机械类课程多维融合拉动式教学模式及提升路径探索

摘 要：针对机械类课程应力和变形等力学基础问题教学设计，开展了融入课程思政、工程应用、科研项目、学科竞赛、仿真模拟、教师能力提升、课程团队建设、全过程管理和教学效果动态反馈机制等多维融合拉动式教学模式及提升路径探索。在教学设计过程中融入多维融合拉动式提升策略，有助于引导学生对教学知识点的直观理解、激励学习动机、培养高度社会责任感和解决工程实践问题的创新性能力，为机械类课程教学模式改革和探索提供了一种新思路和新视野。

关键词：课程思政；科研项目；学科竞赛；仿真模拟；多维融合

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-1794（2023）02-0112-05

作者简介：苏永生，安徽工程大学机械工程学院副教授，博士，研究方向：高性能加工及表面工程；贾文友，王建彬，钟相强，安徽工程大学机械工程学院教师；王刚，安徽工程大学材料科学与工程学院教师（安徽 芜湖 241000）。

基金项目：安徽省重点研究与开发计划项目“飞机碳纤维增强树脂基复合材料构件超声制孔关键技术研发及应用”（2022a05020006）；校级本科教学质量提升计划项目“精密与特种加工技术课程思政优质课”（2022szyzk66）

收稿日期：2022-05-27

1 前言

随着经济全球化和国际合作日益频繁，如何培养出具有国际视野和竞争力的创新性人才，受到各国教育界的高度重视。在新时代背景下，我国各高等教育学府如何改革和完善传统教学模式，探索多维融合拉动式教学策略，实现社会、行业及国家需求的高素质创新性人才的培养，对推动我国科技自立自强和实现中华民族的伟大复兴意义重大。

在“机械制造技术基础”“机械制造工艺学”“精密与特种加工技术”及“材料力学”等机械类课程教学内容中涉及的应力和应变等力学问题，在轨道交通、海洋工程、智能制造、航空及航天等诸多领域装备构件连接孔设计上得到了广泛应用。例如钢类板孔形状^[1]、弧门支承结构开孔位置^[2]、开孔布局形状^[3]及飞机构件铆接孔^[4-5]的设计对构件应力集中、变形、疲劳强度及加工精度会产生重要的影响。

由于机械类课程涉及的应力及变形知识点具有较强的理论性和抽象性，因此，在教学过程中完善现有教学模式^[6]，通过教学方法、教学途径及教学思路等多个方面的融合，构建多维教学模式及提升策略，调动学生学习兴趣，深入理解力学基础问题，为国家培养具有工程创新设计和解决复杂问题能力的高素质人才^[7-13]和新时代背景下高等学校创新人才培养及多维融合拉动式教学策略的探索，提供一种新思路和新视野。

2 存在的问题

（1）教师教学方面：目前，在机械类课程涉及的应力、应变及变形等相关知识点的教学过程中，现有教师教学过程主要通过公式讲解、理论计算、公式推导及例题分析的传统教学模式；此外，教师在教学过程是主导者，而学生是被动接受者，课堂教学往往以教师讲授为主，学习效果主要靠布置课后习题来评定，学生对知识点内涵缺乏主动学习和思考，不能将所学知识点和工程应用领域联系起来，因此造成学习动机和学习效果不佳。

（2）学生学习方面：学生对待抽象的理论性知识点，在思想上往往不够重视，投入时间少、存在学习应付及师生沟通时间少等问题，从而严重阻碍了学生对基础理论知识点的理解、掌握及教学效果的提高。

（3）现有教学模式方面：由于机械类课程力学问题知识点本身存在抽象性，难以理解，总体来说，教师现有教学理念、教学方法、教学模式表现出单一化和传统化，教学内容理论性讲解居多，教学过程单一枯燥，往往导致学生的听课效果不佳，难以调动学生学习情绪和动机。

（4）课程队伍及专业团队方面：现有机械类基础课程、专业课程及方向课程涉及的教师能力和教学水平参差不齐，教学课程及师资队伍不稳定，不利于教学效果及教学质量的持续改善。

3 多维融合拉动式教学模式内涵

针对上述问题，通过完善现有教学模式，探索多维教学方式、实施途径及提升策略，构建基于课程思政、工程应用、科研项目、学科竞赛、仿真模拟及数据分析等多维融合拉动式教学模式，将课程学习中涉及的理论知识点，尤其是难以理解的抽象问题和具体工程案例联系起来，激励学生学习动机，从而最终实现学生学习效果和教师教学质量的同步提升，对提高高等学校创新性人才培养和机械类课程教学模式的改革和完善具有重要的意义。

4 拉动式教学实施路径及提升策略

4.1 融入课程思政元素，提升内在动力源泉和责任感

在教学过程中，如通过视频、图片及数据对比分析我国在光刻机、芯片、航空发动机及高档数控机床等方面存在的“卡脖子”技术举例，根据教学内容和知识点，充分挖掘与之相关的课程思政元素^[14]，通过课程思政融入法完成教学设计，引导学生认识到教学内容中应力和应变等力学问题的改善和有效控制，对上述我国“卡脖子”技术相关的高性能装备、高精密加工及先进制造技术的发展水平的影响，激发和引导学生学习动力和激情，增强社会责任感及立志报效国家的爱国情怀。

4.2 应用仿真模拟，构建知识点的直观比较和分析

针对工程应用中相关零部件设计涉及的应力和变形问题，开展有限元建模、过程模拟和数据处理相结合的全过程教学设计方法。根据仿真结果和数据分析，最后以图表形式进行展示和对比，能够直观比较和分析应力、应变和变形的主要影响因素及其不同条件下的变化趋势，这种方法不但有助于进一步引导学生将抽象的知识点直观化理解，也利于学生培养独立分析、仿真建模、数据处理和解决工程实践问题的创新能力。

4.3 应用-项目-竞赛协同驱动，激发学习动机及创新实践

在知识点教学过程中，首先，分析机械结构件设计造成的应力集中、变形过大导致的不良后果，并将应力、应变及变形与波音、空客、国产客机等重大工程装备构件设计及性能紧密联系起来，让大家进一步直观认识到结构件应力和变形问题的改善和解决，对提升零部件装配质量、控制疲劳裂纹出现位置及延缓其扩展速率的意义，引导学生认识到所学知识点工程应用广泛及意义重大，从思想上高度重视，树立端正的学习态度，从而激发学习兴趣。其次，在机械类课程教学过程中，以工程应用需求和应用背景为切入点，通过科研项目和学科竞赛的双向驱动^[15]，引导和鼓励学生积极参加。例如，图1所示为在工程应用需求-科研项目-学科竞赛驱动模式下，安徽工程大学机械类本科生通过理论分析、结构设计及后期性能测试，完成了水体污染源的探测及垃圾的自动收集装置的设计和制备，其中后者获得了2022年中国大学生机械工程创新创意大赛三等奖。从学习效果来看，以工程应用需求、科研项目及学科竞赛驱动模式，能够显著提高学生主动式学习动机，主动查询和学习相关机械结构设计专业知识，这有助于他们独立思考、创新意识及创新能力的培养，为后续抽象理论知识直观理解、学习深度及学习视野的拓宽奠定良好的基础。

4.4 提升教师专业能力与构建专业课程团队

选拔和引进高素质专业师资，围绕教学课程建立专业课程团队，形成年龄、学历和知识结构合理的师资队伍；推动课程队伍合作科研、涉外培训及人文交流，探索教师教学和实践能力提升的激励机制；加强教师将产业需求与本专业知识和创新能力深度融合，推动理论和应用实践能力的持续提升与完善。

4.5 形成教学全过程管理和教学效果动态反馈机制

通过教学内容、教学模式和教学评价体系调整与优化，完善教学课件、教学大纲、培养方案、教学方法、教学效果及教学质量评价，形成理论教学和应用实践的质量监督和动态反馈机制，构建教学质量提升自主驱动型激励管理保障制度；探索机械专业与多学科交叉的个性化人才培养路径；探索企业专业需求、高校课程培养目标及产学研相结合的人才创新培养体系；构建科教结合、产学融合、校企合作的多维立体复合型人才培养模式，进一步推动机械类课程多维融合式教学模式完善和改革。

4.6 多维融合拉动式教学过程设计

为了提升教学效果，激发学习动机，直观理解教学过程中的基础理论问题，在教学过程和设计中融入课程思政、工程应用、科研项目、学科竞赛、仿真模拟及数据分析等多种不同形式的提升策略，探索和构建多维融合拉动式教学模式，推动和完善现有教学模式，在新时代背景下，为国家和制造业领域培养具有社会责任感、敢于挑战困难及创新能力强的高素质人才作出积极的探索和实践。图2 为本文中机械课程应力和变形知识点的多维融合拉动式教学模式和设计思路。

4.6.1 产业应用需求和课程思政元素

随着先进制造技术和高端装备的进一步发展，波音、空客、国产客机C919及CR929等世界主要飞机设计和制造都在朝着宽体及大型化方向发展，从而使得飞机关键构件连接部位机械连接孔数量需求巨大，且对连接孔设计和加工有非常高的要求。根据相关信息统计，现有飞机关键构件连接位置是造成机体疲劳失效和疲劳裂纹的主要原因，其比例超过60％以上^[16]。因此，所以工程应用中零部件连接孔设计是否合理和科学，对降低应力集中、局部变形，提升疲劳强度及整体性能意义重大。教学过程引入工程应用实例需求及存在的问题，让学生从思想上增强对知识点的高度重视，激发努力学习动机和引导学生树立为国家高端装备设计贡献自己一份力量的社会责任感。

4.6.2 教学案例设计与有限元建模

为了改变传统单一的纯理论讲解力学应变和变形等问题的教学方法，在教学过程过程中引入有限元仿真，分析影响应力和变形的主要因素。通过数据处理和分析，利用图表形式直观比较不同形式下的力学基础问题，既可以便于大家理解教学知识点，也能够借助有限元软件的学习，培养独立分析和数据处理的能力。

本文教学设计中，仅以304钢（杨氏模量194 GPa，泊松比0.247）为孔件仿真实例，通过如图3的abaqus有限元仿真建模，相应的固定方式为上下两个边为Y方向对称固定，分析构件表面孔径R（6mm～15mm）和拉应力σ（5MPa～50MPa）变化，对路径上的点的应力和变形位移的影响规律。

4.6.3 仿真-数据处理-图表直观分析

根据上述图3的仿真模型，其中图4（a）和（b） 为Mises应力变化仿真及对比，（c）和 （d） 为X方向位移变化仿真及对比。通过仿真结果及数据的比较和分析，可以直观比较出：构件孔径和拉应力大小变化对应力和X向变形位移的影响规律，便于学生直观理解构件孔径设计对应力、变形位移等力学问题，让学生认识到工程应用中力学问题的重要性，有助于调动学生学习动机，培养学生实际动手设计和解决实际工程设计问题的能力，从而推动教学方法和教学模式的改革。

4.6.4 课程教学效果问卷调查及分析

为了分析和对比现有多维融合拉动式教学模式的教学效果，通过知识点理解、能力提升、师生互动及动机激励四个评价目标进行教学效果调查和对比分析。 表1和表2为安徽工程大学某一学期某班级1“机械制造技术基础”课程和某班级2“精密与特种加工技术”课程，对其分别进行数据采集和问卷调查分析，班级1和班级2的调查学生样本数量均为73人。通过表1和表2的调查结果可以看出，绝大多数同学认可多维融合式教学策略和方法对教学效果的积极改善，这对完善和提升现有教学模式提供了重要的教学效果检验和实践。

4.6.5 多维融合教学模式实践与优化

为了解决机械类课程专业知识点的教学效果和教学质量，首先，以广泛工程应用需求为背景，在教学过程中针对存在的问题融入课程思政元素，激发学生学习动机、社会担当意识及社会责任感。通过教学案例设计和有限元仿真、数据处理及图表直观分析，引导学生对构件设计中应力和变形等基础力学问题背后机理进行思考，激发大家主动式学习；其次，针对上述多维模式的教学效果问卷调查，分析现有多维融合拉动式教学模式存在的不足，进行总结、反馈和教学策略、路径和方法的优化设计；最后，通过专业课程团队的组建、细化和个性化优化现有教学班级的教学课件、教学方法、激励策略，进一步推动教学模式和课程教学设计的完善和探索。

5 教学效果

（1）本文在机械类课程力学问题的教学过程中，通过该教学点在工程应用的重大需求及存在问题，引入课程思政元素，有助于激发学生学习兴趣，理论联系实践，让学生深刻认识到该知识点在工程应用中的迫切性和重要性。

（2）在教学过程中，采用课程思政、工程应用、科研项目、学科竞赛、仿真模拟、数据分析、教师能力提升、课程团队建设等多维融合拉动式教学模式，能实现抽象知识点的直观化、避免传统教学模式的单一性和枯燥性，实现主动式学习，培养学生独立思考、创新设计，解决工程应用实践问题的能力。

（3）通过多维融合拉动式教学过程设计及全过程管理和教学效果动态反馈机制，引导学生通过参加科研项目和各类学科竞赛实践，深入思考应力和变形等力学问题背后内因，激发主动式学习，为推动解决复杂工程应用问题的机械类创新人才培养模式提供了一条新思路。

[参 考 文 献]

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Exploration of Pull Teaching Mode with Multi-dimensional

Integration and Promotion Path for Mechanical Courses

—— Taking stress and deformation of mechanical holes as an example

Su Yongsheng， Jia Wenyou， Wang Jianbing， Zhong Xiangqiang， Wang Gang

Abstract： Aiming at the teaching design of mechanical basic problems such as stress and deformation of mechanical courses， a pull teaching model with multi-dimensional integration and improvement path exploration were carried out by integrating curriculum with ideological and political teaching， engineering application， scientific research projects， discipline competitions， simulation， teacher ability improvement， curriculum team building， whole process management and teaching effect dynamic feedback mechanism. The integration of multidimensional integration pull promotion strategy in the process of teaching design can contribute to guiding students to intuitively understand the teaching knowledge points， stimulating learning motivation， and cultivating a high degree of"social responsibility and innovative ability to solve engineering practice problems， which provides a new way of thinking and a new vision for the reform and exploration of the teaching mode of mechanical courses.

Key words：curriculum with ideological and political teaching; scientific research projects; discipline competition; simulation; multi-dimensional integration

责任编辑：陈星宇