砥砺前行 勇于探索——记北京高校优秀本科育人团队“机械原理本科育人团队”

点击数:    |    加入时间:2020-11-26

砥砺前行 勇于探索

——记北京高校优秀本科育人团队“机械原理本科育人团队”

我校机械工程及自动化学院郭卫东教授和于靖军教授领衔的机械原理本科育人团队获2020年荣度“北京高校优秀本科育人团队”。该评选奖励范围为北京地区普通本科高等学校,各高校分别限报1项,2020年度有41个本科育人团队。

团队特色

近20年来,团队在郭卫东、于靖军教授的带领下,继承老一辈优良传统,形成了一支学历层次高、教学水平高、学生认可度高、政治与业务素质过硬、梯队稳定、结构合理、教学与科研并重、团结协作、甘于奉献的爱岗敬业优秀教师队伍(图1)。

图1 课程团队结构设置

教学团队历史悠久、文化厚重

北航“机原”团队源于1952年的机原教研室,经历了几代人的努力建设,取得了显著的成绩,具有优良的传统。第一代团队(1952-1982):由我国著名机构学家、中国工程院院士张启先教授首任教研室主任。在“机械原理”课程教学和机构学理论研究方面,取得了辉煌的成绩,处于国内领先水平。第二代团队(1983-2003):由党祖祺、郭卫东教授先后任教研室主任。团队在创建具有北航特色的课程教学方面进行了深入的探索,由宇航出版社出版的《机械原理》教材是这个团队的主要成果。第三代团队(2004-):由郭卫东、于靖军教授任课程团队的负责人。“项目化教学”、“翻转课堂”、“云班课”等成为主要标志。几十年来,团队形成了“求真务实、敢为人先”的启先精神,并以此作为团队文化,传承发扬。

团队梯队稳定、结构合理,学历层次高、政治与业务素质过硬

课堂授课主讲教师(17名)均由机器人研究所的教师担任,其中80%为中共党员,是“北京市优秀高校基层党支部”的骨干力量;每位教师都同时承担与机械原理教学相关的科研任务,包括国家自然科学基金等在内的纵横项科研项目。主讲教师都有在国外高水平大学长期学习和工作过的经历(在国外知名大学学习1年以上的比例达到64.7%)。据统计,也是目前全国规模最大的一支机械原理课程教学团队。团队成员干劲足,具有开拓和创新精神;教师之间沟通畅通,取长补短,团结协作,构建了优良的工作氛围;团队成员结构合理,学历层次高(图2~5)。

团队长期注重战略谋划,并开展有组织的教学活动

团队长期以来,一直注重战略谋划,并开展有组织的教学。图6给出了近10年团队在机械原理教学方面所做的教学设计与规划简图。从“道”之层面,以专业认证所要求的思维&能力培养为主线;从“术”之层面,则不断将最新科研成果和技术&仿真手段引入教学。有组织的教学还体现在以下几个方面:

1)构建了高效协作型团队组织模式。团队按“课程负责人→ 教授→ 副教授→ 讲师”的结构形式进行设置。课程负责人负责整个课程的运行与管理,每位教师向课程负责人负责;在课程规划与改革方面,以教授为主进行设计;在课程的资源建设方面,以副教授和讲师为主力。

2)定期开展相互听课、集体备课与教学研讨。作为一项制度,教学团队每两周召开一次教学研讨会(部分研讨会如图7所示),就课程建设、教学方法、教学内容等各方面开展研讨,很好地提升了课程的教学水平。

图6 北航近10年在机械原理教学方面的顶层设计与谋划

图7 团队成员集体备课与教学研讨情况

3)深入开展教育教学研究,促进课程水平提升。团队建设主要通过教改项目、MOOC制作等一系列课程改革与建设工作来实施。在完成这些工作的过程中,通过讨论与交流,使课程整体团队教学水平不断提高。近年来团队成员承担的教改项目20余项,在ASEE、《机械工程学报》、《高等工程教育研究》等期刊会议上发表教改论文20余篇。

表1 课程教学团队近几年完成的主要教改工作

总之,深厚的历史积淀,相对较高的起点,使机械原理课程形成了一支学历层次高、师资结构合理、教学科研并重且相互促进、团结协作、甘于奉献的高水平“机械原理”课程教学团队。2017年获得工信部“研究型创新教学团队”称号。

图8 研究型教学创新团队

专业特色

作为核心课,强力支撑机械工程、飞行器工程等多个“国家级一流专业”

团队承担的“机械原理”和“机械原理及设计”,都是为培养机械大类专业的人才培养而设立的。这些专业包含有“机械工程”“飞行器动力工程”“飞行器设计”“工程力学”“飞行器环境与生命保障工程”“飞行器适航”“交通运输”等。目前,“机械工程”“飞行器动力工程”“飞行器设计”“工程力学”等专业都已成为“国家级一流本科建设专业(2019)”。

课程重在培养学生的工程思维与机械创新设计能力,是机械大类专业传统意义上的主干课、核心课。主要的教学目标包括:

· 建立较为严谨的知识体系:即以机构学为主体的知识体系(知识层面);

· 有助于帮助学生建立科学的思维方法:包括形象思维、逻辑思维、辩证思维、工程思维等及其之间的相互融合(思维层面);

· 培养学生的工程实践与创新能力(技能、能力层面);

· 有助于提升学生的科学人文素养与创新意识(素质、思政层面)。

课程所支撑的专业都在积极贯彻北航本科教育“强化基础、突出实践、重在素质、面向创新”的人才培养方针和“科学基础、人文素养、实践能力”三位一体的高素质创新人才培养要求,培养具有良好的科学、文化和工程素养,具有良好的职业道德和敬业精神,具有高度的国家意识和社会责任感,系统地掌握航天专业基础知识、基本理论和基本技能,富有创新意识、团队合作精神和工程实践能力,能够在机械工业、航空航天及相关领域从事技术研发、工程应用、科学研究的优秀专业人才。

作为大&重课,助力机器人工程、智能制造工程等新工科专业人才培养

时代的发展对高等工程教育提出了新要求,也催生了中国新工科的建设热潮。新工科建设需要落实到每个专业、每门课程的教学改革与实践中。在北航2017版培养方案中,“机械工程”国家级一流专业和“机器人工程”、“智能制造工程”两个新工科专业都已将“机械原理”纳入到“大课&重课”建设系列。

课程内容体现学科发展的时代性与技术的先进性,同时突出航空航天特色

课程尽管是机械工程领域最早设立的课程,但由于依托机构学与机械系统动力学,学科支撑强,理论与技术发展势头强劲,如机器人及各类智能装备等,分析与设计方法层出不穷。因此,“机原”的教学内容与训练项目也做到了与时俱进,不断融入先进的元素。其中,航空航天又是现代科技皇冠上的明珠,航空航天机构发展迅猛,突出航空航天特色也是北航“机原”的一大亮点。飞机起落架、航空发动机、扑翼飞行器、可展天线等都作为重要主题展示给学生。

课程特色

“机原”课程始终坚持“与时俱进,敢为人先”。虽然是一门传统的技术基础课,但通过不断为其助力、储能:信息化手段、先进仿真工具、研究型教学、项目化教学、全英文教学、课程思政,使之焕发活力。“机原”课程已形成了鲜明的北航特色:1)构建了完备的教学资源:三门MOOC课程、各类教材(含云教材)、丰富的研究型项目库,有利于资源共享与传播;2)不断推进研究型与项目化教学,有效培养学生的创新设计能力。

持续改革创新,构建先进的课程知识内容体系结构

团队承担的“机械原理”课程是以机构的运动和动力设计为主要内容的一门技术基础课程。课程团队创建的研究型“教学原理”的结构框架(图9)。课程教学中注重基础理论知识教学的同时,加强了研究性内容的扩展。形成了适合研究型课程教学的新形态教材。

图9 “机械原理”研究型课程体系框架结构

结合学科前沿及科研实践,更新教学内容,提升工程实践能力

机械原理课程有着较强的学科背景,即机构学与机器动力学。传统机械原理的教学内容相对固化,而机构学的发展日新月异。北航的机构学研究特色鲜明,在国内处于优势地位,因此科研与教学的融合水到渠成。因此,将相关科研经历与成果引入到课堂教学中,遂成自然。具体在机械原理课堂教学中,适当了补充有关直线机构、瞬心线机构、自平衡机构、并联机构、柔性机构等方面的知识和最新研究进展。鼓励学生将直线机构、柔性机构等应用到仿生机器人的项目实践中。此外,受限于讲课学时数,除了在课堂补充一些与教学内容最相关的机构学研究进展之外,更多的补充知识留给学生做课外阅读。此外,编制了含100余道ADAMS运动仿真大作业题目和20余道具有较强工程背景的机构虚拟设计类题目在内的项目资源库。所编制的项目与常规的课外作业及期末卷面考试正好形成知识互补,通过两种类型综合起来对学生进行考核,知识点不仅可以涵盖机械原理内容的95%以上,更为重要的是,有效提升了学生利用所学知识解决实际问题的能力。

将机构史、科学素养等内容有机融合教学,夯实课程思政

“机械原理”既是一门具有较强知识体系的技术基础课,同时也可以成为一门很好的人文素养与科技文明有机结合的通识课程,其中蕴含丰富的机械科学技术史、机构发明史、以及发明家故事等内容。通过将这些实例与课堂内容相结合,将机构史融入到各章节的知识讲授中;同时,每学期为每个学生购置《机构工程简史》(张策著),留取课外阅读作业,撰写机构史调研报告,以加强学生对中国在机械发明领域的悠久历史和重要成就的了解,培养其自豪感和文化自信。将核心基础课的功能扩展到通识教育与课程思政的层面,对同类课程具有借鉴作用。

将虚拟仿真技术与经典理论有机融合,培养学生的科研能力

借助于虚拟样机的仿真与分析,加深对经典理论知识的学习和理解;以经典理论为基础,深刻理解和认识虚拟样机仿真与分析的本质。课上,以教师为主导,通过虚拟样机的建立与仿真,对涉及的机构学问题给予直观、生动的诠释,为机构设计过程及设计结果的虚拟样机仿真验证;课下,学生到专用的虚拟样机仿真实验室通过上机练习来熟悉和掌握虚拟样机技术(ADAMS软件),并完成课程实践报告。10余年来,“机原”团队在国内机械原理教学中率先实施的“理论知识与虚拟样机技术”相结合的模式已被国内几十所学校所借鉴。该成果获得北京市高等教育教学成果二等奖(图10)。

图10 北京市高等教育教学成果奖

凝练并提出了STEP教学模式并付诸于机械原理课程实践

STEP教学模式是指在课程学习及考核过程中,将软件工具(S)、理论学习(T)、实验操作(E)和项目实践(P)等作为必要的环节紧密融合(图3.11),所形成的一种过程性教学模式。该模式旨在培养学生自主学习能力,有效支撑专业认证中提出的“解决复杂工程问题的能力”。STEP教学思想付诸于机械原理课程实践始于2012年,实施了多轮次,并一直持续到现在。

图11 STEP教学模式的构成示意图

借助现代信息技术,加强优质网络教育资源建设,尝试先进的教学方式

1)大力加强MOOC课程及云课程资源建设。2015年9月,“机械原理”课程开始在“爱课程(中国大学MOOC)”平台上线开课(图12)。此后,在中国大学MOOC又先后上线开课了“机械原理学习指导与习题解析”和“机械原理及设计”MOOC课程(图13)。在“机械原理MOOC”的基础上,2016年出版国内首部《机械原理》云教材(图14),同时创建了国内首个机械原理“云班课”。

2)基于开展多种形式的翻转课堂实践。2015年春季学期,首次开展“翻转课堂”教学试点(图15):课前学生在“中国大学MOOC”上进行学习,课堂上讨论与问题探究,并拓展有关知识,效果良好[8]。2016年春季学期,进一步进行了基于“云教材”+“云班课”的形式“翻转课堂”教学试点(图16)。基于“MOOC”和“云教材 +云班课”的翻转课堂,为教师的研究型教学和学生的研究型学习奠定了扎实的基础,精心设计的探索问题,为研究型教学和学习的开展创造了切实可行的范例。2020年春季学期,受新冠疫情影响,课程全面应用“腾讯课堂”替代教室课堂,部分班级沿用了“云教材 +云班课”的教学模式,取得理想的教学效果。教学团队承担的另外一门课程“机械原理及设计”在2020年春季学期,采用了“腾讯课堂(直播)+SPOC+慕课堂”的教学模式(图17)。问卷调查表明,学生普遍认同和接受这样的教学模式和教学方法,并能很好地锻炼学生的自主学习能力。

图16 基于“云教材”和“云班课”的翻转课堂教学模式

图17 “机械原理及设计”课程的“腾讯课堂+SPOC+慕课堂”模式

积极开展研究型教学探索与实践,将创新能力的培养贯穿于整个课程中

“翻转课堂”只是一个教学形式的体现,其实质是通过这样的教学形式来体现研究型教学的内涵,为此课程团队重点开展了研究型教学法的研究与实践。

1)在理论教学的诸多知识点中融入研究型元素。开展了形式多样的研究型教学的探究:(a)新瓶装旧酒(自由度分析、瞬心);(b)偏重数理基础与机构学的融合;(c)博与专、广而细、重方法轻推导(运动学分析);(d)新知识(机构世界、瞬心线、柔性机构);(5)寓科研于教学中(基于虚拟瞬心的机构设计等),有关内容见图3.18所示。研究型教学的开展,提高了学生探究知识的积极性,培养了他们发现问题、探究问题和解决问题的能力,为创新性研究奠定了基础。

2)积极开展基于项目实践的研究型教学。自2017年春季学期开始,在机械学院率先试点(60名学生),实施基于项目实践的研究型教学。多轮次的实践表明,上述的实践实验教学环节有效地提升了学生的多方面能力,包括使用现代工具解决工程问题的能力,设计实验(项目)的能力、动手实践的能力、团队合作交流的能力等。

图18 学生设计的部分项目实践作品

面向中国学生开展全英文教学,提升学生的国际交流能力与竞争力

为了建设世界一流大学的需要,北航近些年不断加大国际交流的力度,为培养学生的国际视野和交流能力而努力。在此形势下,在总结多年针对留学生班的全英文授课经验的基础上,近五年还开展了针对中国学生的全英文的“机械原理”课程教学实践,由国外引进的青年学者担任授课教师,从授课的PPT、教师讲课,到作业、考试,全部采用英文进行,为课程与国际接轨进行了有益的探索,也受到了学生的普遍欢迎。目前在学校的“国际慕课”项目建设的支持下,“机械原理”英文版MOOC已经录制完成(如图19),即将开课。

图19 “机械原理”国际MOOC即将开课

实践创新教育

构建起以能力为导向的实验&实践教学体系;结合竞赛及学生感兴趣的研究型题目(如仿生机器人等),有效开展课内&课外相结合的实验&实践教学活动,培养学生的创新设计能力和动手实践能力。

构建以能力为导向、分层次的实验&实践教学体系

结合课程特点与OBE理念,构建了分层次(原理演示型、自主设计型、创新实践型)、分专业、选修与必修相结合的机械原理新型实验教学体系,具体将机械原理实验教学体系为五层结构(图20)。体系框架力争构建出既具有认知性和验证性特征的基础性和普及性实验项目,又可体现创新设计思维及方法的设计实验项目,还有强调自主创新设计能力和动手实践能力的创新设计与制作实验项目。在第Ⅱ层次以上的各层实验项目中,都还可以应用ADAMS虚拟样机技术来实现实验内容,不但丰富了实验技术与手段,而且将先进的机械系统运动学和动力学分析技术引入到实践中,锻炼学生应用先进技术解决实际问题的能力。实验教学内容的具体架构如图21所示,辅以构建了优质的实验项目与实验环境,如图22和图23所示。

图20 课程实验教学体系结构

图21 课程实验教学内容结构

图22 设计类实验项目及平台的开发

图23 机械原理实验教学环境

课内外相结合,开展基于项目实践的创新教育

突出“学生主体、教师主导”的教学思想,理论实践相结合,着重培养学生的科研思维、工程实践、团队协作、以及自主创新能力。

1)实践项目I(个体):机构的虚拟样机设计与仿真验证。根据给定的研究型题目(每人一题),应用SolidWorks和ADAMS等CAD/CAE工程软件建立机构的虚拟样机模型,仿真验证设计结果,撰写分析研究报告。(第10-14周)。

2)实践项目II(小组):仿生机构设计。自选设计题目,完成机构或机械系统的概念设计,建立虚拟样机模型进行仿真验证,研制实物样机模型进行功能验证(图3.24),撰写研究报告。(整个学期,第6周开题答辩、第12周中期答辩、第16周结题答辩)实践表明,项目实践教学环节有效地提升了学生的多方面能力,包括使用现代工具解决工程问题的能力,设计实验(项目)的能力、动手实践的能力、团队合作交流的能力等。

图24 机构设计与制作实验

挖潜优秀学生的潜能与兴趣,开展基于国际&国内竞赛的创新能力教育

课程团队在学校的大力支持下,成立了“大学生国际机器人机构与机构学奥林匹克竞赛(SIOMMS)”参赛队,连续参加了第2~4届竞赛(2013,中国上海;2016,西班牙马德里;2018,秘鲁利马),在培养了学生机构的创新设计能力的同时,极大地开阔了学生的国际视野,培养了他们在国际舞台沟通交流的能力。其中,第四届国际机构和机器科学大学生奥林匹克竞赛中获得团体亚军,个人亚军和个人季军(图3.25)。同时,团队负责人等作为北航“机械创新基地”教练,组织和规划学生参加了多届的“全国大学生机械创新设计大赛”和“首都高校机械创新设计大赛”,并作为指导教师,指导20余项作品参加竞赛(图26),取得优良成绩。

图25 SIOMMS参赛及获奖照片

图26 各类机械创新设计大赛的部分获奖证书

(审核:曹庆华)


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