劉建波 趙曉山 楊 磊 李書(shū)環(huán) 劉玉樂(lè) 宋 欣

(天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院， 天津 300392)

為了主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略，滿足產(chǎn)業(yè)需求，教育部推出新工科建設(shè)項(xiàng)目[1]。新工科的基本內(nèi)涵是以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[2]。新工科建設(shè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)國(guó)家急需的高素質(zhì)工程應(yīng)用人才，這就要求高校不僅要設(shè)置符合國(guó)家與時(shí)代需求的新工科課程，更要改造升級(jí)傳統(tǒng)工科課程，使其融入新工科建設(shè)的理念，助推教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)[3]。

機(jī)械原理是機(jī)械類專業(yè)開(kāi)設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)性課程，主要研究機(jī)構(gòu)的組成原理，在工科系列課程體系中有著十分重要的地位，承擔(dān)著幫助學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要任務(wù)[4]。按照工程認(rèn)證最新要求，學(xué)生要能夠利用機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)對(duì)機(jī)械領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)性建模與分析，具備解決機(jī)械工程領(lǐng)域復(fù)雜問(wèn)題的能力。機(jī)械原理課程由于其理論性較強(qiáng)，在教學(xué)過(guò)程中存在教師難以清晰講解教學(xué)重點(diǎn)與教學(xué)難點(diǎn)的問(wèn)題，而學(xué)生存在對(duì)課程內(nèi)容難以消化吸收的痛點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，教師雖然能夠采用多媒體技術(shù)展示平面結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但并不能真實(shí)反映各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，學(xué)生難以理解機(jī)構(gòu)組成原理[5]。而且在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析方面，傳統(tǒng)課程教學(xué)多采用解析法對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，其繁瑣的解析步驟令許多學(xué)生望而生畏[6]，課程整體講授效果較差。機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，簡(jiǎn)稱ADAMS)是一個(gè)專門用于機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的軟件，可以將機(jī)械原理課程中一些常用機(jī)構(gòu)，如平面四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，彌補(bǔ)學(xué)生實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足帶來(lái)的問(wèn)題[4]。目前，該軟件已經(jīng)在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、本科生課外實(shí)驗(yàn)技能項(xiàng)目以及學(xué)科競(jìng)賽等課外實(shí)踐環(huán)節(jié)得到廣泛應(yīng)用[7]，ADAMS也作為一門專業(yè)課面向機(jī)械類專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)。

針對(duì)機(jī)械原理課程理論性強(qiáng)的特點(diǎn)以及ADAMS課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，筆者將兩者進(jìn)行融合，利用ADAMS軟件構(gòu)建機(jī)械原理核心機(jī)構(gòu)虛擬模型并進(jìn)行力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)的仿真，有效解決了傳統(tǒng)機(jī)械原理教學(xué)中存在的核心機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理難以清晰表達(dá)、學(xué)生難以理解、過(guò)程求解繁瑣的痛點(diǎn)，提高了課堂授課效果，為后續(xù)機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、機(jī)械原理與ADAMS課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

1. 機(jī)械原理課程傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

機(jī)械原理課程在機(jī)械類專業(yè)課程體系中具有承前啟后的重要作用，前面需要用到高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、機(jī)械制圖等選修課程的知識(shí)，同時(shí)還需要為后期機(jī)械設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，提高機(jī)械原理授課質(zhì)量對(duì)于新工科建設(shè)具有重要意義。當(dāng)前機(jī)械原理教學(xué)存在以下主要問(wèn)題。

第一，教師仍以傳統(tǒng)講授方式為主，學(xué)生參與度不高，課堂氣氛不佳[8]。隨著現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雨課堂、智慧樹(shù)等先進(jìn)教學(xué)手段已經(jīng)引入到機(jī)械原理的教學(xué)過(guò)程中，并在一定程度上活躍了課堂氣氛，但“教師機(jī)械地講、學(xué)生被動(dòng)地聽(tīng)”的教學(xué)模式仍然沒(méi)有根本改變。

第二，課程內(nèi)容理論性較強(qiáng)，學(xué)生知識(shí)掌握程度不夠。當(dāng)前對(duì)機(jī)械原理核心機(jī)構(gòu)的講解仍以平面動(dòng)畫(huà)演示為主，學(xué)生可以了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式，但對(duì)機(jī)構(gòu)的演變過(guò)程缺乏認(rèn)識(shí)，“知其然而不知其所以然”的現(xiàn)象較為普遍。

第三，實(shí)驗(yàn)條件有限，實(shí)踐教學(xué)不足。由于辦學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張，實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新緩慢，機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍以傳統(tǒng)的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)或演示實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生拘泥于固有模式，缺少使用開(kāi)放性思維的機(jī)會(huì)，創(chuàng)新能力不足。此外，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)原理線下教學(xué)開(kāi)展次數(shù)和時(shí)長(zhǎng)均顯不足，不利于學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

第四，傳統(tǒng)圖解法求解過(guò)程繁瑣，難以滿足企業(yè)實(shí)際需求[9]。機(jī)械原理教學(xué)過(guò)程中對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)內(nèi)容的求解仍以傳統(tǒng)的圖解法為主，求解過(guò)程繁瑣、效率低、精度差，所得結(jié)果為靜態(tài)，而且對(duì)于復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題求解困難，難以適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求。

2.ADAMS課程傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

ADAMS軟件是一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具，具有實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，可以幫助學(xué)生方便快捷地進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。當(dāng)前ADAMS教學(xué)過(guò)程主要存在以下問(wèn)題。

第一，機(jī)械原理課程與ADAMS軟件教學(xué)未能有效銜接。利用ADAMS求解機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性之前需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)建模并施加約束，這需要學(xué)生具備一定的機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)。但目前由于課程設(shè)置原因，機(jī)械原理與ADAMS教學(xué)往往未安排在同一學(xué)期，在進(jìn)行ADAMS授課時(shí)學(xué)生對(duì)機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)遺忘較多，不能很好地保證ADAMS教學(xué)順利進(jìn)行，通常需要授課教師重新進(jìn)行機(jī)械原理內(nèi)容的講解，影響授課進(jìn)度。

第二，學(xué)生利用ADAMS對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的能力不足。以往受制于學(xué)生對(duì)機(jī)械原理知識(shí)掌握度的限制，ADAMS教學(xué)過(guò)程多采用簡(jiǎn)單的案例進(jìn)行操作演示，學(xué)生缺少對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)的仿真實(shí)踐練習(xí)，導(dǎo)致多數(shù)學(xué)生只能按照現(xiàn)有操作步驟進(jìn)行機(jī)械式求解，難以自主采用ADAMS軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真分析，學(xué)生求解復(fù)雜工程問(wèn)題的能力不足。

二、教學(xué)改革與實(shí)踐內(nèi)容

1.課程資源建設(shè)

為提升學(xué)生對(duì)機(jī)械原理知識(shí)的掌握程度以及利用ADAMS求解復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，以滿足新工科建設(shè)及工程認(rèn)證對(duì)人才培養(yǎng)的要求，筆者對(duì)機(jī)械原理核心知識(shí)與ADAMS知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了重新梳理與分類，建立了機(jī)械原理與ADAMS的課程融合體系，在2020級(jí)農(nóng)機(jī)專業(yè)中進(jìn)行了教學(xué)試點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 機(jī)械原理與ADAMS課程融合體系

機(jī)械原理課程核心內(nèi)容分為機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析、平面機(jī)構(gòu)的力分析、連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、齒輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、齒輪系及其設(shè)計(jì)以及其他常用機(jī)構(gòu)8個(gè)模塊。教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)機(jī)械原理每個(gè)模塊的特點(diǎn)梳理了ADAMS中與之相對(duì)應(yīng)的具體實(shí)例，并建立了案例庫(kù)。機(jī)械原理理論知識(shí)講授結(jié)束后隨即利用ADAMS進(jìn)行實(shí)例練習(xí)，有效地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，融合了機(jī)械原理課程理論性強(qiáng)、ADAMS實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，使兩者相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)，使學(xué)生能夠在第一時(shí)間將機(jī)械原理所學(xué)理論用于實(shí)踐。同時(shí)，借助ADAMS的建模仿真功能可使同學(xué)們親身感受各核心機(jī)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的影響。如：同學(xué)們通過(guò)改變四桿機(jī)構(gòu)各連桿的長(zhǎng)度參數(shù)，可以直觀地了解四桿機(jī)構(gòu)在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)以及雙曲柄機(jī)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，更深入地了解四桿機(jī)構(gòu)的特性。機(jī)械原理與ADAMS課程融合教學(xué)真正解決了機(jī)械原理中各核心機(jī)構(gòu)“所以然”的問(wèn)題，而不是僅僅讓同學(xué)們了解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提升了學(xué)生對(duì)機(jī)械原理知識(shí)的掌握程度。

2.教學(xué)模式改革

機(jī)械原理與ADAMS課程融合教學(xué)以啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)為指導(dǎo)，注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，同時(shí)融入優(yōu)質(zhì)課程資源與現(xiàn)代智慧教學(xué)手段， 從授課內(nèi)容與教學(xué)手段兩方面提升教學(xué)質(zhì)量。機(jī)械原理與ADAMS課程融合教學(xué)模式如圖2所示。

圖2 機(jī)械原理與ADAMS課程融合教學(xué)模式

機(jī)械原理與ADAMS課程融合教學(xué)采用線上線下相結(jié)合的方式，通過(guò)梳理慕課等優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源建立線上教學(xué)資源庫(kù)，滿足學(xué)生課前預(yù)習(xí)以及課后復(fù)習(xí)的需求。同時(shí)，針對(duì)本節(jié)課講授內(nèi)容提前發(fā)布課前思考，讓同學(xué)們思考授課內(nèi)容在實(shí)際生活中的應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)路徑，帶著問(wèn)題去聽(tīng)課，激發(fā)其自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。課堂授課過(guò)程一方面要注重采用智慧樹(shù)、翻轉(zhuǎn)課堂等智慧教學(xué)手段，活躍課堂氣氛，提高課堂活躍度；另一方面，對(duì)于難以理解或演示的核心知識(shí)點(diǎn)，采用ADAMS進(jìn)行建模仿真，能夠讓同學(xué)們更直觀地了解各機(jī)構(gòu)的連接關(guān)系與運(yùn)動(dòng)方式。如：講授齒輪根切內(nèi)容時(shí)可以讓同學(xué)們自主設(shè)置齒輪參數(shù)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，更加直觀地了解什么是根切現(xiàn)象以及產(chǎn)生根切現(xiàn)象的原因，提高同學(xué)們對(duì)知識(shí)的掌握程度。此外，將ADAMS融入機(jī)械原理授課過(guò)程也提高了同學(xué)們的課堂參與度，從授課內(nèi)容上進(jìn)一步提高了課堂授課效果。機(jī)械原理每個(gè)理論模塊授課結(jié)束后，讓同學(xué)們進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的ADAMS實(shí)例練習(xí)，在掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具的同時(shí)加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的綜合運(yùn)用，使理論第一時(shí)間指導(dǎo)實(shí)踐，提高同學(xué)們的動(dòng)手實(shí)踐能力。課程考核中引入自主設(shè)計(jì)與仿真單元，培養(yǎng)同學(xué)們的發(fā)散性思維。

同時(shí)，圍繞機(jī)械原理與ADAMS課程融合體系探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，推進(jìn)“以課程體系建設(shè)促進(jìn)學(xué)科競(jìng)賽，以學(xué)科競(jìng)賽培養(yǎng)創(chuàng)新人才”的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作及科研能力，以提高大學(xué)生在社會(huì)發(fā)展中的核心競(jìng)爭(zhēng)能力[10]。教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極對(duì)接天津市機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，搭建了校內(nèi)選拔平臺(tái)，同學(xué)們利用ADAMS軟件建立比賽方案虛擬樣機(jī)并進(jìn)行仿真演示，學(xué)院組織專家根據(jù)設(shè)計(jì)方案與仿真演示結(jié)果進(jìn)行評(píng)選，選拔成績(jī)優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)參加天津市機(jī)械創(chuàng)新大賽并給予經(jīng)費(fèi)支持，打通了課程到競(jìng)賽的壁壘，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)機(jī)械原理知識(shí)的綜合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決機(jī)械領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，更好地滿足工程認(rèn)證的要求。通過(guò)課程體系改革，2020級(jí)農(nóng)機(jī)專業(yè)在2022年度所獲批的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目總數(shù)占全院的1/3，獲批數(shù)量較2019級(jí)增加了40%，課程改革效果顯著。

3.考核方式的改革

考核方式是評(píng)價(jià)教學(xué)優(yōu)劣的重要手段。機(jī)械原理課程傳統(tǒng)考核注重出勤、平時(shí)作業(yè)與考試，在實(shí)踐方面重視較少。本次教學(xué)評(píng)價(jià)改革以培養(yǎng)符合新工科建設(shè)要求的高素質(zhì)工程應(yīng)用人才為導(dǎo)向，消除“考試成績(jī)論優(yōu)差”帶來(lái)的高分低能的弊端，加強(qiáng)對(duì)實(shí)踐能力的考核，突出“知識(shí)、能力、素質(zhì)”于一體的綜合評(píng)價(jià)特點(diǎn)[11]。將ADAMS實(shí)踐與綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)融入機(jī)械原理課程的考核之中，采用“理論+實(shí)踐+創(chuàng)新”的考核方式，改革后的成績(jī)構(gòu)成如圖3所示。由平時(shí)成績(jī)、期末考試成績(jī)與ADAMS實(shí)踐操作三部分構(gòu)成，其中平時(shí)成績(jī)占30%，期末成績(jī)占40%，ADAMS實(shí)踐操作占30%。平時(shí)成績(jī)由基礎(chǔ)理論作業(yè)、階段性測(cè)驗(yàn)和課堂實(shí)例練習(xí)三部分組成，三者分別占10%，主要促進(jìn)學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的掌握以及考查學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐的能力。期末成績(jī)采用筆試的形式評(píng)價(jià)，主要考查學(xué)生對(duì)機(jī)械原理理論知識(shí)的掌握程度。ADAMS實(shí)踐操作分為上機(jī)考核與綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)兩部分，其中上機(jī)考核占10%，此部分為客觀題，主要考核學(xué)生利用ADAMS進(jìn)行核心機(jī)構(gòu)建模以及運(yùn)動(dòng)仿真的能力。綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)占20%，此部分為主觀題，讓同學(xué)們結(jié)合機(jī)械原理與ADAMS所學(xué)知識(shí)進(jìn)行自主選題，構(gòu)建機(jī)械裝置模型并進(jìn)行仿真分析。教師根據(jù)學(xué)生所建模型的難易程度及仿真的結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，主要考核學(xué)生利用機(jī)械原理知識(shí)與ADAMS進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維、知識(shí)運(yùn)用能力以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力等。

圖3 機(jī)械原理與ADAMS課程融合教學(xué)考核成績(jī)構(gòu)成

4.持續(xù)跟蹤與改進(jìn)

2020級(jí)農(nóng)機(jī)專業(yè)學(xué)生在下一學(xué)期即將開(kāi)展綜合課程設(shè)計(jì)，在綜合課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)過(guò)程中應(yīng)注意觀察學(xué)生對(duì)機(jī)械原理知識(shí)掌握程度以及利用ADAMS解決復(fù)雜機(jī)械機(jī)構(gòu)問(wèn)題的能力，進(jìn)一步了解“機(jī)械原理與ADAMS課程融合教學(xué)”效果情況，并根據(jù)反饋結(jié)果持續(xù)改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，從而達(dá)到新工科及工程認(rèn)證對(duì)人才培養(yǎng)的要求。

三、結(jié)語(yǔ)

將機(jī)械原理與ADAMS課程進(jìn)行融合教學(xué)探索，充分利用了機(jī)械原理課程理論性強(qiáng)而ADAMS課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，使兩者做到了有效的互補(bǔ)與支撐，提高了機(jī)械原理授課過(guò)程中學(xué)生的參與度以及對(duì)知識(shí)的掌握程度，并真正實(shí)現(xiàn)了將理論知識(shí)第一時(shí)間運(yùn)用于實(shí)踐，提高了同學(xué)們的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，以更好地滿足我國(guó)制造業(yè)對(duì)高層次工科人才的需求。