杨东宇，贾明川
（哈尔滨理工大学 荣成学院，山东 荣成）
“新工科”的概念最早于 2016 年被提出，是我国高等工程教育体系对实现“两个一百年”奋斗目标，协调推进“四个全面”战略布局，贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，深入实施“创新驱动发展”“一带一路”“互联网＋”“京津冀协同发展”等重大战略等国家重大战略的积极反映[1]。2017年，教育部高等教育司正式推出高等工程教育改革“新工科”计划。在一年之内，相继形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”“交大篇章”等重要的新工科建设指导性文件和理念，为工程教育的建设与改革指明了方向[2-3]。新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略型、创新性、系统化、开放式的特征。不论是新兴工科的建设还是传统工科的升级改造，对于工科专业的每门课程来说，都应在“新工科”建设的大背景下，结合“新工科”的内涵与理念进行课程教学改革[4-5]。
我院作为一所应用型本科高校，为助力地方经济发展，立足学校内涵建设和长远发展，推出“两海一服”政策，即海洋智能装备制造、海洋食品与生物工程与现代海洋服务业。机械专业的学生作为“两海一服”政策培养的重点对象，在新工科背景下，面向区域经济社会发展需求，确立了人才培养目标：培养具备扎实的机械专业知识，精湛的实践、创新能力，良好的职业道德素养和科技报国情怀的应用技术型人才。
“机械原理”是学生接触的第一门专业核心课，是基础课程(包括高等数学、理论力学、材料力学、机械制图等)与专业课程之间的桥梁课程，在整个知识体系中起到承前启后的重要作用。课程主要研究机构结构学、运动学、动力学及常用机构及机械系统的设计问题，为学生毕业后从事有关机械方面的设计、制造、开发及研究工作奠定基础。《机械原理》课程具有基本概念多、逻辑性强、公式多、内容难度大、与工程结合紧密的特点，学习难度较大。课程授课对象为大学本科二年级学生，该年级学生还未系统开展生产实习等工程能力训练，工程实践经验匮乏；
（一） 教学内容与工程背景结合较差
由于学生工程实践经验少，加之教师在授课中也没有很好地将工程案例与理论知识进行融合，加之课程本身难度高、需要具备一定的工程经验才能很好地理解消化，多方面的原因使得学生对课程内容普遍感到抽象、难学，逐渐失去了学习兴趣，甚至对后续专业课乃至从事机械行业工作的信心也造成了巨大打击。
（二） 教学模式单一、学生主体地位不突出
在传统课堂教学中，教学设计主要围绕教师如何教展开，以教师为中心，缺少吸引学生注意力的教学活动，教师与学生交流较少，学生参与教学活动的机会少，大都采用灌输式的教学方法进行授课，学生绝大部分时间在被动地接受知识，课堂枯燥无味，缺乏吸引力，造成一部分学生在课堂上不认真听课、玩手机，学习效果不够理想[6]。
（三） 学生知识向能力转化效率不高
传统的学习过程缺少有效的实践应用训练环节，大多数知识仅停留在纸上谈兵阶段，有一些学生上课好像听明白了但是课下一做作业就发懵，不仅知识遗忘率高，还严重影响了后续机械设计、机械系统设计等专业课程的学习效果。加之考核评价体系不完善，使得大部分学生采取考前突击过关，并不重视平时知识的积累，造成学生运用理论知识解决实际问题的能力较差，不利于实践和创新能力的培养[7]。
（四） 思政教育与课程内容融合较差
对学生科技报国的家国情怀和使命担当的激励不够，学生对学习目的认识不深刻，缺乏责任感和科技报国的内驱力，在学习上遇到挫折和困难就很容易放弃，不愿深入钻研枯燥难懂的理论知识，随着课程学习深入、难度加大，逐渐对课程失去兴趣、放弃本门课甚至后续专业课的学习。
（一） 整合教学内容，解决学生工程经验匮乏、教学内容抽象造成的学习困难
在新工科背景下，创新复合型人才是工程教育的重要培养目标，在“以学生为中心”的教学理念指导下，着眼于学生发展需求，对教学内容进行整合。删减过时的、与其他课程重复的内容，增加与时俱进的工程实例和交叉学科知识，及时把最新的“智能制造、外骨骼机器人”等学科前沿成果，及“生物科技、自动控制、机械工程材料”等交叉学科知识融入日常教学中。例如：在绪论中增加“都江堰”水利工程和西安地铁“问题电缆”事件的工程伦理分析，培养学生的职业道德和工程伦理意识；
在介绍机械行业的发展现状中，增加融合了生物科技和定位导航技术的“手术机器人”的工作原理介绍。在第二章机构的结构分析中增加融合人工智能相关知识的“智能制造”、切比雪夫四足机器人的结构分析，提高学生对国家重大发展战略、行业发展趋势的了解。在齿轮机构一章中增加融合永磁牵引电机相关知识的“高铁传动系统”及融合航空发动机相关知识的“歼20隐形战机航空发动机增速器”的设计等等。通过将体现前沿性、时代性、交叉融合性的知识与教学内容进行整合，提高课程的高阶性，突出课程的创新性，增加课程的挑战度，从而增加学生工程经验，提高学生的学习兴趣。
（二） “工程问题情境式”课堂，解决教学模式单一、学生主体地位不突出的问题
基于OBE理念，利用超星学习通平台和钉钉群，实施传统课堂与翻转课堂相结合的混合式教学，在教学设计中突出“以学生为中心、以成果为导向”，关注学生学习后具备什么样的能力及能做什么，教学实施与评价都围绕着学习成果展开，并依据课程评价结果做持续改进[8]。通过融入“工程问题情境”创设挑战性问题，创造高阶思维情境，激发学生内在动力，以工程实例引导——问题驱动——能力导向——应用拓展为主线开展课堂教学活动。
1.课前：创设问题情境，激发学习动力。课前教师以国家重大项目、发展战略、机械装置设计的困境等工程实例导入问题，明确对学生提出带有问题解决、创造分析等高阶认知策略的学习任务，让学生在问题驱动下，完成课前参考文献阅读、预习视频观看及前测，教师根据前测结果进行问题导向的精准化教学。
2.课中：解决核心问题，建构认知体系。教师根据课程内容重难点及学生课前自主学习结果的反馈，进行精准化教学设计。以教师为主导，以学生为主体，引导学生对问题进行分析，以解决问题为驱动，通过探究式问答、课堂辩论、分组研讨等互动环节，经过深度思考、思辨分析、合作交流、观点碰撞建构认知体系，达到知识、能力、素养的训练，最终获得利用所学理论解决复杂工程问题的能力。
3.课后：内化提升能力，主动反思迁移。课后作业分为线上、线下两部分。线上作业包括主题讨论、文献阅读、知识测验等，借助超星平台、钉钉群，完成学生学习数据的回收。线下作业具有一定拓展性、挑战性，开放性，帮助学生将知识迁移和转化，实现能力的拓展提升，如表1所示。
表1 部分线下作业举例
（三） 项目全过程嵌入式学习，解决知识向能力转化率低的困境
1.项目全过程嵌入式学习模式。遵循“以学生为中心”的教学理念，着眼于学生的能力提升，挑选学生“跳一跳够得着”的题目，建立项目全过程嵌入式课程学习模式，学习计划如表2所示。项目贯穿课程始终，以项目为驱动，开展理论与实践的同步训练。教师首次课发布题目后，学生自动组队选择，以项目为驱动，进行各章节知识的训练。例如在学习齿轮、凸轮等机构时，学生对各自项目中涉及到的齿轮、凸轮等机构进行设计，在学习运动和力分析时，学生团队分工对项目中的不同机构进行运动和受力分析。整门课程的学习结合解决实际工程问题的“闯关挑战”，学生的获得感和成就感得到极大的提升。在完成各章节理论学习后立刻利用所学完成对应机构的设计工作。随后，通过搭建实物模型、三维软件运动仿真，检验机构的运动状态。整个项目式学习通过真实的工程项目训练，实现了知识向能力的转化，提升了实践创新能力。
表2 学习计划
2.开放实验室助力学习成果转化。丰富的开放实验室资源可以为学生提供多学科交叉融合的实践环境，将真实世界的体验融入工程教育。学生能够利用开放实验室将机械原理课程所学与机械控制、机械工程材料、3D打印技术实现跨学科交叉融合，将项目式学习成果转化为实物。学生可以利用3D打印技术、慧鱼模型、机构模型选择自己擅长的方式，对项目式学习所设计机构进行运动验证。鼓励学生将学习成果做出实物参加各类学科比赛。目前已经有大批学生在实验室将自己的机构创意实现，完成机械创新项目的实施。通过开放性实验室相结合的形式引入项目建设中，为实现新工科的建设、转变现有教学模式、促进人才全方位培养、强化动手实践能力提供了保障。
3.参与各类学科竞赛，激发学习热情。学科竞赛是培养学生实践和创新能力的有效手段和重要载体。鼓励学生参加与机械原理课程相关的各类比赛，不仅能积累工程经验、提升实践和创新能力、更能激发学习自主性、创造性。与机械原理课程相关的竞赛主要包括全国大学生机械创新设计大赛、全国“挑战杯”大学生课外科技作品竞赛等。通过参与这些学科竞赛，学生的绘图能力、逻辑思维能力、沟通和协作能力、实践和创新动能力都得到了大幅提升。
（四） 以“学习效果为中心”的考核方式改革，引领和撬动深层次培养
改变传统“期末一考定成绩”的评价方式，增加形成性考核项目，根据课程目标进行学习效果评价。提前给学生评价量表引导学习，通过反馈及时调整教学。加强形成性评价并持续改进，建立“目标-活动-反馈”课程三角形，实现循环与迭代式提升。形成性评价方式包括课堂表现、课堂讨论、项目式学习等，如图1所示为项目式学习评价标准。
图1 项目式学习评价标准
（五） 以“全方位”育人为目标，开展课程思政建设，落实立德树人根本任务，激发学习动力
根据机械原理的课程特点和课程内容结合人才培养目标确立思政目标为：有家国情怀和使命担当，具有工程伦理意识和遵守国家标准规范的意识，具备运用哲学原理解决实际问题的能力。
根据课程内容特点建立包含“工业强国”战略、马克思主义哲学理论，“工程伦理”，“神州十三号”等国家重大项目在内的思政案例库。在课前导入——课中分析问题——课后话题讨论中，根据不同章节课程的内容与特点，灵活多样地植入课程思政元素，如图2为课程思政实施案例。
图2 “齿轮机构”课程思政的实施过程
新工科背景下，为达成培养具有实践和创新能力的技术融合型人才的目标，对传统机械原理课程的教学模式进行了改革，将OBE理念引入课程教学中，围绕以“学生为中心”的教育理念优化教学内容、建立工程问题情境式课堂、变革考核方式、融入课程思政，开展以开放实验室为支撑的项目全过程嵌入式教学改革和实践，激发了学生的学习积极性，提高了学生的实践和创新能力。
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