劉 佳，劉紅寧，楊 蓓

（石家莊學(xué)院 機電學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

培養(yǎng)具有扎實專業(yè)基礎(chǔ)、實踐應(yīng)用能力強、創(chuàng)新意識好、良好團隊協(xié)作能力、綜合素質(zhì)高的多元化、創(chuàng)新型工程人才是我國工程教育的改革方向.機械原理是高等學(xué)校機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)普遍開設(shè)的一門集基礎(chǔ)性、工程性、實踐性、創(chuàng)新性于一體的核心技術(shù)基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)機械類人才的創(chuàng)新能力、設(shè)計能力和應(yīng)用能力等專業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)的過程中起著不可或缺的重要作用.

立足應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的實際需求，傳統(tǒng)的機械原理教學(xué)模式存在以下三方面問題：1）課程大綱的整體設(shè)計存在矛盾或定位模糊，“應(yīng)用型本科”和“本科職業(yè)教育”的概念定位不清[1]，使得課程大綱的整體設(shè)計在傳統(tǒng)的本科層次側(cè)重理論和職專層次側(cè)重實踐兩個方面搖擺不定.2）缺乏有效支撐理論內(nèi)容的實驗體系，當前，大多數(shù)高校的機械原理實驗仍是以傳統(tǒng)的驗證性實驗為主，學(xué)生學(xué)完課程后很難形成屬于自己的知識架構(gòu).3）教學(xué)評價手段旨趣彰顯不足，多元評價體系踐行不力，傳統(tǒng)的理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式對于教學(xué)質(zhì)量并未形成公平客觀的評價體系.在實際教學(xué)過程中，以做題為主的考核方式依然在評價體系中占據(jù)較高比重，而創(chuàng)新、設(shè)計等反映學(xué)生綜合素養(yǎng)能力的方式并未得到有效體現(xiàn).

國內(nèi)外許多高校和研究機構(gòu)對此做了大量的探索和實踐工作.在國外，對于工程教育改革，世界各國提出了多種教學(xué)模式.其中，代表性的有：麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院的CDIO模式[2]（以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，建立相互支撐和有機聯(lián)系的課程體系）、美國學(xué)者Spady[3]提出的OBE工程教育模式（基于成果導(dǎo)向的教學(xué)模式）、丹麥奧爾堡大學(xué)提出的PBL教學(xué)模式[4]（基于項目的教學(xué)模式）等.在國內(nèi)，宋娓娓等[5]、田桂中等[6]、王硯軍等[7]基于CDIO教學(xué)模式對機械原理課程及考核方式進行了改革探索；王廷劍等[8]基于OBE教學(xué)模式反向設(shè)計了機械原理課程的教學(xué)內(nèi)容，并開展第二課堂教學(xué)，以多元化的考核方式評價學(xué)習(xí)產(chǎn)出；余軍合等[9]基于OBE教學(xué)模式從模型構(gòu)建、運動分析和優(yōu)化設(shè)計三個層次設(shè)置實驗項目，以培養(yǎng)學(xué)生機構(gòu)運動方案分析的能力；陳殿生等[10]提出了“PBL&CBL”（基于項目和競爭的教學(xué)模式）教學(xué)模式，并將其應(yīng)用到了機電一體化[11,12]課程.

但是這些探索與研究工作存在以下三方面的缺憾：1）以項目為主線，結(jié)果為導(dǎo)向的教學(xué)模式容易破壞理論知識的整體性和內(nèi)在邏輯關(guān)系，這也是在國外前述3種代表性教學(xué)模式少見應(yīng)用于機械原理課程的根本原因.2）構(gòu)建能夠?qū)C械原理的主要理論知識有機融合的實驗項目并非易事，眾所周知，一個完整的機械系統(tǒng)，除了機械本體的方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計之外，還包括電控系統(tǒng)的設(shè)計，那么一些學(xué)生可能會因為基礎(chǔ)知識的薄弱而削弱其作為學(xué)習(xí)主體的積極性，最終盡管完成預(yù)定的各項任務(wù)，卻喪失了學(xué)習(xí)熱情.3）前述3種代表性教學(xué)模式均需要優(yōu)質(zhì)的師資與團隊支撐、持續(xù)充足的教學(xué)資源和經(jīng)費投入以及小班化教學(xué).

1 STEP教學(xué)模式的內(nèi)涵

STEP 是軟件（Software）、理論（Theory）、實驗（Experiment）和項目（Project）的簡稱，是一種將軟件、理論、實驗和項目相結(jié)合的教學(xué)模式[13].

當今，無論是科學(xué)研究還是產(chǎn)品研發(fā)，都離不開軟件工具的支撐.熟練應(yīng)用各種仿真軟件已經(jīng)成為機械領(lǐng)域從業(yè)人員的重要能力.而與機械原理課程緊密相關(guān)的軟件是ADAMS.傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)ADAMS的形式主要是短期培訓(xùn)和自學(xué)，而把ADAMS貫穿于機械原理的整個教學(xué)環(huán)節(jié)將是一種新的嘗試.

與傳統(tǒng)的項目式教學(xué)模式相比，STEP教學(xué)模式具有以下特點：

1）STEP教學(xué)模式包含了項目式教學(xué)，但并不是純粹的項目式教學(xué)，其項目設(shè)置的目的主要是支撐課程的理論知識.2）STEP教學(xué)模式最大程度保證了機械原理課程的整體性和內(nèi)在邏輯關(guān)系.3）STEP教學(xué)模式的組織形式更為靈活，對于師資力量有限、教學(xué)資源匱乏、經(jīng)費投入不足的普通高校的機械原理課程建設(shè)，是一種值得探索的具有建設(shè)性的教學(xué)模式.

2 STEP教學(xué)模式下的機械原理課程教學(xué)實踐

2.1 構(gòu)建設(shè)計與分析并重的教學(xué)課程體系

機械原理的主要內(nèi)容為兩大部分：1）機構(gòu)的共性問題：機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，運動學(xué)、動力學(xué)分析；2）三大機構(gòu)（平面四桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)）的結(jié)構(gòu)特點、運動特性及設(shè)計方法.傳統(tǒng)授課方式的缺點是分析重于設(shè)計，即教學(xué)內(nèi)容主要以理論分析為主，這樣就會導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)完本課程后仍不清楚機械原理在整個課程體系中的地位，不清楚在實際工程實際中的應(yīng)用價值.因此，在對課程內(nèi)容中的理論分析部分做了有限度壓縮的基礎(chǔ)上，增加了對具有實際工程背景的案例分析，構(gòu)建了設(shè)計與分析并重的教學(xué)課程體系.例如：在“凸輪機構(gòu)”這一部分內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容主要包括凸輪機構(gòu)的基本概念、從動件常用運動規(guī)律、凸輪廓線的設(shè)計、基本尺寸的確定，但這些內(nèi)容主要以理論分析為主，為此，在課程內(nèi)容中以“自動拾球凸輪機械手”為例，將課程的基本內(nèi)容融入到案例的設(shè)計過程中，將傳統(tǒng)的理論分析轉(zhuǎn)化為設(shè)計實現(xiàn).

需要說明的是：這并不同于CDIO、OBE、PBL等以項目統(tǒng)領(lǐng)整門課程的教學(xué)模式.其主要區(qū)別在于：STEP教學(xué)模式下所選擇的“項目”，僅僅是為了支撐某一章節(jié)的理論內(nèi)容，有效保證了機械原理課程的整體性和邏輯性.如前所述的“自動拾球凸輪機械手”，其主要目的是支撐凸輪機構(gòu)這一章的理論知識，而課程進行到“齒輪機構(gòu)”時，又會有新的工程案例予以支撐.

2.2 創(chuàng)建以ADAMS貫穿始終的綜合性、多層次實驗教學(xué)體系

目前，機械原理開設(shè)的實驗主要包括：機構(gòu)運動簡圖測繪、機構(gòu)創(chuàng)意組合分析、機構(gòu)運動參數(shù)測定和分析、齒輪范成實驗.這些傳統(tǒng)的實驗項目主要是驗證性的實驗項目.以齒輪范成實驗為例，學(xué)生利用齒輪范成儀完成標準齒輪與變位齒輪的對比實驗后，除了驗證教材上的理論知識外，對于如何將齒輪傳動應(yīng)用到實際工程項目并無實際推動作用.因此，配合理論教學(xué)中的教學(xué)案例，在保持已有實驗項目的基礎(chǔ)上，對實驗教學(xué)體系做了以下調(diào)整：

1）將課堂中的實際教學(xué)案例與已有的實驗項目相結(jié)合，要求學(xué)生以大作業(yè)的形式提交實驗報告，并將ADAMS仿真貫穿始終，以驗證所提方案的可行性，在邏輯上形成閉環(huán).例如：在“基于ADAMS的牛頭刨床運動學(xué)分析”的實驗中，通過給定兩種不同的牛頭刨床機構(gòu)，讓學(xué)生定性分析輸出構(gòu)件的位移、速度、加速度的變化規(guī)律，基于ADAMS仿真獲取輸出構(gòu)件的位移、速度、加速度的變化曲線，并基于曲線變化情況分析兩種牛頭刨床機構(gòu)的優(yōu)劣.在這個實驗中，綜合融入了傳統(tǒng)的機構(gòu)運動簡圖測繪、機構(gòu)創(chuàng)意組合分析、機構(gòu)運動參數(shù)測定和分析3個實驗，并將ADAMS仿真貫穿始終，使原有的驗證性實驗變成了設(shè)計性實驗.

2）在課程設(shè)計階段，將學(xué)生分成每組3～4人的小組，讓學(xué)生以小組的形式在課設(shè)指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下開展課程設(shè)計.與傳統(tǒng)的機械原理課程設(shè)計不同的是：STEP教學(xué)模式下的課程設(shè)計需要學(xué)生最終加工出實際樣機模型.以“抓持機械手的設(shè)計”為例，每個小組的學(xué)生分別負責(zé)方案設(shè)計、ADAMS仿真、撰寫設(shè)計說明書、制作加工.

2.3 制定公平客觀的多元評價體系

當前，大多數(shù)高校機械原理的考核方式主要是以理論考試和實驗成績分別乘以不同系數(shù)加和而成.這種評價體系盡管易于操作，但展示出的是學(xué)生的應(yīng)試能力而非實際應(yīng)用能力.基于此，在保留理論考試的前提下，降低其在成績中的占比（50%），將實驗考核形式按實驗評估（30%）和實驗講述（20%）兩個方面展開評價.在實驗評估部分，將課程大作業(yè)按照方案設(shè)計（10%）、ADAMS仿真（10%）、撰寫設(shè)計說明書（10%）三個方面進行評定.在實驗講述部分，每個小組選一名同學(xué)對本次實驗做總結(jié)陳述，不足之處由小組內(nèi)其他同學(xué)作補充，與所有學(xué)生分享實驗的經(jīng)驗與教訓(xùn).任課教師對每組進行點評、總結(jié).綜合評定三部分成績，最后確定每個人的成績.

實驗報告以及課堂展示的結(jié)果表明，兩種考核方式有效地鍛煉了學(xué)生的書面和語言的邏輯表達能力，對本學(xué)期的課程做了全方位的總結(jié)，并在課堂展示的過程中通過學(xué)生演講和教師提問的互動方式查漏補缺，充分體現(xiàn)了彈性教學(xué)模式“讓每個學(xué)生有收獲，使更多學(xué)生有創(chuàng)新”的教育理念.

3 教學(xué)方法評估

為了調(diào)查學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲情況以及學(xué)生對本課程的反饋意見.課程結(jié)束后，對2016年（傳統(tǒng)教學(xué)模式）和2017年（STEP教學(xué)模式）學(xué)習(xí)本課程的學(xué)生進行了對比.

在理論考試方面，STEP教學(xué)模式下的班級成績優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)模式的班級，不及格率由2016級的61.22%降至2017級的39.53%，下降幅度為21.69%，這表明新的教學(xué)模式顯著提高了學(xué)生對知識的掌握能力.

在實驗大作業(yè)部分，以齒輪傳動部分“爬壁機器人腿部機構(gòu)設(shè)計”為例，其中有3個小組分別提出了利用齒輪齒條的運動方案，有1組提出了非完整齒輪齒條的運動方案，有1組提出了齒輪傳動與曲柄滑塊相結(jié)合的運動方案，有1組提出了切比雪夫四桿機構(gòu)的運動方案.由于每位學(xué)生對知識的掌握和對題目的理解存在差異，因此并非每一名學(xué)生均提出了屬于自己的設(shè)計方案，每組有1名同學(xué)提出運動方案并做最后的實驗講述，其他2名同學(xué)分別負責(zé)ADAMS仿真和撰寫設(shè)計說明書，并在此過程中進一步加強學(xué)習(xí).

4 結(jié)論

從當今社會對具有機械專業(yè)背景的復(fù)合型技能人才需求以及應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的實際需求出發(fā)，結(jié)合機械原理課程實踐性較強的特點，基于STEP教學(xué)模式對機械原理課程進行了探索與實踐.經(jīng)過一學(xué)期的探索實踐，考核結(jié)果和調(diào)查結(jié)果均表明STEP的教學(xué)模式能夠有效滿足機械原理的教學(xué)需求.

教學(xué)實踐具有以下三方面的特點：

第一，將ADAMS仿真貫穿機械原理課程的始終，為機械專業(yè)其他課程開展面向工程教育的課程改革做了有益的探索.

第二，STEP教學(xué)模式下的項目實踐有效保證了機械原理課程的內(nèi)在邏輯性，克服了傳統(tǒng)項目式教學(xué)對理論知識體系的破壞.也就是說，項目不再是課程的主體，而是對理論知識的支撐.

第三，在保證每個學(xué)生掌握基本理論知識的同時，通過實驗報告與課堂展示相結(jié)合的考核方式，進一步鞏固了學(xué)生對理論知識的掌握，提升了學(xué)生的動手能力、寫作能力和語言表達能力，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情.

盡管如此，未來還有以下兩方面的工作有待改進：第一，從機械專業(yè)的課程主線（機械原理、機械設(shè)計、機械制造、機電一體化）考慮，可以將STEP教學(xué)模式引入設(shè)計類課程群的教學(xué)過程，而不僅僅是局限于機械原理所涉及的項目方案設(shè)計.第二，從項目設(shè)置的角度考慮，可以選擇合適的科研項目將其按照課程的理論主線分解為若干小項目，從而實現(xiàn)理論內(nèi)容與實驗內(nèi)容在知識邏輯性上的雙重統(tǒng)一.