機械原理、機械設計實驗室建設水平提升策略分析

黃文呈

（龍巖學院 機電工程學院，福建 龍巖 364012）

在高校教學改革的背景之下，實驗室在整個教育教學活動的重要意義得到了進一步的凸顯.甚至可以說，高校各個專業(yè)實驗室的建設情況將直接決定著本專業(yè)的教學能力以及高校綜合教育實力.加強有關機械原理以及機械設計實驗室建設工作是逐步實現(xiàn)創(chuàng)新教育目標，培養(yǎng)高素質(zhì)、復合型人才的重要內(nèi)容，也是突出當前實驗教學工作全新要求與特點的重要手段.本文即圍繞機械原理、機械設計實驗室建設方面的關鍵問題進行分析與探討.

1 機械原理、機械設計實驗室建設背景及現(xiàn)狀

以前的機械設計課程實驗大多是驗證性的試驗，只偏重于一些幾何參數(shù)、運動參數(shù)、動力參數(shù)的測定和分析.這些實驗對學生掌握課堂中所學的基本概念，加深理解一些基本原理具有顯著的效果，但這些實驗作為課程教學的一部分，在培養(yǎng)學生初步具有擬定機械運動方案，分析和設計新機構的能力，以及培養(yǎng)學生的創(chuàng)新與動手能力方面還遠遠不夠.具體而言，當前機械原理、機械設計實驗室建設方面還存在以下幾個方面的問題：

1.1 實驗設備相對缺乏，無法開展系統(tǒng)性的實驗訓練

當前，高校所配備的機械專業(yè)實驗室與國際一流水平高校機械專業(yè)實驗室之間的差距仍然是非常大的.由于在實驗設備的配置上存在局限性，因此導致機械專業(yè)的學生喪失了部分動手訓練與實踐的機會.很多實驗都純粹以教學教材所涉及到的理論知識要求進行配置，實驗主要內(nèi)容圍繞著課堂中所學的基本概念開展，屬于驗證性試驗，雖然能夠幫助學生認識相關概念與理論，但在提高學生分析思考能力，啟發(fā)創(chuàng)新、發(fā)散思維能力方面缺乏促進作用，不利于學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng).

1.2 實驗類型過于單一，較少涉及到綜合性知識實踐

目前高校機械原理以及機械設計實驗室中雖然圍繞教學需求配置了一定數(shù)量的實驗裝置與設備，但設備配套比較局限，能夠開展的實驗內(nèi)容以及類型過于單一，無法幫助學生靈活應用機械原理以及機械設計方面的相關知識.

2 機械原理、機械設計實驗室建設預期目標

在機械原理以及機械設計實驗室的建設創(chuàng)新過程當中，必須針對當前實驗室建設中存在的問題，采取一系列有針對性的創(chuàng)新建設策略與方法，克服機械專業(yè)實驗室中存在的缺點與局限性，使機械原理、機械設計課程理論知識能夠更好的與實驗實踐相結合，激發(fā)學生參與機械原理、機械設計相關知識學習的主動性，由被動的學習、實驗模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?、?chuàng)新的實驗實踐模式.

因此，在有關機械原理以及機械設計實驗室建設創(chuàng)新的過程當中，預期目標應當設置為：從實驗室操作環(huán)節(jié)入手，以機械專業(yè)基礎、經(jīng)典理論為依托，促進實踐性知識的合理應用，展示本專業(yè)領域最新的設計方法，實現(xiàn)分析、綜合、轉(zhuǎn)化的數(shù)學模型與程序.從機械原理與機械設計課程教學內(nèi)容的安排上來說，實驗室建設中的具體目標如下表所示（見表1）.

表1 機械原理、機械設計實驗室建設目標示意表

3 機械原理、機械設計實驗室建設水平的提高策略

高校機械原理以及機械設計實驗室需要同時負擔各個年級段本科生的實驗教學任務，同時也需要為學生畢業(yè)論文的研究提供基礎支持，當然也是高校教師進行科研活動的主要場所.因此，實驗室建設中，設備配置必須在滿足常規(guī)教學需求的基礎上，適當增加實驗臺臺數(shù)以及實驗設備的專業(yè)性，促進學生綜合實踐能力的提升.具體措施有：

3.1 構建分層機械原理、機械設計實驗室體系

根據(jù)高校在機械原理以及機械設計教學開展中的實際內(nèi)容與實驗要求，構建三層實驗室體系，不同層次實驗室滿足不同實驗需求.

第一實驗室設置機械零件、機械原理和機械創(chuàng)新展示柜，每組展示柜至少需要配備10個或以上的單體陳列柜.展柜中的模型可實現(xiàn)點動或順序控制運動演示，并配有錄音講解及運動簡圖和文字說明，具有形象直觀的特點.組建該實驗室的目的是將部分基本教學內(nèi)容利用實物模型進行教學.通過對該實驗室資源的應用，能夠為本專業(yè)學生提供認知依據(jù)，同時也是課外科技創(chuàng)新活動開展的知識基礎.

第二實驗室設置機構模型、齒輪范成儀、齒輪減速器和插齒機模型4種設備或器材，可完成機構運動簡圖的繪制、齒輪范成、減速器的裝拆3個基礎性必選實驗項目和為學員演示齒輪的插齒過程.本實驗室的主要功能是為本專業(yè)學生的實操作與理論驗證、分析提供支持，使學生能夠通過實驗加深對機構組成原理的認識，對機構運動特性有一個全面的把握.

第三實驗室是具有現(xiàn)代化水平的實驗室，滑動軸承、皮帶傳動、螺栓連接、動平衡和波動調(diào)速5類實驗臺均安裝測試卡，可以對實驗數(shù)據(jù)進行自動記錄、實驗結果進行結算分析，在發(fā)展學生創(chuàng)新能力方面有重要價值.

3.2 具體建設策略

第一，滿足平面機構及其可視化實驗的創(chuàng)新建設：在有關平面機構及其可視化的實驗過程當中，實驗室需要配備4臺同型號的PC電腦，8套同等規(guī)格的實驗臺，每個實驗臺上需要配備1套完整的機構模型.以上配置標準下，可以通過設計與并接的方式使平面機構傳感系統(tǒng)實現(xiàn)不同類型以及不同方式的運動.同時，實驗臺在建設過程當中可以于主要構件中設置出安裝傳感器的對應位置，同時添加與之相對應的數(shù)據(jù)處理軟件以及數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng).通過對以上模塊的綜合應用，分析在平面機構運動過程當中參數(shù)變化所對應的系列曲線，進而分析數(shù)據(jù)，掌握不同類別機構在特定條件下運動所產(chǎn)生的規(guī)律.依照上述方式所建設的實驗室還能夠通過分析加速度、位移，以及速度等基本要素的方式，掌握運動構件的主要特點，幫助學生更好的認識機械原理，掌握機械設計要點.

第二，有關運動方案組合實驗的創(chuàng)新建設：在有關運動方案的組合實驗過程當中，實驗室可以嘗試引入已經(jīng)獲得國家專利的產(chǎn)品，如創(chuàng)新機構組合實驗臺等，至少配置2臺，實驗臺中包括低副桿組以及高副桿組，同時也包括組成以上桿組的各種機架、構件等.通過這些設置，能夠使曲柄滑塊機構與連桿機構、齒輪機構、凸輪機構、以及間歇運動機構等相互拼接，除此以外還能夠使由渦輪蝸桿、帶傳動、以及鏈傳動所形成的傳統(tǒng)平面有機、交叉組合，構成一個完整的機械傳動系統(tǒng)以及組織結構，在與齒輪齒條傳動箱結合的基礎之上，通過連接電機以及帶傳統(tǒng)的方式使拼接機構能夠有效、且及時的響應動作指令，執(zhí)行可靠動作.在這種配置方案下，學生能夠更好清楚的掌握運動機構組成這一部分知識的了解程度，通過對實際的機構組成方案的觀察，進行學習與標識，同時通過實驗的方式培養(yǎng)學生在工程實訓方面的動手能力，促進學生設計思維的提高以及綜合實踐設計能力的提升.教師也可以按照以上操作方法完成拼接實驗，并對實驗臺整個運動機構的運動情況進行觀察，從而對運動機構方案的科學性以及可行性進行及時檢驗.

第三，針對軸系結構設計實驗的創(chuàng)新建設：在實驗室建設過程當中可以配置具有創(chuàng)意組合特點的軸系結構設計試驗箱，通過引入軸系結構設計試驗箱的方式，使學生能夠更加直觀與準確的掌握軸系方面的知識結構.一般來說，一套完整的軸系結構試驗箱包含八類，百余個零件.若能夠在實驗室建設過程當中滿足以上標準，則能夠使實驗室的配置完全滿足機械原理以及機械設計教學的具體要求.教師可以根據(jù)教學需求，利用不同類型的零件進行自由組合，形成多種軸系結構，利用這些軸系結構解決在教學過程當中存在的回轉(zhuǎn)零件軸向固定，受傷零件拆卸安裝，以及軸承軸向位置固定等內(nèi)容，為學生機械原理以及機械創(chuàng)新設計相關知識的學習打好基礎.

4 結束語

有關研究中認為，機械原理以及機械設計專業(yè)覆蓋面占到了工科專業(yè)的4/5左右，在提高學生對機械技術工作適應能力方面發(fā)揮著非常重要的作用.機械設計課程實驗課是機械設計課中重要的實踐環(huán)節(jié).針對當前機械專業(yè)實驗室在建設、應用過程中存在的各類問題，盡全力提高機械原理、機械設計實驗室建設水平，已成為本專業(yè)教研人員最為關注的問題之一.本文在認識機械專業(yè)實驗室建設現(xiàn)狀的基礎之上，對機械原理、機械設計實驗室建設的基本面進行分析，最后重點從滿足平面機構及其可視化實驗的創(chuàng)新建設、有關運動方案組合實驗的創(chuàng)新建設、對機械設計創(chuàng)新陳列實驗展示的建設、針對軸系結構設計實驗的創(chuàng)新建設、圍繞常用構件制作加工的實驗建設等方面入手，探討了提高機械原理、機械設計實驗室建設水平的主要策略.

〔1〕李志尊,王克印,劉紅寧，等.虛擬實驗室在機械設計基礎教學中的應用[J].實驗室科學,2014,17(1):50-53.

〔2〕李光雷.案例教學法在高職院?！稒C械設計基礎》課程的應用研究 [J].南京工業(yè)職業(yè)技術學院學報,2014(4):85-87,90.

〔3〕王小愛,寧煜,白雪寧等.建立開放式機械設計實驗室的實踐探索[J].重慶科技學院學報（社會科學版）,2006(1):127-128.

〔4〕曾平,馬驥,陳言秋等.基于CAD軟件的"機械設計虛擬實驗室"的研究與實現(xiàn)[J].工程圖學學報,2004,25(1):29-33.