基于认知科学的机械原理课程教学创新与实践

［摘 要］机械原理课程秉承“学生中心、育人为本、实践为翼、思维发展”的教学理念，基于认知科学，构建师生学习共同体，开展线上线下、课内课外深度融合的混合式教学。课程团队坚持创新教学内容、理论与实践融合、理论课故事课堂与实践思政融合，创新教学方法和手段，打造3W2H问题导向、思维引导型课堂，让学生感到学习机械原理有意义、学习过程有意思、学好有可能，进而保持持久的学习动力。近三年，学生的课程目标达成度稳中有升，在省级以上科技竞赛中获奖140余项，实践创新能力明显提高；教师的教学能力显著提升，教学成果丰硕。

［关键词］机械原理；认知科学；教学创新

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）23-0093-04

机械原理课程作为烟台大学机械类专业的核心课程，始终服务专业建设。2018年，课程团队基于课程教学改革获批山东省高校本科教改立项。同年，课程团队完成微课录制，视频先后在智慧树和超星学银在线平台上线。2021年，烟台大学机械原理课程被认定为山东省线上线下混合式一流本科课程；2022年，被认定为山东省课程思政示范课；2023年，被认定为国家级线上线下混合式一流本科课程。

课程建设快速发展的五年对应学院专业建设快速发展的五年。五年间，烟台大学机电汽车工程学院机械设计制造及其自动化专业和车辆工程专业先后入选国家级一流本科专业建设点，并通过工程教育专业认证。机械原理课程建设始终坚持以学生为中心、以产出为导向，从教学设计、教学实施到教学评价保持“持续改进”。

一、机械原理课程教学中的“痛点”与难点

2018年，乘着烟台大学机电汽车工程学院（以下简称我院）专业认证的东风，机械原理课程团队针对教师、用人单位、往届校友、应届毕业生及在校生开展了问卷调查，归纳出了课程教学的“痛点”与难点。

一是课程内容抽象，不够贴近生活实际，缺乏前沿性。课程教学中，力学分析与推导计算较多，教学内容较为抽象难懂。同时，课程内容本身与生活、科技前沿关联性不强，不易引起学生的情感共鸣。

二是重理论轻实践，创新思维难养成。部分学生遇到工程实际问题时，思路难打开，解决复杂机械工程问题的能力较弱。

三是传统的教师单向输出模式难以适应互联网背景下成长起来的“00后”大学生需求，教学模式亟待重构。

四是课程内容与政治、经济、社会联系不够紧密，课程思政难融入。

针对“痛点”与难点，结合高水平应用型人才培养目标，课程团队确定了“学生中心、育人为本、实践为翼、思维发展”的教学理念，基于认知科学开展了教学创新与实践。

二、机械原理课程教学的创新与实践

课程团队根据认知科学，坚持3W2H问题导向，坚持创新教学内容、理论与实践融合、理论课故事课堂与实践思政融合，打造有意思、有意义的机械原理课堂。

（一）创新教学内容，丰富教学资源，激发学生兴趣，打造有意思的机械原理课堂

根据认知科学，人的持久学习动力取决于三个“有”：大脑感觉学习有意义、学习过程有意思、学好有可能[1]。课程团队一方面通过多种形式减少课程内容的外在认知负荷、增加课程内容的相关认知负荷，另一方面引入与章节内容相关的前沿技术，打造有意思的机械原理课堂[2-3]。

1.充分利用信息技术，把抽象的机械结构具象化

针对课程内容抽象的问题，课程团队充分发挥三维建模与动态仿真专长，有效融入可公开的教师科研成果、优秀的毕业设计成果和学科竞赛成果，建成机械原理数字资源库。该数字资源库涉及颚式破碎机、小型压力机、红薯栽苗机、喷涂机器人、苹果套网装箱机等80余种机械，内容涵盖机械的三维建模与动态仿真图、机构运动简图和自由度计算等，方便学生了解构件、零件、机构与机器，化抽象为具体。例如颚式破碎机的机构运动简图中曲柄是简单的短线段，但机械结构图中曲柄是偏心轮，因为机构运动简图重在表达机构中运动的传递关系，机械结构图则重在表达零部件的具体结构与装配关系，两图的侧重点不同，导致学生难以将运动简图中的“短线段”与结构图中的“偏心轮”关联起来。资源库中的三维建模与动态仿真图有效集成了两图的优势，既能合理表达机构的运动传递关系，又能精准呈现构件的实际结构。层次丰富的画面便于学生认识真正的机械，打通初学阶段容易遇到的设计与产品间的壁垒。

2.通过案例教学、信息打包、信息关联等方式，降低课程教学难度

课程团队在课件、例题、习题中融入大量工程或生活机械案例，帮助学生将抽象的理论与形象的实物关联起来，实现由生活体验向工程知识的迁移。案例库由师生共建，在每章开始前，教师邀请学生开展“幸运大搜索”活动，找到对应机构拍照、上传平台、收入资源库。在实实在在参与活动后，学生发现曲柄滑块机构既可以是颚式破碎机，也可以是小区里的健身器材；既可以是汽车发动机，也可以是学长竞赛作品中的硬币包装机。知识点变成灵动的机构，既有趣又有用，化陌生为熟悉。

课程团队还鼓励学生完成各章的思维导图，通过知识的结构化呈现，将知识细节放在整体知识结构下进行学习，不断加强新知识与原有知识的关联。

3.融入科技前沿，服务新工科

科技前沿主题由师生共建，将主题上传至教学平台后，师生分组交流、共同完善。例如能实现小体积大功率的混合轮系，对应的科技前沿既有烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司自主研发的全球体积最小、单机功率最大的阿波罗一号涡轮压裂车，又有代表未来汽车发展方向的轮毂电机技术。师生共建科技前沿专题、教与学耦合迭代，成为课程常讲常新的法宝。

（二）坚持理论与实践融合，以实践促竞赛，以竞赛促创新，打造有意义的机械原理课堂

1.整体规划课程体系，为理论与实践的深度融合提供制度保证

我院各专业在本科一年级开设专业导论课程，带领学生进工厂参观实习，近距离接触现代化机械。在二年级上学期开设机械原理课程，布置课程期末大作业：以安全、环保为主题，选择一款机械完成总体传动方案设计。在二年级下学期开设机械设计课程，布置大作业：完成机械原理大作业中机械的零件设计。这些大作业为后面的实践竞赛奠定了基础。在三年级开设生产实习、工程设计与研发课程，同时布置课程设计。在四年级布置毕业设计。

2.通过项目式教学、学科竞赛等提高课程的高阶性与挑战度

烟台大学出台了学科竞赛与任选课的学分互换制度，为实践提供了制度保证。机械原理、机械设计课程大作业为实践奠定基础，项目式教学与学科竞赛则为实践提供舞台。

课程团队成员坚持指导学生参加全国三维数字化创新设计大赛、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛、中国汽车工程学会巴哈大赛、山东省大学生机电产品创新设计大赛等各级各类学科竞赛，学科竞赛水平在全省乃至全国同等学校中处于领先地位。

第十二届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛银奖作品“烟果留香——助力苹果冷藏产业效率效益双丰收”最初源于机械原理课程大作业，由三个年级的学生历时三年合力完成，整个过程真正践行了理论与实践融合，实现实践促竞赛、竞赛促创新。学生在实践中将课堂上的知识运用于解决实际问题，学习的意义感油然而生。

3.创新教学方法，构建师生学习共同体，营造自主、合作、探究式的教学环境，建设线上线下、课内课外一体的混合式教学模式

（1）开展混合式教学，助力分层分类教学

线上教学主要用于课前异步导学和部分课程内容的课中同步助学。教师制作出翔实的学习任务单，为学生指明线上学习可用的微课资源，提出低阶水平的识记、理解、应用层次教学目标，以任务驱动、问题导学等方式促进目标达成。微课学习有利于分层分类教学，学生自测结果和讨论区留言有助于教师了解学生学习情况。

线下教学主要用于课中同步助学。通过专题讲解、互动探究、展示汇报、答疑解惑等环节，实现分析、评价、创新等高阶水平教学目标的达成。线下主要打造3W2H问题导向、思维引导型课堂，促进学生创新思维的养成。具体来说，3W指的是What（是什么？）、Where（用在哪？）与 Why（为啥用？），2H指的是How to design（如何设计机构）与How to describe their kinematic and dynamic properties（如何描述机构的运动学性能和动力学性能）。以3W2H问题为导向，融合工程案例和教师教学科研成果，设计促进学生创新思维养成的课前自学任务单、课堂教学活动（费曼学习法的我讲你听等）、课后作业以及课程大作业（项目式学习）。通过研讨式教学方式，形成师生学习共同体，实现生生互动、师生互动。

课后巩固拓展采用线上线下混合的方式。通过线上作业、线上测试、线下课程设计与学科竞赛等，充分发挥学伴作用、教师“搭梯子扶一把”作用，助力分层分类教学，培养学生解决复杂工程问题的能力。

以车辆专业的机械原理课程为例，总学时中有20%的课时在线上进行教学，其中机构总论与常用机构两大模块各占4学时，均选择认知型内容或先修理论力学中基本原理在机构分析中的应用作为教学内容，辅以学习任务单，可以实现知识传授的课程目标。线下实体课堂聚焦学生的刚性需求——通过引导式学习降低学习难度，助力能力、素养课程目标达成。

（2）采用多元化的评价方式，持续改进教学设计

该课程的总成绩由线上成绩（20%）、实验成绩（10%）、平时成绩（20%）和期末成绩（50%）四部分构成。线上成绩包括线上平时成绩、章节测试成绩和期末成绩三部分，由智慧树网自动核定，覆盖学生学习进度、学习习惯与互动等方面。平时成绩则包括课后章节小作业与课程大作业。成绩评定结合形成性评价和终结性评价，形成全过程多元化的评价体系。根据评价结果开展机械原理课程目标达成度分析，结合分析结果提出持续改进措施。

此外，在课程学习之初和结束时，让学生完成与其分析能力、评价能力、创新能力、协作能力对应的调查问卷。问卷基于五分量表编制，每种能力设置五个选项：非常认同、比较认同、一般认同、较不认同和很不认同，对应分值分别为5到1。采用这种定性分析方法，用于分析学生学习前后高阶能力的变化，为优化教学设计提供参考。

4.坚持理论课故事课堂与实践思政融合，坚持育人为本

多位学者围绕机械原理课程思政的实施路径开展了研究。柳建安等[4]提出思政为引领、需求为导向、能力为基础、理实融合的实施路径；张英等[5]提出“四融合一示范”的建设思路；邹晓阳等[6]则从知识—案例间的联系出发，开展机械原理课程思政。课程团队基于认知科学，遵循知（感知）、情（触动）、意（反思）、行（行动）”规律，提出理论课故事课堂和实践思政融合路径。

笔者在《以小故事凝聚大智慧，构建机械原理课程思政新路径》[7]一文中，详细论述了理论课故事课堂的理论基础——认知科学，以及机械原理中的知识点—思政元素—小故事与大智慧。本文不再赘述理论课故事课堂，着重阐述实践思政。相对于理论课堂，机械原理课程实践课堂着重引导学生在行动中体验，通过情景理解、理性反思，进而更新认知。实践思政是在学生实践过程中自然而然发生的。在机械研发的过程中，学生从市场调研到机械建模、数据计算、零件设计与标准件选型，再到材料防腐蚀实验以及数控编程和撰写设计说明书，事事亲力亲为、逐一闯关。学生在遇到困难、解决困难、不断探索，以及沟通、碰撞、合作的过程中，切实提升了创新思维与合作能力。

三、课程创新效果

一是与2016级接受传统课堂教学的学生相比，2017—2022级学生的课程目标达成度稳中有升。学生认可混合式教学方法，但也提出更高的要求：期待课程中融入更多的工程案例。