改革課程實踐環(huán)節(jié) 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識

張軍昌+張李嫻+郭紅利+尤芳

摘要：機(jī)械原理課程實踐教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生的獨立學(xué)習(xí)能力、科研工作能力、創(chuàng)造性思維能力、實驗動手能力和表達(dá)能力等方面具有十分重要的作用。本文結(jié)合長期的教學(xué)經(jīng)驗，闡述了該課程教學(xué)實踐環(huán)節(jié)改革的方向及其在創(chuàng)新意識和創(chuàng)新設(shè)計的能力培養(yǎng)過程中所起到的作用。

關(guān)鍵詞：實踐環(huán)節(jié);機(jī)械原理;改革;創(chuàng)新意識

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）43-0091-03

隨著社會的發(fā)展和教育體制的不斷改革，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)社會的能力和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)已成為高等教育的根本。在工科專業(yè)的整個課程體系設(shè)置中，機(jī)械原理是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程。為了能夠真正通過扎實的實踐環(huán)節(jié)來提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，我校借助學(xué)校和學(xué)院的各種條件和保證措施，對該門課的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)——課程設(shè)計、課程實驗和創(chuàng)新設(shè)計大賽等不同的實踐內(nèi)容主要采取了以下不同的改革措施和方法。

一、機(jī)械原理課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

從內(nèi)容上講，整個機(jī)械原理的課程包括課堂教學(xué)（包括實驗教學(xué)）和課程設(shè)計兩部分，其在時間安排上是相互獨立的。課堂教學(xué)主要是以機(jī)構(gòu)的分析為主要內(nèi)容，重點是機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、運動和動力分析以及參數(shù)的計算;作為課程中一個重要的實踐環(huán)節(jié)，機(jī)械原理課程設(shè)計在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力方面具有重要的作用，所以在進(jìn)行機(jī)械原理課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)改革時，首先應(yīng)當(dāng)關(guān)注的是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。近幾年來，為了滿足教學(xué)發(fā)展的需求，我校機(jī)械原理課程設(shè)計先后經(jīng)歷了利用圖解法實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計，利用解析法實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計和機(jī)械傳動系統(tǒng)方案的設(shè)計三個階段。在課程設(shè)計改革的過程中，我們始終堅持把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力作為改革的宗旨。

（一）機(jī)構(gòu)圖解法的分析與設(shè)計

在早期的機(jī)械原理的課程設(shè)計中，我們采用的是利用圖解法實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計。這種方法要求學(xué)生利用所學(xué)的基本理論知識，根據(jù)分配的設(shè)計題目，按照課程設(shè)計教學(xué)指南，一步一步地完成每一項設(shè)計任務(wù)。比如我們前期所進(jìn)行的課程設(shè)計主要是要求大家利用課堂上所學(xué)過的機(jī)構(gòu)理論分析方法、反轉(zhuǎn)設(shè)計方法以及齒輪齒廓曲線的設(shè)計方法，通過手工繪圖完成平面六桿機(jī)構(gòu)的運動和動力分析，凸輪輪廓曲線的設(shè)計和漸開線齒輪齒廓曲線的設(shè)計。在整個設(shè)計過程中，雖然可以進(jìn)一步鞏固和加深學(xué)生在課堂上所學(xué)的理論知識以及增強(qiáng)學(xué)生的制圖能力，對學(xué)生后續(xù)專業(yè)課和研究生入學(xué)考試可以奠定一個良好的基礎(chǔ)，但由于在整個設(shè)計過程中設(shè)計題目、設(shè)計方法以及具體的設(shè)計步驟都是一定的，學(xué)生按照老師所編寫的課程設(shè)計教學(xué)指南，“照貓畫虎”很輕松地就可以完成所要求的各項設(shè)計任務(wù)。這樣既不能充分發(fā)揮學(xué)生的空間想象力，又限制了學(xué)生運用理論知識解決工程實際問題的能力，更談不上什么創(chuàng)新思維和創(chuàng)造性設(shè)計了。

（二）機(jī)構(gòu)解析法的分析與設(shè)計

隨著機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計逐漸向高速、高效和精密等方向的不斷發(fā)展，使用者對機(jī)器的工作性能提出了更高的要求，同時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜。由于圖解法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的分析與綜合時，較大的誤差積累可能使得所設(shè)計的機(jī)器或者機(jī)構(gòu)不能很好地滿足預(yù)定的設(shè)計要求，這也就限制了圖解法的是應(yīng)用場合。與圖解法相比，解析法由于是通過數(shù)學(xué)方程的求解來獲取機(jī)構(gòu)或機(jī)器的結(jié)構(gòu)、運動以及動力參數(shù)，所以其計算精度更能夠滿足現(xiàn)代化產(chǎn)品的設(shè)計需求。

利用解析法實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計，首先要建立機(jī)構(gòu)所需要的數(shù)學(xué)模型，然后再利用計算機(jī)編程來進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的求解，最終獲得相應(yīng)的機(jī)構(gòu)或機(jī)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運動和動力參數(shù)。常用的方法有矢量法、桿組法和三角形法等。

以平面連桿機(jī)構(gòu)為例，采用矢量法進(jìn)行運動和動力分析的步驟主要包括：

1.通過機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析，在選定機(jī)構(gòu)比例尺和原動件初始位置的基礎(chǔ)上繪制研究對象的機(jī)構(gòu)運動簡圖;

2.通過引入的桿矢量，建立機(jī)構(gòu)或機(jī)器對應(yīng)的位置矢量方程;

3.通過位置方程的逐次求導(dǎo)，建立機(jī)構(gòu)或機(jī)器對應(yīng)的運動矢量方程，進(jìn)一步求解獲得桿件上各點的運動參量;

4.建立機(jī)構(gòu)力的矢量方程，求解平衡力及運動副反力。

解析法可以在提高設(shè)計精度的同時避免出現(xiàn)“同一個問題，百人百解”的現(xiàn)象，也可以實現(xiàn)在滿足精度要求的基礎(chǔ)上對空間機(jī)構(gòu)的分析。但分析和設(shè)計過程中所需要的數(shù)學(xué)模型的建立和求解具有一定的難度，同時對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，分析計算過程比較復(fù)雜。同時，在分析和設(shè)計的過程中，仍然是按照固定的思路和要求來完成所給定每一項設(shè)計任務(wù)，對學(xué)生的設(shè)計能力仍不能進(jìn)行培養(yǎng)和鍛煉。

（三）機(jī)械傳動系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設(shè)計

為了實現(xiàn)通過機(jī)械原理課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的宗旨，為了強(qiáng)調(diào)理論與工程實際，創(chuàng)新設(shè)計有機(jī)結(jié)合的必要性，在進(jìn)行課堂理論教學(xué)時我們借助于實例講解，使學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)方案設(shè)計的基本和方法。然后在課程設(shè)計這一環(huán)節(jié)，要求學(xué)生根據(jù)自己在課堂上所學(xué)過的知識來完成一個具體的機(jī)械傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計。整個設(shè)計過程包括：確定設(shè)計題目、查閱文獻(xiàn)資料、確定設(shè)計方案、撰寫設(shè)計說明書以及設(shè)計交流匯報等5個環(huán)節(jié)，我們從每一個環(huán)節(jié)都進(jìn)行了一系列的改革。

1.確定設(shè)計題目。不管是圖解法的課程設(shè)計，還是解析法的課程設(shè)計，設(shè)計題目一般是由教師指定的。為了真正充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計時，設(shè)計題目是在不脫離機(jī)械原理課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上來進(jìn)行自由選擇的。通過近幾年的實踐證明，有很多學(xué)生的設(shè)計題目極具研究和應(yīng)用價值。

2.查閱參考文獻(xiàn)調(diào)研。為了培養(yǎng)學(xué)生收集和運用信息的能力，學(xué)生在確定了設(shè)計題目以后，根據(jù)題目和設(shè)計任務(wù)的需要，可以通過查資料、上網(wǎng)等途徑來獲取一些與設(shè)計任務(wù)相關(guān)的參考資料。通過對所查得的參考資料的分析和研究，可以為后續(xù)的分析設(shè)計提供必要的幫助。為了避免學(xué)生在查閱文獻(xiàn)時漫無目的，走更多彎路，教師應(yīng)根據(jù)不同題目、不同的設(shè)計需要給予必要的提示。

3.確定設(shè)計方案。設(shè)計方案的確定是機(jī)械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計中較為重要的一個環(huán)節(jié)，為了發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，在整個方案確定的過程中始終應(yīng)以“學(xué)生為中心”。同時，教師在指導(dǎo)過程中，還要做到不同層次的學(xué)生，不同難易程度的題目能夠區(qū)別對待。

機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計中，我們關(guān)注的是方案的創(chuàng)新點，要獲得具有一定創(chuàng)新意義的設(shè)計方案，可以從以下兩個方面入手：根據(jù)設(shè)計任務(wù)的需求，通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料發(fā)明新的機(jī)構(gòu);通過對現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的分析和總結(jié)借助于機(jī)構(gòu)的改造來獲得能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目的的機(jī)器或機(jī)構(gòu)。

為了能夠充分發(fā)揮學(xué)生的空間想象能力，在進(jìn)行方案設(shè)計時，對于一個確定的設(shè)計目標(biāo)，要求每一組學(xué)生至少要提出三種不同的可行方案，然后通過對所提出的方案的分析、比較，最后確定出最優(yōu)的設(shè)計方案。針對于最優(yōu)的設(shè)計方案，可以從機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動和動力分析與設(shè)計、機(jī)器和機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計和計算仿真以及加工制作樣機(jī)（這一部分要求在近幾年的實踐過程中，多數(shù)是通過學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計來完成的）等幾方面來完成。

4.撰寫設(shè)計說明書。為了對整個設(shè)計過程做一個好的歸納總結(jié)，在完成了機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計以后，還要求學(xué)生書寫完整的設(shè)計說明書。設(shè)計說明書的主要內(nèi)容包括：確定設(shè)計題目的依據(jù)、意義和必要性;方案設(shè)計、分析以及計算過程;課程設(shè)計的收獲。

5.交流總結(jié)。設(shè)計交流總結(jié)這個環(huán)節(jié)主要是為了給學(xué)生表達(dá)能力的鍛煉提供一個機(jī)會。而機(jī)械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計最終的成績則可以通過設(shè)計方案的創(chuàng)新性、方案分析的全面性、設(shè)計說明書書寫的規(guī)范性以及繪圖質(zhì)量等多方面來進(jìn)行綜合衡量。

機(jī)械原理課程設(shè)計的教學(xué)改革中，作為參與教師，最大的感受就是沒有想到學(xué)生會有如此大的適應(yīng)性和潛力，他們都具有很強(qiáng)的語言表達(dá)，材料運用及分析的能力。在教師的啟發(fā)和引導(dǎo)下，他們敢于想象，思維敏捷，設(shè)計過程中學(xué)生甚至提出一些連指導(dǎo)教師都不太了解和不能直接解決的問題，所以這也是對教師的一種挑戰(zhàn)。而作為學(xué)生，大家都認(rèn)為新的課程設(shè)計方法更能夠激發(fā)大家學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)新意識。

通過近幾年機(jī)制專業(yè)和其他專業(yè)部分學(xué)生的課程設(shè)計的改革，基本上可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，效果可以從每年的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽以及工程訓(xùn)練大賽等比賽中可以得到驗證。但存在的主要問題是由于部分專業(yè)的時間安排過于緊張，導(dǎo)致許多同學(xué)很難在課程設(shè)計過程中發(fā)揮自己的優(yōu)勢。

二、機(jī)械原理課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

機(jī)械原理實驗教學(xué)是理論教學(xué)的鞏固、補充、升華和提高，也是為了培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、判斷、綜合和推理的基本能力，提高學(xué)生的實際操作能力，加強(qiáng)對所學(xué)知識的理解和對實驗結(jié)果及規(guī)律的感性認(rèn)識，促使學(xué)生運用所學(xué)理論分析問題，找出解決問題的方法的一個重要環(huán)節(jié)。

早期的機(jī)械原理課程實驗教學(xué)由于受實驗條件的限制，所開設(shè)的實驗內(nèi)容大部分屬于驗證性的實驗。因此，從根本上講，它并未真正起到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的作用。為了改變這種狀況，加強(qiáng)實驗環(huán)節(jié)對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，我們逐步減小了驗證性實驗在總實驗中所占的比例，而逐步地開設(shè)一些設(shè)計型和綜合性的實驗。為了給學(xué)生提供的更多的鍛煉機(jī)會。對于實驗室管理，也由原來的定期、定時開放逐步變?yōu)殚_放式管理，學(xué)生可在實驗室內(nèi)對自己的設(shè)計進(jìn)行模型裝配與制作，將自己的設(shè)計從圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨锬Ｐ停瑥亩嬲_(dá)到提高創(chuàng)新設(shè)計能力的目的。經(jīng)過近幾年的改革實踐，證明這一種實驗?zāi)Ｊ绞沁m應(yīng)《機(jī)械原理》課程體系教改的模式和需要，其具有鮮明的特點和獨特的作用。

（一）利用典型的機(jī)構(gòu)來反映機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點

由于學(xué)生缺乏生產(chǎn)實踐知識，感性認(rèn)識有很大差異，對于其沒見過的東西僅靠教師用語言去描述很難理解和接受。借助于教學(xué)展柜中典型機(jī)構(gòu)的運動演示可幫助學(xué)生解決一些難點，對學(xué)生學(xué)習(xí)本課程有很大的啟發(fā)。如利用展柜中的蒸汽機(jī)模型既可以使他們看到該模型采用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，又可以進(jìn)一步了解其具體的工作原理和工作過程。這一種實驗，利用一些典型的機(jī)構(gòu)可以把較為抽象的概念變?yōu)橹庇^的現(xiàn)象，這樣更有利于學(xué)生理解和接受所學(xué)的知識和內(nèi)容。

（二）利用動態(tài)的機(jī)構(gòu)演示直觀地反映機(jī)構(gòu)的特性

機(jī)械原理課主要講述的是各種機(jī)構(gòu)的運動過程和運動原理，但是其運動過程在課堂很難達(dá)到“直觀”的效果。為了使學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)具有確定運動的條件，掌握機(jī)構(gòu)運動和動力分析的方法和原理，我們通過開設(shè)了機(jī)構(gòu)運動測繪實驗。學(xué)生通過對具體機(jī)器模型的分析，可以加深學(xué)生對運動過程和運動原理的理解和認(rèn)識。比如在進(jìn)行拖拉機(jī)前輪導(dǎo)向系統(tǒng)的測繪和運動分析實驗時，通過讓學(xué)生親自動手控制和操作拖拉機(jī)的導(dǎo)向系統(tǒng)，他們不僅可以清晰地看到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，還可以進(jìn)一步了解各執(zhí)行構(gòu)件間的運動和協(xié)調(diào)關(guān)系，這樣他們就很容易學(xué)會和掌握對所研究的系統(tǒng)進(jìn)行運動分析和計算并繪制出傳動系統(tǒng)圖。

（三）利用透明可見的演示教具清晰地反映機(jī)構(gòu)的原理

機(jī)械中機(jī)構(gòu)的運動原理所涉及到的要素、參數(shù)及其變化在實際產(chǎn)品中有一些是不可見的。如漸開線齒廓嚙合點的軌跡即嚙合線是一條定直線，在實際齒輪傳動中是看不見的一條線，從而使學(xué)生學(xué)習(xí)時感到很抽象。此時通過齒輪嚙合的電動模型，可清晰地看見嚙合過程中輪廓嚙合點在透明的有機(jī)玻璃底板上留下的軌跡是一條定直線，使得嚙合點的運動一目了然，從而幫助學(xué)生加深對這部分內(nèi)容的理解，并為后面學(xué)習(xí)齒輪的正確嚙合條件、連續(xù)傳動條件等內(nèi)容打下基礎(chǔ)。

（四）利用動態(tài)的參數(shù)變化提高實驗教學(xué)效果

為了加深學(xué)生在機(jī)構(gòu)的原動件按給定的運動規(guī)律運動時對其余運動構(gòu)件上各點的軌跡、位移、速度和加速度，以及這些運動構(gòu)件的位置、角位移、角速度和角加速度等運動參數(shù)的影響進(jìn)行計算和分析過程的理解，我們開設(shè)了機(jī)構(gòu)運動參數(shù)的測定實驗。通過該實驗可以使學(xué)生了解一些運動參量的測試方法，為設(shè)計方案的檢驗提供必要的數(shù)據(jù);也可以使學(xué)生借助實驗手段直接看到機(jī)構(gòu)在運動過程中位移、速度、加速度的測試以及和理論分析結(jié)果互相對比的結(jié)果;同時還可以使學(xué)生在短時間內(nèi)加深課堂講授知識的理解，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

（五）利用第二課堂提高學(xué)生的動手能力

為了幫助學(xué)生把學(xué)到的理論知識應(yīng)用于實踐，提高學(xué)生的實踐動手能力，我們開設(shè)了各種綜合性實驗。它主要是利用第二課堂的形式，學(xué)生利用業(yè)余時間在實驗室通過各種機(jī)構(gòu)、電機(jī)、電線以及測量傳感器等原材料，充分發(fā)揮自己的想象力與創(chuàng)造力，借助于機(jī)構(gòu)搭接實驗平臺來搭接出各種會動的機(jī)器模型。這些實驗富有趣味性、科學(xué)性、實用性和挑戰(zhàn)性。

三、積極參與機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽和工程訓(xùn)練大賽，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力

為了更好地滿足社會對綜合設(shè)計能力、工程實踐能力的需求，開拓學(xué)生的知識面、培養(yǎng)創(chuàng)新精神、團(tuán)隊合作意識、磨煉意志，推動創(chuàng)新教育的開展和教學(xué)改革，加強(qiáng)高等院校與企業(yè)之間的聯(lián)系，吸引學(xué)生投身到機(jī)械工業(yè)振興的事業(yè)之中，我們還實施了理論聯(lián)系實際的實踐教學(xué)模式。實踐證明，這一教學(xué)模式不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維，鍛煉他們的實踐動手能力，強(qiáng)化他們的工程意識，促使他們將理論設(shè)計與工程實踐結(jié)合起來，以更好地解決實際問題。同時，這一種教學(xué)模式還可以引導(dǎo)學(xué)生在實驗室里搞自己的小發(fā)明參與科技競賽，因為通過模型制作，可以檢驗學(xué)生設(shè)計的正確性，從而極大地推動了學(xué)校的創(chuàng)新教育。

比如，近幾年，在學(xué)校、學(xué)院和工程訓(xùn)練中心等各級單位的大力支持下，專業(yè)各年級的學(xué)生參與到全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽和全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的人數(shù)和作品數(shù)量在逐年的遞增，并且在省賽和國賽中多次取得好的成績。比賽中學(xué)生所提的想法往往都能夠很好地解決在日常生活中所遇到的各種問題，并且都具有較大的創(chuàng)新性。

總之，經(jīng)過上述改革措施的實施，在強(qiáng)化了學(xué)生理論知識的同時，真正達(dá)到了理論聯(lián)系實際和培養(yǎng)創(chuàng)新意識的教學(xué)目的，為后續(xù)課程體系的更新和發(fā)展提供了好的基礎(chǔ)和內(nèi)容。

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