基于機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)教學(xué)改革與實(shí)踐

葛培琪， 畢文波， 朱振杰， 楊春鳳

(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

0 引 言

自“為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才？”提出以來，研究創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為了教育界關(guān)注的熱點(diǎn)，研究型、教學(xué)研究型大學(xué)正致力于從應(yīng)試型、知識(shí)型、技能型人才培養(yǎng)模式向綜合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變。清華大學(xué)最先借鑒美國(guó)麻省理工學(xué)院等大學(xué)經(jīng)驗(yàn)，于1996年開始實(shí)施了大學(xué)生科研訓(xùn)練(SRT)計(jì)劃[1]，各高?；凇敖虒W(xué)與研究相統(tǒng)一”的研究型教學(xué)原則，開展了大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)、Seminar研討、Team Project等大學(xué)生科研能力培養(yǎng)模式的探索[2-8]。但是，上述大學(xué)生研究創(chuàng)新能力的培養(yǎng)主要是通過第二課堂來實(shí)現(xiàn)，游離于教學(xué)體制之外，參與創(chuàng)新活動(dòng)人數(shù)較少，學(xué)生受益面有限[9]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過支持學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，搞創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)[11-13]。課題組借鑒美國(guó)大學(xué)Team Project綜合實(shí)踐教學(xué)模式[14-15]，自2005年起開展了團(tuán)隊(duì)教學(xué)方法研究[16]，依托山東大學(xué)國(guó)家級(jí)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，基于機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)，從教學(xué)組織、教學(xué)內(nèi)容、考核方式等對(duì)大學(xué)生科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力進(jìn)行了培養(yǎng)模式的改革與實(shí)踐。

1 團(tuán)隊(duì)教學(xué)培養(yǎng)模式

為克服體制外第二課堂科技創(chuàng)新活動(dòng)參與學(xué)生人數(shù)少的問題，結(jié)合山東大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)實(shí)際情況，在大三教學(xué)計(jì)劃中設(shè)置了“機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)”必修課，將大學(xué)生科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)納入到體制內(nèi)第一課堂，并完善了研究性教學(xué)的條件和環(huán)境，形成了學(xué)生團(tuán)隊(duì)為主體的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。

1.1 教學(xué)組織

教學(xué)組織形式以綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為載體，以學(xué)生團(tuán)隊(duì)為單位進(jìn)行管理和考核，形成以學(xué)生為中心、以學(xué)生自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練為主、教師啟發(fā)和指導(dǎo)為輔的團(tuán)隊(duì)教學(xué)方法。

學(xué)生團(tuán)隊(duì)類似于高校教師的創(chuàng)新群體，但其構(gòu)建不依學(xué)生個(gè)體意愿而產(chǎn)生，而是由教師按學(xué)生前期相關(guān)課程的學(xué)習(xí)成績(jī)確定。團(tuán)隊(duì)成員之間能力應(yīng)有差異，通過共同完成項(xiàng)目任務(wù)，在實(shí)踐中教學(xué)相長(zhǎng)，互相學(xué)習(xí)和幫助，形成團(tuán)結(jié)協(xié)作的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，并在完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中體會(huì)互相合作帶來的益處。由教師指定團(tuán)隊(duì)是為了模擬企業(yè)實(shí)際，因?yàn)榇髮W(xué)生畢業(yè)后到企業(yè)或公司中工作時(shí)，他們沒有選擇所要加入團(tuán)隊(duì)的權(quán)利，一般是由主管人員指定他們到需要的工作團(tuán)隊(duì)，而他們的工作業(yè)績(jī)?nèi)Q于他們能否與團(tuán)隊(duì)成員團(tuán)結(jié)協(xié)作，發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，共同完成工作任務(wù)。為便于教學(xué)，學(xué)生團(tuán)隊(duì)的規(guī)模一般由3或4人組成，并制定完善的動(dòng)態(tài)管理制度，授權(quán)團(tuán)隊(duì)有權(quán)解雇不合作團(tuán)隊(duì)成員，也允許個(gè)別團(tuán)隊(duì)成員從團(tuán)隊(duì)中辭職并轉(zhuǎn)投其他團(tuán)隊(duì)。

完善的團(tuán)隊(duì)運(yùn)行機(jī)制是學(xué)生團(tuán)隊(duì)有效運(yùn)行的保證。團(tuán)隊(duì)不同于小組，對(duì)于一個(gè)小組來說，整體等于或小于各個(gè)個(gè)體之和。對(duì)于團(tuán)隊(duì)來說，整體總是大于個(gè)體之和。要把小組轉(zhuǎn)變成有效的團(tuán)隊(duì)，首先要明確團(tuán)隊(duì)工作方針和形成共同的預(yù)期目標(biāo)。為此，需先簽訂團(tuán)隊(duì)政策聲明和團(tuán)隊(duì)預(yù)期目標(biāo)協(xié)議。團(tuán)隊(duì)政策聲明用于指導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊(duì)有效運(yùn)作、規(guī)定成員的角色和責(zé)任、明確完成和提交作業(yè)的程序、處理不合作成員的策略。簽定團(tuán)隊(duì)預(yù)期目標(biāo)協(xié)議有兩個(gè)目的：① 使團(tuán)隊(duì)全體成員確定可實(shí)現(xiàn)的共同預(yù)期目標(biāo)；② 作為團(tuán)隊(duì)的法律文件，避免成員相互抱怨。

1.2 培養(yǎng)環(huán)節(jié)

機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的理論教學(xué)為16學(xué)時(shí)，綜合實(shí)驗(yàn)32學(xué)時(shí)，但不局限于32學(xué)時(shí)，可以通過在智能管理的開放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約實(shí)驗(yàn)。課堂內(nèi)教學(xué)要詳細(xì)介紹課程的實(shí)施方案，布置可供學(xué)生團(tuán)隊(duì)選擇的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，講解團(tuán)隊(duì)政策聲明和團(tuán)隊(duì)預(yù)期目標(biāo)協(xié)議、開題報(bào)告、進(jìn)展報(bào)告、工作日志、技術(shù)總結(jié)報(bào)告的撰寫和要求。通過項(xiàng)目的確定和實(shí)施，實(shí)踐科研工作的全過程。學(xué)生團(tuán)隊(duì)按照課程要求，分3個(gè)階段完成以下工作。

(1) 第一階段，撰寫開題報(bào)告。圍繞選定的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過資料搜集、閱讀和調(diào)研，撰寫開題報(bào)告，指導(dǎo)教師對(duì)各團(tuán)隊(duì)進(jìn)行具體的質(zhì)詢和指導(dǎo)。開題報(bào)告的主要內(nèi)容應(yīng)包括：立論依據(jù)、主要工作內(nèi)容、研究方案、技術(shù)路線、主要特色及創(chuàng)新點(diǎn)、計(jì)劃進(jìn)度等。指導(dǎo)教師對(duì)團(tuán)隊(duì)提交的開題報(bào)告進(jìn)行評(píng)閱，判斷項(xiàng)目的可行性，指出不足之處，寫成具體的評(píng)閱意見，學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)指導(dǎo)教師的評(píng)閱意見對(duì)開題報(bào)告進(jìn)行修改、補(bǔ)充和完善。

(2) 第二階段，項(xiàng)目實(shí)施。學(xué)生團(tuán)隊(duì)按照開題報(bào)告提出的內(nèi)容和工作計(jì)劃，完成項(xiàng)目的工作內(nèi)容。在項(xiàng)目實(shí)施過程中需關(guān)注以下工作：①按照所確定綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需要，進(jìn)行預(yù)約實(shí)驗(yàn)；②期中撰寫項(xiàng)目的中期進(jìn)展報(bào)告，分層次、列標(biāo)題表述所開展的工作、取得的進(jìn)展或遇到的問題，給出必要的數(shù)據(jù)圖表，對(duì)照開題報(bào)告的工作計(jì)劃和內(nèi)容，闡明對(duì)內(nèi)容和計(jì)劃要點(diǎn)的修改情況；③在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，要作詳細(xì)的工作日志。工作日志應(yīng)包括學(xué)生團(tuán)隊(duì)組織項(xiàng)目討論會(huì)的時(shí)間、地點(diǎn)、參加人員、研討議題、意見分歧和最終形成的決議。通過工作日志一方面對(duì)工作進(jìn)展及時(shí)總結(jié)、思考，并記錄對(duì)解決問題過程中所學(xué)新知識(shí)與項(xiàng)目的結(jié)合，有助于學(xué)生理論與實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度并將這種方法形成一種專業(yè)素養(yǎng)應(yīng)用于將來的工作中。工作日志應(yīng)撰寫規(guī)范，隨時(shí)備查，并作為成績(jī)考核依據(jù)之一。

(3) 第三階段，總結(jié)與答辯。在綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施完成后，要根據(jù)所完成的工作撰寫技術(shù)總結(jié)報(bào)告。技術(shù)總結(jié)報(bào)告要求寫作規(guī)范、層次分明、條目清晰、內(nèi)容準(zhǔn)確、邏輯性強(qiáng)、數(shù)據(jù)可信，主要結(jié)果要能夠合理解釋，自圓其說。技術(shù)總結(jié)報(bào)告的主要內(nèi)容包括背景意義、綜合實(shí)驗(yàn)工作的具體內(nèi)容及結(jié)論、市場(chǎng)前景、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、推廣應(yīng)用策略、參考文獻(xiàn)、工作體會(huì)、意見建議等。

在答辯過程中要求制作PPT，語言流暢，邏輯性強(qiáng)，團(tuán)隊(duì)中全體成員集體參加，分階段輪流講解。

1.3 考核方式

指導(dǎo)教師按照學(xué)生團(tuán)隊(duì)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成情況以團(tuán)隊(duì)為單位確定成績(jī)，團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的成績(jī)由5部分組成：開題報(bào)告(15%)，期中檢查報(bào)告(10%)，工作日志(10%)，技術(shù)總結(jié)報(bào)告(40%)，答辯(25%)。

團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目成績(jī)確定以后，通過團(tuán)隊(duì)成員間的相互評(píng)議，決定團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員的具體成績(jī)。為培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，互評(píng)重點(diǎn)為團(tuán)隊(duì)成員在團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目完成中團(tuán)結(jié)協(xié)作、互相幫助、承擔(dān)團(tuán)隊(duì)責(zé)任與義務(wù)方面的情況。團(tuán)隊(duì)成員相互評(píng)議后，按評(píng)議結(jié)果，調(diào)整團(tuán)隊(duì)成員間的成績(jī)差異。

2 基于機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

為達(dá)到研究創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的，課題組以國(guó)家級(jí)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為依托，提出了系列的機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生團(tuán)隊(duì)選擇。由于教學(xué)對(duì)象是大三第六學(xué)期的學(xué)生，而且必須在一個(gè)學(xué)期內(nèi)完成全部工作，綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以機(jī)械基礎(chǔ)類為主，并在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮項(xiàng)目難度和工作量的大小。

2.1 研究性綜合實(shí)驗(yàn)

該類項(xiàng)目要求學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行建模、理論計(jì)算和仿真分析，并通過綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證仿真分析結(jié)果和修改完善理論模型，全面培養(yǎng)學(xué)生的課題研究和創(chuàng)新能力。該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：滑動(dòng)軸承綜合實(shí)驗(yàn)，螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)，滾動(dòng)軸承受載測(cè)量實(shí)驗(yàn)，潤(rùn)滑油粘度及粘溫特性實(shí)驗(yàn)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)等。

2.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

該類項(xiàng)目結(jié)合工程實(shí)際，實(shí)現(xiàn)對(duì)已有機(jī)器設(shè)備的消化吸收及創(chuàng)新設(shè)計(jì)。學(xué)生團(tuán)隊(duì)需根據(jù)示范中心來自于工程實(shí)際的機(jī)器設(shè)備，在對(duì)機(jī)器設(shè)備的認(rèn)識(shí)、測(cè)繪、設(shè)計(jì)、計(jì)算和仿真分析的基礎(chǔ)上，完成整機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)并繪制圖紙，實(shí)現(xiàn)原有機(jī)器設(shè)備的功能。該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：提斗上料機(jī)設(shè)計(jì)，間歇送料及沖壓機(jī)設(shè)計(jì)，曲柄壓力機(jī)及送料裝置設(shè)計(jì)，步進(jìn)輸送機(jī)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)位及輸送裝置設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)，光機(jī)電氣液壓一體化全自動(dòng)裝配生產(chǎn)線功能模塊設(shè)計(jì)等。

2.3 機(jī)械系統(tǒng)的搭建及檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心提供的設(shè)備條件，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，自主搭建機(jī)械系統(tǒng)，完成機(jī)械系統(tǒng)搭建過程中的裝調(diào)、檢測(cè)，并進(jìn)行所搭建機(jī)械系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)。該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：受翻轉(zhuǎn)力矩螺栓組聯(lián)接螺栓受力分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)意組合搭建實(shí)驗(yàn)等。

3 教學(xué)實(shí)踐及效果

經(jīng)過多年的團(tuán)隊(duì)教學(xué)改革與實(shí)踐，對(duì)團(tuán)隊(duì)組成、團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、教學(xué)過程管理和成績(jī)考核等逐步完善，構(gòu)建了系統(tǒng)的教學(xué)體系。參與本課程的大學(xué)生積極性很高，大多數(shù)學(xué)生團(tuán)隊(duì)都能按課程很好的完成各環(huán)節(jié)，現(xiàn)舉例說明課程的實(shí)施情況。

3.1 滑動(dòng)軸承綜合實(shí)驗(yàn)

由3人組成的一學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)圖1所示的滑動(dòng)軸承油膜壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)，掌握了滑動(dòng)軸承流體動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜的實(shí)測(cè)原理，自學(xué)了Matlab、Fortran語言和數(shù)值計(jì)算方法，按照有限長(zhǎng)滑動(dòng)軸承流體動(dòng)壓潤(rùn)滑問題，編寫了滑動(dòng)軸承流體動(dòng)壓油膜的數(shù)值計(jì)算程序。通過數(shù)值計(jì)算獲得了實(shí)驗(yàn)滑動(dòng)軸承的三維油膜壓力分布(見圖2)。圖2所示油膜壓力分布的具體參數(shù)為：軸承寬度125 mm，軸頸半徑35 mm，軸承半徑間隙0.02 mm，軸頸轉(zhuǎn)速100 r/min，潤(rùn)滑油粘度為0.34 Pa·s，軸承所受徑向載荷200 N。根據(jù)圖2所示的三維油膜壓力分布，可獲得軸承對(duì)稱面周向壓力分布和軸承軸向壓力分布，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，分析誤差產(chǎn)生原因，修改完善理論分析和實(shí)驗(yàn)方案。在此基礎(chǔ)上，該學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在較大參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑性能進(jìn)行了數(shù)值分析，計(jì)算了滑動(dòng)軸承的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜厚度、油膜溫度場(chǎng)分布等，計(jì)算分析了滑動(dòng)軸承寬徑比、偏心率等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑性能的影響。

圖1 滑動(dòng)軸承油膜壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖2 數(shù)值求解滑動(dòng)軸承油膜壓力分布

3.2 步進(jìn)輸送機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

步進(jìn)輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線。某4人組成的學(xué)生團(tuán)隊(duì)選擇對(duì)圖3所示步進(jìn)輸送進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過對(duì)圖3所示的已有設(shè)備原型功能認(rèn)知和了解，并基于Labview虛擬儀器軟件，采用加速度傳感器、電荷放大器、NI數(shù)據(jù)采集卡、筆記本電腦等，實(shí)測(cè)步進(jìn)輸送機(jī)工作臺(tái)的加速度特性。通過對(duì)設(shè)備原型測(cè)繪和機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元分析，并對(duì)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的性能分析和Adams仿真，采用Solidworks設(shè)計(jì)圖4所示的步進(jìn)輸送機(jī)的三維模型，并形成二維工程圖紙。學(xué)生團(tuán)隊(duì)在對(duì)原設(shè)備中曲柄搖桿與搖桿滑塊組成的六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)存在的不足，創(chuàng)新性地提出采用曲柄導(dǎo)桿與搖桿滑塊組成的六桿機(jī)構(gòu)代替，并對(duì)兩種機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比研究。

圖3 步進(jìn)輸送機(jī)原型

圖4 步進(jìn)輸送機(jī)Solidworks三維設(shè)計(jì)

4 結(jié) 語

實(shí)踐出真知，創(chuàng)新無止境。課題組借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，利用山東大學(xué)國(guó)家級(jí)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的設(shè)備條件，進(jìn)行了基于機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)教學(xué)改革與實(shí)踐。機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)既強(qiáng)調(diào)理論研究，又突出工程應(yīng)用，充分發(fā)揮了示范中心的設(shè)備優(yōu)勢(shì)，盤活了設(shè)備資源。對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)，既要強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，又需要發(fā)揮個(gè)體的主動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí)，不僅需要綜合運(yùn)用前期課程的基礎(chǔ)知識(shí)，還需要自學(xué)必要的新知識(shí)。從效果來看，經(jīng)過此環(huán)節(jié)，學(xué)生團(tuán)隊(duì)的科研素養(yǎng)、主動(dòng)學(xué)習(xí)能力、書面表達(dá)和語言表達(dá)能力、分析問題和解決問題的能力得到明顯提高。鑒于此，我們將進(jìn)一步完善教學(xué)體系，更新、拓展綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)具有更強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新人才。

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