機(jī)械原理課程改革和創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐的探索

張?jiān)虑?/p>

[摘 要]為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和社會(huì)需求的日漸多樣化，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才，高等院校需要持續(xù)推進(jìn)課程改革和建設(shè)。結(jié)合我院創(chuàng)新育人模式，對(duì)機(jī)械原理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精選和優(yōu)化，進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)化實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，并對(duì)課外科技創(chuàng)新實(shí)踐進(jìn)行一些改革嘗試和探索，取得了一定的成效。通過加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、開展課外科技創(chuàng)新活動(dòng)等教學(xué)改革措施，有效培養(yǎng)了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力，增強(qiáng)了學(xué)生的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)能力。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械原理 課程改革 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 實(shí)踐

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）05-0131-03

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展、社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇以及社會(huì)需求的日漸多樣化，探索并實(shí)踐集傳授知識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、鼓勵(lì)個(gè)性發(fā)展、全面提高學(xué)生素質(zhì)為一體的人才培養(yǎng)模式，是培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的高素質(zhì)應(yīng)用型人才的一個(gè)基本思路。本文以南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院為例，進(jìn)一步深化機(jī)械原理課程改革和創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐的探索。

機(jī)械原理課程作為機(jī)械類專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的全局中，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的任務(wù)，在機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程體系中占有十分重要的地位。[1]本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)及課外創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐等方面進(jìn)行改革和探索。

二、精選教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段

機(jī)械原理是一門以機(jī)器和機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象的學(xué)科。針對(duì)我院培養(yǎng)高級(jí)應(yīng)用型人才的目標(biāo)和要求，教學(xué)內(nèi)容以加強(qiáng)基礎(chǔ)，突出重點(diǎn)和工程應(yīng)用，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。課堂教學(xué)精選講授內(nèi)容[2] [3] [4]，根據(jù)每部分的特點(diǎn)，改進(jìn)并靈活設(shè)置教學(xué)方法和教學(xué)手段，以工程設(shè)計(jì)實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂學(xué)習(xí)。

對(duì)于各種機(jī)構(gòu)的共性問題，要注重讓學(xué)生弄清基本概念，理解基本原理，掌握機(jī)構(gòu)分析和綜合的基本方法，以及這些原理和方法在工程實(shí)際中應(yīng)用的范圍和條件。機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析是合理設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)和創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的重要途徑和方法，講授時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室中常見機(jī)構(gòu)的模型讓學(xué)生多觀察、多分析機(jī)構(gòu)的組成原理。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與理論力學(xué)直接相關(guān)，是理論力學(xué)中運(yùn)動(dòng)學(xué)部分的延續(xù)和推廣，但研究對(duì)象從質(zhì)點(diǎn)和剛體轉(zhuǎn)換為構(gòu)件和機(jī)構(gòu)，要讓學(xué)生以工程的觀點(diǎn)分析和解決有關(guān)問題。如以學(xué)生熟悉的牛頭刨床為例，分析構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。機(jī)械中的摩擦和效率，涉及理論力學(xué)中的受力分析，應(yīng)以習(xí)題課的形式分析工程實(shí)際問題。機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)及其速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)和機(jī)械的平衡的學(xué)習(xí)放在實(shí)驗(yàn)課環(huán)節(jié)，讓學(xué)生直觀的學(xué)習(xí)有關(guān)的基本原理和方法等。

在常用機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)中，需要加強(qiáng)理論和實(shí)際的聯(lián)系。教師以課外作業(yè)的形式要求學(xué)生在每種機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)之前查找其應(yīng)用實(shí)例，并分析其工作原理等，讓學(xué)生提前了解機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高了課堂學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率。教師在講授時(shí)，選擇一兩個(gè)典型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)工程實(shí)例為切入點(diǎn)，引出講解內(nèi)容。為了增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和形象性，常用機(jī)構(gòu)的部分講授內(nèi)容安排在機(jī)械原理模型室進(jìn)行，即開展校內(nèi)情景式教學(xué)。情景式教學(xué)，可把抽象的理論和形象具體的實(shí)物聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生從理論與實(shí)踐的結(jié)合中去理解理論知識(shí)，進(jìn)而去分析問題，解決問題。[5]借助機(jī)構(gòu)實(shí)物模型的運(yùn)動(dòng)，教師可方便地開展啟發(fā)式、探討式、引導(dǎo)式課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)師生間的課堂互動(dòng)性，課堂效果良好。對(duì)其他常用機(jī)構(gòu)如間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)等，要求學(xué)生自學(xué)，并開放機(jī)械原理陳列室，讓學(xué)生可通過課余時(shí)間分析這些機(jī)構(gòu)的實(shí)物模型仿真運(yùn)動(dòng)。針對(duì)不同的機(jī)構(gòu)，教師設(shè)置不同的問題，啟發(fā)學(xué)生討論這些機(jī)構(gòu)的工作原理、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和用途，不僅提高了學(xué)生的觀察能力、分析能力，且擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面，完善了學(xué)生的知識(shí)機(jī)構(gòu)。

在課程開始之初，教師要對(duì)課程的地位、任務(wù)及學(xué)習(xí)方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，強(qiáng)調(diào)機(jī)械原理與高等數(shù)學(xué)、物理、理論力學(xué)等課程之間的交叉滲透作用，讓學(xué)生提前為本課程的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。在課程學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將前面所學(xué)內(nèi)容和方法應(yīng)用到后續(xù)所學(xué)內(nèi)容中，如機(jī)架轉(zhuǎn)換法在平面連桿機(jī)構(gòu)的演化和設(shè)計(jì)、凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)、周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)比的計(jì)算中都有應(yīng)用，包絡(luò)原理在滾子及平底凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)、范成法加工齒輪齒廓曲線中都有應(yīng)用，應(yīng)前后聯(lián)系起來，學(xué)會(huì)融會(huì)貫通，為提高學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力打下良好的基礎(chǔ)。

本課程實(shí)踐性強(qiáng)，為了增強(qiáng)教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，在講授時(shí)，要合理地利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，CAI）課件。如在學(xué)習(xí)平面連桿機(jī)構(gòu)的各種演化形式時(shí)，通過演示構(gòu)件形狀及相對(duì)尺寸的漸變，加以教師的啟發(fā)，讓學(xué)生形象直觀地掌握各類平面連桿機(jī)構(gòu)之間的區(qū)別和聯(lián)系；在學(xué)習(xí)凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)原理時(shí)，推桿的反轉(zhuǎn)演示動(dòng)畫可形象地展示出凸輪輪廓曲線的形成過程。這樣，通過動(dòng)畫演示，讓學(xué)生易于掌握抽象、難懂的理論知識(shí)。探索制作交互式課件，將課程教學(xué)內(nèi)容、交互式設(shè)計(jì)方案以及豐富的教學(xué)參考資料形象、生動(dòng)、直觀地展示出來，提高課堂教學(xué)的有效性和互動(dòng)性[6]，是對(duì)現(xiàn)有教學(xué)課件進(jìn)行優(yōu)化的一個(gè)新思路。因課堂教學(xué)課時(shí)的限制，可增加學(xué)生的課外自學(xué)課時(shí)，開放網(wǎng)絡(luò)課件及實(shí)驗(yàn)室，豐富學(xué)生自學(xué)資源。

三、改革實(shí)驗(yàn)課，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

為了進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，在原有6學(xué)時(shí)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ)上，增設(shè)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)課。本實(shí)驗(yàn)課安排在機(jī)械原理課程結(jié)束之后的下一個(gè)學(xué)期，由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)搭建和Pro / E上機(jī)兩個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)組成。本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生掌握機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案擬訂及機(jī)構(gòu)選型、變異的基本知識(shí)，掌握常見機(jī)構(gòu)的組合方式及機(jī)械各執(zhí)行構(gòu)件間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，了解機(jī)構(gòu)選型的評(píng)價(jià)體系，逐步樹立工程設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)。同時(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件Pro / E對(duì)所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和優(yōu)化，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的軟件應(yīng)用能力，更讓學(xué)生掌握了現(xiàn)代設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并把現(xiàn)代設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思想融合在本課程實(shí)踐之中，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)。

根據(jù)教師布置的任務(wù)要求，每個(gè)學(xué)生至少自行設(shè)計(jì)5個(gè)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案。在上機(jī)環(huán)節(jié)，按照設(shè)計(jì)的方案，結(jié)合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的功能零部件的參數(shù)和尺寸，在Pro / E軟件中對(duì)方案中使用的零部件進(jìn)行三維建模、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，從而直觀形象地分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性和構(gòu)件布局的合理性，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。利用Pro / E軟件的“測(cè)量”功能，可對(duì)機(jī)構(gòu)各部分的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)量，分析機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如從動(dòng)件上指定點(diǎn)的位移、速度、加速度等，而利用運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果輸出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)圖表，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)物模型搭建環(huán)節(jié)，參與實(shí)驗(yàn)學(xué)生3個(gè)人一組，利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新搭建和仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)物模型的拼裝和運(yùn)動(dòng)演示，利用平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合，可對(duì)所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。對(duì)于搭建后的機(jī)構(gòu)，根據(jù)對(duì)某個(gè)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)要求，組建測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、速度、加速度等參數(shù)的測(cè)試，進(jìn)而對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析和優(yōu)化。

在本實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)過程中，學(xué)生表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣和積極性，每組同學(xué)協(xié)作互助，共同完成每一個(gè)設(shè)計(jì)方案的搭建。學(xué)生設(shè)計(jì)的方案新穎多樣，切合工程實(shí)際，如工業(yè)機(jī)械手、自動(dòng)打標(biāo)機(jī)、精壓機(jī)、無鏈條杠桿式自行車等。小組內(nèi)各成員間對(duì)不同方案的對(duì)比和探討，不僅深化了自己對(duì)理論知識(shí)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，更提升了自己的創(chuàng)新思維能力，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

四、建立大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)，開展課外科技創(chuàng)新活動(dòng)

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力，利用人類已有的相關(guān)科學(xué)技術(shù)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，設(shè)計(jì)出具有新穎性、創(chuàng)造性及實(shí)用性的機(jī)構(gòu)或機(jī)械產(chǎn)品（裝置）的一種實(shí)踐活動(dòng)[7]，是激發(fā)大學(xué)生潛能，培養(yǎng)機(jī)械類大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的重要手段。我院建立了開放性的機(jī)電工程系大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室主要面向機(jī)電工程系學(xué)生開展各類課外科技活動(dòng)，旨在提高我系學(xué)生的科技創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，促進(jìn)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合，是提升學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合素質(zhì)和能力的重要平臺(tái)。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室具備了進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的各種設(shè)備，包含車床、銑床、鉆床等加工制造設(shè)備，25臺(tái)智能兩輪車，兩臺(tái)電腦鼠及IEEE標(biāo)準(zhǔn)迷宮板，各種電子元器件及制作工具和調(diào)試設(shè)備等，配備了專用電腦和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并聘請(qǐng)了一位機(jī)械加工技術(shù)人員協(xié)助學(xué)生進(jìn)行各種機(jī)床、工具等的操作使用，為對(duì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)有興趣有潛能的學(xué)生提供了科技創(chuàng)新實(shí)踐的良好條件。

為了開闊學(xué)生的視野，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科技創(chuàng)新活動(dòng)的興趣，實(shí)驗(yàn)室選擇機(jī)器人作為課外創(chuàng)新設(shè)計(jì)和科技制作的載體之一，成立了機(jī)器人興趣小組，并為機(jī)器人興趣小組配備了指導(dǎo)教師，為學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計(jì)指點(diǎn)迷津。我院每年舉辦一次面向全院學(xué)生的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，每次比賽都吸引了不少學(xué)生參加，部分學(xué)生制作的機(jī)器人結(jié)構(gòu)新穎、功能多樣，總體設(shè)計(jì)和制作水平逐年提高。通過比賽，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣和潛能，豐富了他們的課外生活，增加了同學(xué)間的互動(dòng)性，使學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)踐有效結(jié)合起來。

依托江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室小組成員依次順利完成了多足爬壁機(jī)器人和自動(dòng)化立體停車庫等機(jī)電一體化作品的設(shè)計(jì)及制作。實(shí)驗(yàn)室小組成員還成功設(shè)計(jì)制作了航空模型飛機(jī)、旋翼飛行器、遙控模型車、跳高機(jī)器人等科技作品。這些科技作品又可以應(yīng)用到課堂教學(xué)之中，豐富課堂內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)室齊全的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和良好的學(xué)習(xí)氛圍，吸引了越來越多的優(yōu)秀學(xué)生參與到科技創(chuàng)新的實(shí)踐中來。實(shí)驗(yàn)室由學(xué)生自行管理，要求學(xué)生遵守實(shí)驗(yàn)室的使用管理規(guī)范，滿足了學(xué)生課外科技創(chuàng)新訓(xùn)練要求，提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率，已逐步形成可持續(xù)發(fā)展的課外科技創(chuàng)新活動(dòng)機(jī)制。

五、結(jié)論

為適應(yīng)當(dāng)前高科技的快速發(fā)展和社會(huì)形勢(shì)對(duì)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求，結(jié)合我院創(chuàng)新育人模式，本文闡述了對(duì)機(jī)械原理理論及其實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行的一系列改革嘗試和探索。通過加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、開展課外科技創(chuàng)新活動(dòng)等教學(xué)改革措施，有效培養(yǎng)了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力，增強(qiáng)了學(xué)生的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)能力。

[ 注 釋 ]

[1] 鄭文緯，吳克堅(jiān).機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，1996：1-8.

[2] 朱如鵬.機(jī)械原理[M].北京：航空工業(yè)出版社，1998：1-5.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2013：1-4.

[4] 潘存云.機(jī)械原理[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2012：1-16.

[5] 朱煥勤.開展情景式教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，提高職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量[J].中國教育發(fā)展研究，2007（4）：67-69.

[6] 羅繼曼，鄭夕健，侯祥林.機(jī)械原理課程多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)的研究與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2013（5）：148-150.

[7] 張春林.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：5.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]