且只是对现有机构进行运动分析和力分析，缺乏机械系统运动方案的综合与设计，不利于培养学生综合设计能力和创新能力。为此，我们对机械原理和机械设计两门课的课程设计题目进行了研讨，打破了过去题目各自独立的状态，整合后统一了设计题目，选题目均来自实际应用的工程机械，根据两门课的教学内容和要求，分阶段进行。学生完成从原理方案设计到结构方案设计的全过程，设计过程中不给学生过多约束，教师分阶段引导，充分调动学生的积极性，激发学生创新灵感。由于选题结合工程实际和专业特点，学生兴趣浓，主动投入的时间加大，对遇到的问题独立分析和解决的能力提高。学生能自主进行文献的检索，实际调研、方案论证、方案综合分析与评价等，使学生创新精神和综合能力的培养得到了提高 。［3］

改革实验教学内容，立足机械工程类学生综合能力的培养。卓越工程师实践教学体系的设计重视实践教学内容和体系的建设，重视发挥实践教学在培养学生综合能力方面的作用。为此我们将实验课从原来的理论教学学时中分离出来，实行“单独设课”，大幅度增加了实践环节的学时，课程的理论教学学时由64学时减到48学时，将压缩的16学时补充到这门课程的实践教学环节中，使实验课由原来的8学时增加到24学时。突出了实验教学的地位，使学生有更多的时间接触和认识实际机械，用机械理论来分析和解决机械工程实际中遇到的问题。同时对实验内容也进行了调整，增加了综合性、设计性实验的比例。购置了具有典型工程应用背景的机器（插齿机、刨床、桑塔纳轿车等）和用于机构运动方案设计及创新设计的新的实验设备。

传统的机械原理实验教学指导思想侧重于验证、巩固和加深理解理论教学的内容，学生不能深入理解机械的内涵，接触不到机械工程的实际问题，更谈不上分析和解决实际问题，无法激起学生的学习兴趣。为此，在新的实验教学项目建设中，改变了传统实验教学模式，增加开设设计型、综合型实验，培养学生注重用机械原理的理论和方法来分析和解决机械工程中的实际问题；建设开放型的实验室，将原来固定实验教学时间，改为灵活的形式，给学生提供更多的实验时间，为综合性和创新性实验提供保障。

实验教学将培养学生创新设计能力的教学理念贯穿于实验教学过程。在做“机械测试与分析”实验时，过去只要求学生通过观察把机械中指定的机构简图测绘出即可，而现在我们优选更多的具有工程背景的典型机械（如：桑塔纳轿车等）供学生拆装、测绘，并完成功能、原理和构型的分析及结构表达，提出改进设计构思。在“机械系统运动方案设计实验”中，教师仅提出需要实现的执行构件的运动形式和相应要求，然后学生分组讨论、进行认真分析，画出能实现执行构件运动要求的若干个机械系统运动方案简图，小组对诸多方案进行辩论，提出创新设计的最佳方案，这个过程教师适当引导，做到了学生之间以及教师与学生之间的教学互动。然后学生根据提供的各种模块化组件和工具，把创新设计方案模型化、实物化，以验证方案设计的可靠性，并进行性能测试实验，了解影响机械性能的因素，提出完善设计的措施。机械系统运动方案设计也是机械原理课程设计的主要内容，我们将实验教学与课程设计互通后，通过创新设计实验平台学生把课程设计中提出的一些比较复杂的方案可行性进行定量化的分析与评价，从中发现问题，完善原设计。

面向卓越工程师实践教学体系建设的实践，强调实验对象的工程性，面向工程开设实验教学。学生通过接触典型工程机械实例，提高了动手能力，消除了对于创造性设计的神秘感，锻炼了学生分析问题和解决问题的能力，培养了机械系统运动方案的设计与分析的能力。

3.4 大学生课外创新实践活动模块

卓越工程师教育培养计划要求在培养学生工程实践的过程中需要理论与课堂外的生产实践相结合。将机械原理课程实践教学与学生的课外科技创新活动结合起来，调动学生参与的积极性，提高学生创新意识。具体措施有：建立了一个学生课外科技活动实验室，提供有基本的设备，对学生全天开放。鼓励学生参与教师的科研项目，学生在此过程中，能积极主动收集参考文献，参与方案构思和设计，与教师一起解决实际问题，巩固了所学知识的实际应用，掌握了各种研究方法和手段，也锻炼了学生的工程意识和工程能力。鼓励并组织学生参与各个级别的科技创新比赛（如：机械创新设计大赛、“挑战杯”竞赛等），在参赛过程中，唤起了学生迎接挑战、追求突破的热情。创新竞赛活动给予了参与学生不懈的动力，使学生的创新能力、实践能力得到全方位的锻炼。

现就机械工程及自动化专业的12级“卓越班”与12级“普通班”学生机械原理课程各项考核成绩对比（见表1）。由表1可知，卓越班的学生成绩优于普通班很多，我们的教学改革取得了一定成效。

表1 卓越班和普通班学生考核成绩对比

4 结束语

根据卓越工程师培养计划，我们在机械原理课程的教学中进行了若干教学改革的探索，初步建立了比较科学的课程教学体系。这些措施的实施，切实提高了大学生的工程实践能力，培养了学生动手能力和创新能力。面向培养卓越工程师的机械原理课程改革与创新初步取得了卓有成效的成绩。在此基础上，我们将总结所取得的经验，继续进行人才培养模式的综合改革，致力于培养出符合时代要求的创新性的机械工程专业卓越工程师。

［1］ 李德才，王俊.关于培养“卓越工程师”的几点认识［J］.研究生教育研究，2011（3）：53-57.

［2］ 张鸿雁.卓越工程师教育培养计划下的高校图书馆创新服务［J］.中国西部科技，2013，12（10）：123-125.

［3］ 李延斌，高有华.面向培养卓越工程师的机械设计基础课程改革［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：231-233.

［4］ 李克旺，滕献银，郑清春.基于培养创新能力的机械设计系列课程改革［J］.太原理工大学学报：社会科学版，2008（S）：64-66.

Reform and Innovation on the Course of Theory of Machines and Mechanisms Facing Remarkable

Engineer Project
Li Kewang1，2， Liu Jingna1，2， Hou Yanjun1，2， Lv Huijuan1，2， Wang Yan1，2， Chai Xiaoyan1，2， Niu Xinghua1，21. School of Mechanical Engineering， Tianjin University of Technology， Tianjin， 300191， China 2. Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System， Tianjin， 300191， China

In order to carry out the Excellent Engineer Training Program and achieve the objective of training excellent engineer， the reform practice for the course of theory of machines and mechanisms， including the teaching system， engineering practice and the extracurricular training system， has been carried out with the core to strengthen the engineering practice ability and the innovation ability. Besides， how to establish the training mode adapted to the excellent engineer training has been discussed.

excellent engineer； engineering practice； innovation capacity

2015-05-20

李克旺，本科，副教授。通讯作者：刘静娜，博士，讲师。

天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究重点项目（编号：B01-0802）。