張 涵，馬雪亭，趙 軍，丁 羽，王海明

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆維吾爾自治區(qū) 阿拉爾 843300）

1 問題提出

基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求，國家提出新工科3E（Emerging Engineering Education）這一工程教育改革方向。其理念是應對變化，塑造未來；要求是培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，對我國工程教育提出全新要求[1]。本科工程教育的核心目標是聚焦培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，復雜問題最主要特征是必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能解決。這就要求理論教學必須包括足夠深入的基本原理，而且強調使學生學會分析和使用的典型思想和方法，從而使學生具備扎實的理論基礎，以及分析問題的能力[2]。可以看出，新工科、工程教育認證都注重培養(yǎng)學生面向未來的工程能力，強調學生解決復雜工程問題的能力。工程能力是工程人才知識儲備和能力結構的綜合體現(xiàn)，除了相應的知識儲備，重要的是利用基礎理論知識分析、解決工程實際的能力以及創(chuàng)新能力，包括知識儲備和能力結構兩個層面。

機械原理課程作為機械類專業(yè)一門必修的基礎課，是研究機器與機構基礎理論與方法的學科，是未來工程師和產(chǎn)品開發(fā)者必須學習和掌握的技術基礎課程，適應各類機械專業(yè)知識學習和從事各類機械技術及管理工作，在培養(yǎng)高級工程技術人才的全局中，具有重要的教學和人才培養(yǎng)作用。

地域差異、學校差異、學生差異，如何考慮這些差異，同時考慮新工科、國際工程教育認證背景，探索符合機械原理課程特點的教學模式，歷史性地擺在了人們面前，進行這方面的討論研究十分重要。

2 高階教學模式的探索

機械原理（機構學）的主要任務是通過對機構分析和綜合方法的研究，最終實現(xiàn)新機構的設計。機構設計本身則是一個不斷進行綜合、分析和決策的過程[3]?？梢钥闯?，新機構設計或對已有機構進行分析、評價時，必須在掌握機構基礎知識即記憶、理解、應用之上，進行分析、評價和創(chuàng)造才能完成。

高階思維HOTS（Higher-Order Thinking Skills）源于布魯姆等人的認知分類學，該理論將學習目標從低到高分成6 類：記憶、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造，前3個屬于低階層面，后3個屬于高階層面。高階思維主要解決劣構問題，體現(xiàn)的是學習者的問題求解能力、決策能力等方面。讓學習者投入到需要運用高階思維的學習活動稱之為高階學習，與之匹配的教學模式是高階教學模式。通過高階學習的高階知識是一種獲取新知識的能力、水平和方式[4]，其特征是學生主體、教師主導、探究與創(chuàng)新等，這與本課程培養(yǎng)目標高度吻合。

高階教學模式的高階性，首先體現(xiàn)在教學理念的先進性。作為工程教育，其理念應該是既符合工程本質屬性，又能體現(xiàn)學生中心的特征。因此，借鑒目前工程教育先進的實踐教學理念，強調“做中學”“學中做”“做中思”“思中做”“學思結合，知行統(tǒng)一”，最終做到“不教而教”“教為不教”[5]。

高階性還體現(xiàn)在教學內容上，結合工程實際，創(chuàng)設工程環(huán)境，具有開放性特征。高階性最終落實在教學方法上，新工科、工程教育認證要求學生“終身學習”，所以，學生必須“會學”。因此，采用探究式、啟發(fā)式等教學方法，調動學生學習的積極主動性，引發(fā)學生思考，最終做到“不教而教”“教為不教”。

綜上所述，只有構建“理論教學—實驗課—設計訓練—課程設計—學科競賽”五位一體的高階教學模式，才能逐步培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力。

3 高階教學模式的實踐

運動副作為組成機構的基本元素，機構的運動和動力傳遞，都是通過運動副進行；運動副的摩擦、磨損，直接影響機構運行的效率；運動副的間隙直接影響機構的運動性能和動力性能，尤其是在高速、重載、精密機構中，運動副間隙的影響更大[6-12]。所以，在對已有機構進行分析、評價及新機構設計整個過程中，運動副的相關知識及其應用至關重要。但是，囿于知識體系的完整性和教材的篇幅限制，運動副的內容僅限于簡單的理論介紹，未涉及運用該知識點的相關內容分析、評價現(xiàn)有機構等內容，不能培養(yǎng)學生分析、評價、創(chuàng)新的工程意識和工程能力。為此，引入高階教學模式進行實踐。針對高階教學模式特點，在理論教學、設計訓練等環(huán)節(jié)，教學內容結合工程實際分別設置辦開放、開放的工程問題，探索完整的問題復雜性漸進式遞增的高階性學習模式。

3.1 理論教學

實踐教學理念下的理論教學強調的是主動思考，核心是學思結合。為了激發(fā)學生學習的興趣并引發(fā)學生積極思考、主動學習，采用探究式、啟發(fā)式、討論式、參與式等相結合的教學方式講授。將“灌輸課堂”轉換為對話課堂，實現(xiàn)知識對話，思維對話；將知識課堂轉換為能力課堂，建設能力導向，突出能力培養(yǎng)。

基于此，對教學內容、教學步驟、教學方法進行設計。選取工程普遍使用、學生接觸較多的動力機械——內燃機包含的幾個典型的運動副為例講述，并分別從加工、制造、機構運行、特殊工程環(huán)境下運動副的材料及類型選擇等環(huán)節(jié)創(chuàng)設工程環(huán)境，安排、設計教學內容。同時，結合學生認知規(guī)律，按照由簡單到復雜，由具象到抽象進行遞推式講述。依據(jù)教學內容，采用不同教學方法分別進行。

3.1.1 概念的引入

先播放內燃機實體的工作視頻，再播放模型動畫，同時結合實物模型，讓學生觀察其組成和運動，引出運動副的概念。

3.1.2 概念的理解與分析

（1）引導學生觀察并思考。曲柄與連桿、連桿與活塞、齒輪之間的運動形式、組成運動副的元素是否一致？哪一種承載能力更強？

（2）學生總結?？偨Y出轉動副、移動副、齒輪副概念，并且判斷低副——因為運動副元素為面面結合，承載能力更強。

（3）學生思考。引入自由度和約束概念，對照模型動畫，一起分析這幾個運動副分別是幾級副。同時引導學生思考運動副對機構運動約束個數(shù)不同，哪一種更容易實現(xiàn)復雜運動規(guī)律？

3.1.3 概念的分析與評價

（1）教師發(fā)問。從運動副的加工、制造角度，低副與高副哪種容易加工并且更容易裝配、保證運行精度？實際工程機構中由于制造、裝配誤差，運動副中尤其是轉動副軸不可避免地存在間隙，對機構運動、動力學是否有影響?

（2）學生討論。曲柄與連桿之間的轉動副、連桿與活塞組成的滑動副，兩者之間的摩擦分別屬于什么性質，運行過程中，哪種效率高？設計機構時，優(yōu)先選擇轉動副還是滑動副？

（3）歸納總結。運動副在制造、裝配環(huán)節(jié)不可避免地存在誤差，運行過程中由于摩擦、磨損存在，造成運動副的間隙不均勻、運動副的構件間歇性接觸，導致機構產(chǎn)生沖擊、碰撞和噪聲；導致機構運動軌跡偏離預期軌跡，使機構運行精度下降，甚至失效。

3.1.4 創(chuàng)新思維培養(yǎng)

（1）啟發(fā)學生。在現(xiàn)代機械日趨精密、高性能、高效率的今天，諸如宇航、機器人、光學等領域，選用何種運動副，才能做到無摩擦、無磨損、無間隙、無噪聲？引出柔性鉸鏈、柔性機構的概念，并且讓學生在自己身體上、自然界動物身上尋找柔性機構，加深對柔性鉸鏈及柔性機構的理解。

（2）教師發(fā)問。在特殊環(huán)境比如同時具有高壓、腐蝕、低溫的海洋環(huán)境，高溫、強振動、超重工作環(huán)境下的航空航天機構，運動副的材料怎么選擇？啟發(fā)學生創(chuàng)新思維。

結合工程實際，通過啟發(fā)式、探究式、組合式的教學方法，激發(fā)學生的學習興趣和熱情，調動學生的積極思考意識。同時做到“學中思”“思中學”，記住運動副及其分類的基本知識，同時初步具備運動副分析、評價能力。

3.2 設計訓練

為加深對運動副的進一步認知，運用理論課的知識對具體工程實際的分析和評價，設置設計訓練環(huán)節(jié)。課后一道習題，因為其自由度為0 不能運動，讓學生進行方案修改，要求至少給出4 種修改方案，并結合運動副的相關知識，分析幾種不同方案間的優(yōu)劣，再對具體方案給出總體評價。該環(huán)節(jié)學生分組進行，組內分工協(xié)作，相互補充，組間相互質疑。鞏固對基礎知識的理解，提升工程問題的分析能力。

3.3 實驗課

實踐教學理念下強調的是主動實踐，是“做中學”“做中思”，既動手又動腦的主動實踐。設計訓練結束后安排一次實驗課，設計訓練環(huán)節(jié)給出的修改方案，在實驗平臺搭建具體機構，并結合其運轉情況，驗證理論上對具體機構的分析、評價。學生動手搭建機構，親身感受到機構組成過程，對運動副的認知、分析、評價能力得以落實到工程實際。

3.4 課程設計

理論教學、設計訓練環(huán)節(jié)獲得的相關知識、思維等，需要在工程實際中得以落實和提升。學期結束，在課程設計環(huán)節(jié)，結合工程實際設置不同設計題目，學生按照不同的功能、使用要求，擬定機構運動方案、分析工作原理，然后進行機構選型、機構綜合。在具體機構選型、機構設計過程中，結合工程實際，運用運動副的相關知識及分析、評價能力進一步提升，創(chuàng)新能力得以培養(yǎng)。

3.5 學科大賽

結合全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設計大賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目、互聯(lián)網(wǎng)+等學科競賽，學生分析、評價能力最終提升，創(chuàng)新能力進一步增強。

4 教學效果

通過高階教學模式探索，具體落實到運動副這一知識點講述上的實踐，學生扎實掌握了這一知識點，并養(yǎng)成了運用理論基礎知識分析、評價機構性能、方案優(yōu)劣的能力。設計訓練環(huán)節(jié)給出不同修改方案，而且分析、評價到位，后續(xù)的課程設計方案分析比較正確，之前方案雷同、機構簡單組合、堆積的現(xiàn)象幾乎消失，并且學生參加學科競賽人數(shù)、獲獎人數(shù)明顯提高。

5 結語

機械原理課程是機械類專業(yè)學生必修的一門專業(yè)核心課，結合新工科、工程教育專業(yè)認證，探索了適合于本課程特點的高階教學模式，并結合課程中重要的知識點——運動副進行實踐。得出以下結論：一是高階教學模式能培養(yǎng)學生的高階思維，適合新工科、工程教育專業(yè)認證背景下工科學生的培養(yǎng)要求，學生工程能力逐步培養(yǎng)完成；二是高階教學模式，學生自主學習意識、能力得到培養(yǎng)，最終達到“教為不教”的教學目的。