《機(jī)械設(shè)計》課程資源建設(shè)與混合教學(xué)模式探索

《機(jī)械設(shè)計》是近機(jī)械類、機(jī)械類等本科專業(yè)必修的一門工程專業(yè)核心基礎(chǔ)課，核心內(nèi)容包含機(jī)械零件的強(qiáng)度（抗斷裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度和機(jī)械零件的可靠性）、連接（涉及螺紋連接、螺旋傳動、鍵及銷連接）、機(jī)械傳動（涉及齒輪傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動和鏈傳動等）、軸系零部件（涉及滾動軸承、滑動軸承和軸）內(nèi)容，重點闡述常用機(jī)構(gòu)的工作原理及一般尺寸的通用零部件的工作參數(shù)設(shè)計，詳述機(jī)械零部件的設(shè)計理論與技術(shù)方法，由于受課程學(xué)時少的限制，因此教師課堂講授的理論知識和知識點的覆蓋面有待豐富。與此同時，由于課程理論知識概念性強(qiáng)，核心知識點抽象難以理解，同時課程設(shè)計要求學(xué)生的動手實踐測繪能力，要求分組討論和參觀機(jī)械零部件實驗室來加強(qiáng)對課程的認(rèn)知理解。《機(jī)械設(shè)計》為能源與動力工程專業(yè)、智能農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)和機(jī)械設(shè)計及其自動化專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，總學(xué)時56學(xué)時，其中理論講課48學(xué)時，實驗8學(xué)時。為豐富課程教學(xué)，將課程資源建設(shè)與混合教學(xué)模式相結(jié)合，以學(xué)生課程學(xué)習(xí)中遇到的瓶頸問題為導(dǎo)向，調(diào)整教學(xué)方式，提升教學(xué)質(zhì)量。
1、《機(jī)械設(shè)計》課程資源建設(shè)及其面臨的主要問題
“農(nóng)-工結(jié)合”是培養(yǎng)智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)方面的工匠人才。通過“農(nóng)-工結(jié)合”提升工匠創(chuàng)新人才競爭力與專業(yè)生存發(fā)展之道，為工程行業(yè)培養(yǎng)高技能專業(yè)人才。《機(jī)械設(shè)計》是基本原理與設(shè)計功能應(yīng)用相結(jié)合的工程專業(yè)核心課程，重點研究常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、基本的設(shè)計理論和計算方法，實現(xiàn)物理參數(shù)定量描述；同時，探索運用新的設(shè)計方法是《機(jī)械設(shè)計》探討的重要內(nèi)容，它旨在利用最優(yōu)方法尋求最佳設(shè)計方案和設(shè)計參數(shù)。因此，《機(jī)械設(shè)計》資源建設(shè)為構(gòu)建貫通農(nóng)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工工業(yè)的橋梁提供了理論基礎(chǔ)支持。課題組教師積極授課，完成教學(xué)任務(wù)的同時，一直積極申請機(jī)械類“工程教育專業(yè)認(rèn)證”，投入精品課程建設(shè)。在教學(xué)平臺的搭建上，機(jī)械設(shè)計課題組教師積極參與機(jī)械設(shè)計實驗教學(xué)示范中心申報教育教學(xué)改革重點項目工作。
1.1《機(jī)械設(shè)計》課程資源建設(shè)具體實施方案
①建立機(jī)械設(shè)計課程資源建設(shè)開放實驗室，增加主干章節(jié)的名校精品課程網(wǎng)絡(luò)鏈接和動畫視頻，完善課程師生互動評價機(jī)制，制定匹配的教學(xué)改革方法；
②增加機(jī)械設(shè)計的課程實踐環(huán)節(jié)，讓本科生的機(jī)械設(shè)計相關(guān)作品積極參與到全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽“挑戰(zhàn)杯”和全國機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽，讓本科生掌握CAD、CAXA、EDEM和SOLIDWORKS等軟件基礎(chǔ)和具備一定的二維和三維繪圖和識圖能力；
③利用solidworks、Mastercam和Adams等軟件繪制及仿真機(jī)械設(shè)計的關(guān)鍵零部件，比如減速器的爆炸圖和動畫，加深對減速器等零部件拆裝運動過程的理解和認(rèn)識；
④通過機(jī)械設(shè)計課堂講解與實驗內(nèi)容的有機(jī)融合與銜接，建立面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的綜合教學(xué)體系，提高機(jī)電工程學(xué)院本科生及全校對機(jī)械專業(yè)感興趣的輔修學(xué)生的工程設(shè)計能力；
⑤通過統(tǒng)一的基于FPGA技術(shù)的實驗開發(fā)平臺，形成一整套面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的系列課程實驗教學(xué)內(nèi)容體系和實驗管理模式，實驗項目內(nèi)容具有系統(tǒng)性和層次性；
⑥機(jī)械設(shè)計課程資源建設(shè)遵循便利性和高效性原則，對教學(xué)和實驗管理模式和評價機(jī)制進(jìn)行完善，包括對機(jī)械實驗設(shè)備的管理、實驗輔導(dǎo)、實驗檢查與批閱等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的修正。
1.2目前遇到的瓶頸問題主要包括
①以傳統(tǒng)的國家級規(guī)劃教材和PPT缺乏新鮮感：機(jī)械設(shè)計課程重點闡述常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、基本的設(shè)計理論和計算方法，抽象的課堂講解難以提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動性，亟需智能數(shù)字化和信息化的機(jī)械設(shè)計課程資源建設(shè)；
②“農(nóng)-工”知識融合局限于單門的課程案例和教學(xué)內(nèi)容：課堂講學(xué)講解側(cè)重工程力學(xué)現(xiàn)象和機(jī)械原理而忽略其機(jī)構(gòu)運動的聯(lián)系，需要同機(jī)械制造基礎(chǔ)、機(jī)械制圖等課程銜接；
③以機(jī)械設(shè)計為主的傳統(tǒng)授課內(nèi)容難以體現(xiàn)“農(nóng)-工結(jié)合”應(yīng)用實踐特色：具備理論力學(xué)、機(jī)械原理等先修基礎(chǔ)課前提下，該課程重點闡述工程案例設(shè)計的基礎(chǔ)知識，引入農(nóng)業(yè)信息檢測、農(nóng)產(chǎn)品狀態(tài)調(diào)控等產(chǎn)業(yè)相關(guān)的工程實現(xiàn)方法，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計方法在工程中的應(yīng)用；
④傳統(tǒng)的授課模式難以滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求：現(xiàn)有教學(xué)模式以原理方法及其理論分析為線索，難以實現(xiàn)以高效的教學(xué)成果導(dǎo)向工程教育。通過嘗試將案例分析融入到翻轉(zhuǎn)校園APP，利用學(xué)習(xí)通、慕課和騰訊會議等軟件將機(jī)械設(shè)計的經(jīng)典案例和視頻上傳分享，實現(xiàn)師生的良好溝通和互動；
⑤課堂授課與課程設(shè)計環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性銜接不夠縝密：機(jī)械設(shè)計實驗是中間環(huán)節(jié)，和課堂授課有關(guān)聯(lián)性，但系統(tǒng)性銜接不夠縝密；高效的溝通橋梁是將授課的經(jīng)典案例與課程設(shè)計實驗相結(jié)合，加強(qiáng)對實驗方法的技能訓(xùn)練和理論知識的鞏固。

圖 1 機(jī)械設(shè)計案例及問題設(shè)計
2、機(jī)械設(shè)計混合式教學(xué)模式探索
2.1以問題為導(dǎo)向的機(jī)械設(shè)計混合式教學(xué)模式設(shè)計
《機(jī)械設(shè)計》作為理工基礎(chǔ)向機(jī)械工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化的橋梁，課程設(shè)置在第4學(xué)期，工程專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了《機(jī)械制圖》《理論力學(xué)》《機(jī)械制造基礎(chǔ)》和《機(jī)械原理》等課程，具備機(jī)械設(shè)計相關(guān)基礎(chǔ)。因此，將改革原有教學(xué)模式，探索構(gòu)建以問題為中心的教學(xué)理念，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析研究，提出與不同運動過程有關(guān)的工程問題，闡述該運動過程的機(jī)械原理和方法，以及面向智能制造產(chǎn)業(yè)的農(nóng)-工融合應(yīng)用，如圖1所示。
針對《機(jī)械設(shè)計》課程主要學(xué)習(xí)掌握的運動過程形成的力學(xué)效應(yīng)和物理量激勵產(chǎn)生的工程效應(yīng)，將在學(xué)習(xí)工程力學(xué)、理論力學(xué)、機(jī)械傳動、軸系零部件等章節(jié)時，預(yù)先選擇機(jī)械設(shè)計案例，并為解釋分析機(jī)械原理現(xiàn)象設(shè)計問題進(jìn)行研討。
2.2線上學(xué)習(xí)、課堂研討與實驗驗證相結(jié)合的混合教學(xué)模式
為了激發(fā)《機(jī)械設(shè)計》的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)意識，在上述案例與問題設(shè)計的基礎(chǔ)上，將結(jié)合先進(jìn)的信息化技術(shù)手段，改革原有以講授為主的教學(xué)模式，利用《機(jī)械設(shè)計》可視化教學(xué)資源，圍繞案例和問題將線上學(xué)習(xí)、課堂討論與實驗驗證有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)工程與機(jī)械工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化與融合，如圖2所示。
其中：線上學(xué)習(xí)：用于課前將案例和問題推送給學(xué)生預(yù)習(xí)或自學(xué)，并通過線上提問互動，了解課程將學(xué)習(xí)的內(nèi)容。課堂研討：根據(jù)案例組織研討，對預(yù)先設(shè)計的問題和學(xué)生在線提出的問題進(jìn)行梳理和解答，以案例為基礎(chǔ)讓學(xué)生掌握相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計分析方法，了解機(jī)械工程應(yīng)用場景。
實驗驗證：將機(jī)械設(shè)計案例融入實驗課程，通過實驗進(jìn)一步加深對機(jī)構(gòu)運動過程的認(rèn)識，在實驗中驗證農(nóng)-工融合過程形成的工程力學(xué)現(xiàn)象，以及物理參數(shù)激勵產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)；同時，鼓勵學(xué)生設(shè)計實驗驗證機(jī)械工程現(xiàn)象，并將實驗結(jié)果的討論反饋到課堂教學(xué)中。

圖 3 基于智能終端的線上教學(xué)模式
2.3探索基于智能終端的課前預(yù)習(xí)、課外拓展學(xué)習(xí)的機(jī)械設(shè)計教學(xué)新模式
課前預(yù)習(xí)和課外拓展學(xué)習(xí)為課堂教學(xué)做好鋪墊，利于課堂教學(xué)開展，但需要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容做出引導(dǎo)，因此探索研究基于智能終端的課前預(yù)習(xí)、課外拓展學(xué)習(xí)的機(jī)械設(shè)計數(shù)字化教學(xué)資源平臺。研究內(nèi)容包括：課前預(yù)習(xí)的內(nèi)容及要求，預(yù)習(xí)后做出反饋；針對思考題的課外拓展學(xué)習(xí)方法、內(nèi)容及要求，完成拓展學(xué)習(xí)后做出反饋。擬利用PC機(jī)/智能手機(jī)建立輔助課堂教學(xué)的數(shù)字化智能終端。研究內(nèi)容如圖3所示。
主要包括以下內(nèi)容：
①服務(wù)器端課前預(yù)習(xí)、課后拓展學(xué)習(xí)數(shù)字教學(xué)資源建設(shè)。針對教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)內(nèi)容設(shè)置相應(yīng)的預(yù)習(xí)內(nèi)容和要求，以及課后拓展學(xué)習(xí)的內(nèi)容和要求；
②基于手機(jī)/PC機(jī)的智能終端建設(shè)。設(shè)計調(diào)用教學(xué)數(shù)字化資源的APP/PC機(jī)郵件訪問的方式，每個學(xué)生作為1個用戶終端查看課前、課后教學(xué)要求及內(nèi)容，并完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)；
③課前、課后學(xué)習(xí)完成情況反饋及評估每個學(xué)生利用智能終端將完成的課前預(yù)習(xí)、課后拓展學(xué)習(xí)反饋到教師使用的服務(wù)器端；
④手機(jī)利用移動數(shù)字網(wǎng)或WIFI，PC機(jī)利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
3、結(jié)束語
總而言之，由于《機(jī)械設(shè)計》理論知識概念性強(qiáng)，核心知識點抽象難以理解，因此如何充分體現(xiàn)學(xué)生在線學(xué)習(xí)的主動性，同時充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的作用，即將傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢和在線學(xué)習(xí)的優(yōu)勢結(jié)合起來的混合教學(xué)模式已成為教育教學(xué)研究中的熱點問題。農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院“工程教育專業(yè)認(rèn)證”有關(guān)工作及專業(yè)實踐教學(xué)工作已正式啟動，《機(jī)械設(shè)計》作為機(jī)械制造及其自動化專業(yè)認(rèn)證的十門核心課程之一，其課程的混合教學(xué)模式探索已取得初步成果，并積極推進(jìn)相關(guān)內(nèi)容。