機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)改革思路的探索

郭紅利 張李嫻 張軍昌 侯莉俠

摘要：機(jī)械原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科研工作能力、創(chuàng)造性思維能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和表達(dá)能力等具有十分重要的作用。本文闡述了機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)課程改革的方向及其在創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力培養(yǎng)過程中所起到的作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；改革；創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）01-0164-02

機(jī)械原理在整個(gè)機(jī)械專業(yè)的課程體系中，是機(jī)械專業(yè)實(shí)踐教育中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的一門重要課程。因此，機(jī)械原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不僅應(yīng)充實(shí)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)有關(guān)的理論和方法，而且還要引導(dǎo)學(xué)生能夠利用這些理論和方法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。整個(gè)機(jī)械原理課程的教學(xué)體系可以分為理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)三大部分，其中機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是理論教學(xué)的鞏固、補(bǔ)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(shí)際操作能力，加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及規(guī)律的感性認(rèn)識(shí)，促使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論分析問題，從而找出解決問題的方法的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

一、以往機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足

以前，由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，針對(duì)機(jī)械原理課程安排的實(shí)驗(yàn)主要有：（1）機(jī)械（機(jī)構(gòu)）認(rèn)知實(shí)驗(yàn)；（2）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（示意圖）的測(cè)繪；（3）漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)的測(cè)定；（4）回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動(dòng)平衡。這些實(shí)驗(yàn)在我校機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中沿襲了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期，它們大部分是對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容的驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)，而綜合型、設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容很少。然而隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和知識(shí)經(jīng)濟(jì)的興起，社會(huì)對(duì)21世紀(jì)人才需求的不斷變化，而這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從根本上并未真正起到培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的作用，原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系所表現(xiàn)出來的弊端因此也就日益突出，概括起來其缺陷和不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊

原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主，多數(shù)屬于演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，整個(gè)實(shí)驗(yàn)一般都在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求，在教師的指導(dǎo)下，按規(guī)定方法，在一定的條件下完成實(shí)驗(yàn)的全過程。學(xué)生的行為方式和思維方式規(guī)定在一個(gè)固定的模式里進(jìn)行，因此實(shí)驗(yàn)本身留給學(xué)生思考的空間不多，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在一定程度上制約著學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)陋和實(shí)驗(yàn)方法落后

我校機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用的設(shè)備大多是20世紀(jì)90年代購置的，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅陳舊老化，而且有些已經(jīng)損壞，這不僅會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，而且由于招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，使得設(shè)備數(shù)量也在“日益減少”，這就會(huì)造成實(shí)驗(yàn)過程中5、6個(gè)學(xué)生共用一臺(tái)儀器設(shè)備的現(xiàn)象。這在一定程度上影響了學(xué)生的動(dòng)手能力，而且也為學(xué)生抄襲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了機(jī)會(huì)，也就達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的目的。另外，原有的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉际峭ㄟ^教師動(dòng)手演示、學(xué)生觀看來完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和任務(wù)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生始終處于被動(dòng)的地位，這也會(huì)影響實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的鍛煉和培養(yǎng)。

（三）實(shí)驗(yàn)教材和實(shí)驗(yàn)思路死板

現(xiàn)在機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)所使用的實(shí)驗(yàn)教材多數(shù)都是自行編寫的，教材內(nèi)容比較陳舊，缺乏新意。教材的內(nèi)容主要包括：實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)備和工具、實(shí)驗(yàn)原理和方法、實(shí)驗(yàn)步驟等，最后往往還給學(xué)生附上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格和要求繪制的實(shí)驗(yàn)曲線，甚至還有實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式。這顯然不能適應(yīng)高等教育培養(yǎng)高素質(zhì)人才的需要，不僅缺乏靈活性，更重要的是沒有創(chuàng)新意識(shí)，因而無法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和主觀能動(dòng)性。

（四）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的落后以及實(shí)驗(yàn)體系的不完善

整個(gè)機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系從內(nèi)容上看，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，綜合性不強(qiáng)，并且是純機(jī)械性實(shí)驗(yàn)，沒有融入計(jì)算機(jī)、控制等相關(guān)技術(shù)，加上受到課程總課時(shí)的限制，并不是所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都能夠正常開出，有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，一方面學(xué)生做起來興趣不高，實(shí)際效果不是很好；另一方面，脫離了現(xiàn)代科技的發(fā)展，體現(xiàn)不出現(xiàn)代科技在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

二、機(jī)械原理新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路探索

機(jī)械原理理論和實(shí)踐的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的能力，為了改變上述種種不利因素對(duì)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)的限制，為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，經(jīng)過多方面的調(diào)研和論證，根據(jù)實(shí)際的教學(xué)需求，我們建立了新型的“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)——綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)——研究型實(shí)驗(yàn)”逐層遞進(jìn)的機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。利用新實(shí)驗(yàn)體系，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不僅強(qiáng)調(diào)了機(jī)械（機(jī)構(gòu)）模型的演示、機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（示意圖）的測(cè)繪、回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動(dòng)平衡等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，而且也突出了實(shí)用型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)了組合式可調(diào)平面連桿機(jī)構(gòu)模型組裝實(shí)驗(yàn)和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。為了更好地激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造意識(shí)，有效培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的能力，在具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，我們先后開設(shè)了“機(jī)構(gòu)創(chuàng)新組合和設(shè)計(jì)”和“機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及虛擬設(shè)計(jì)”等實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)在管理和操作上實(shí)行的是開放式管理，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配與制作，將自己的設(shè)計(jì)從圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物模型，從而真正達(dá)到提高動(dòng)手實(shí)踐的能力的目的。經(jīng)過近幾年的改革實(shí)踐，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ奖蛔C明是適應(yīng)機(jī)械原理課程體系教改的模式和需要的，其鮮明的特點(diǎn)和獨(dú)特的作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）借助于典型的機(jī)構(gòu)來反映機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于學(xué)生缺乏生產(chǎn)實(shí)踐知識(shí)，在感性認(rèn)識(shí)上有很大差異，對(duì)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(yùn)動(dòng)演示可幫助學(xué)生解決這一難點(diǎn)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程有很大的啟發(fā)。比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)一步了解其可以把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能。這種實(shí)驗(yàn)可以把理論教學(xué)中較為抽象的概念通過儀器設(shè)備的演示變?yōu)橹庇^的現(xiàn)象，學(xué)生通過直觀現(xiàn)象的觀察，去理解和掌握知識(shí)，這對(duì)今后學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問題是一個(gè)良好的訓(xùn)練。

（二）借助于動(dòng)態(tài)的機(jī)構(gòu)演示直觀地反映機(jī)構(gòu)的性能和特性

機(jī)械原理課主要講述的是各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)原理，但是其運(yùn)動(dòng)過程在課堂很難達(dá)到“直觀”的效果。為使學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件，掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析的方法和原理，我們開設(shè)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)測(cè)繪實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以通過對(duì)具體機(jī)器模型的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)分析，加深對(duì)機(jī)器或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)原理的理解和認(rèn)識(shí)。比如在進(jìn)行拖拉機(jī)前輪導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)繪和運(yùn)動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過讓學(xué)生親手動(dòng)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(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào)關(guān)系，這樣他們就很容易學(xué)會(huì)和掌握對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和計(jì)算并繪制出傳動(dòng)系統(tǒng)圖。

（三）借助于透明可見的演示教具清晰地反映機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理

機(jī)械中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理所涉及到的要素、參數(shù)及其變化在實(shí)際產(chǎn)品中有一些是不可見的。如漸開線齒廓嚙合點(diǎn)的軌跡即嚙合線是一條定直線，在實(shí)際齒輪傳動(dòng)中是看不見的一條線，從而使學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)感到很抽象。此時(shí)通過齒輪嚙合的電動(dòng)模型，可清晰看見嚙合過程中輪廓嚙合點(diǎn)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(diǎn)的運(yùn)動(dòng)一目了然，從而幫助學(xué)生加深對(duì)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(dòng)條件等內(nèi)容打下基礎(chǔ)。

（四）借助于機(jī)器或機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù)變化提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果

為了加深學(xué)生在機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)其余運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上各點(diǎn)的軌跡、位移、速度和加速度，以及這些運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置、角位移、角速度和角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響進(jìn)行計(jì)算和分析過程的理解，我們開設(shè)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解運(yùn)動(dòng)參量的測(cè)試方法，為后續(xù)設(shè)計(jì)方案的檢驗(yàn)提供必要的數(shù)據(jù)；也可以使學(xué)生借助于實(shí)驗(yàn)手段直接地看到機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中位移、速度、加速度的測(cè)試結(jié)果以及和理論分析結(jié)果互相對(duì)比的結(jié)果；同時(shí)還可以使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)加深課堂講授知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

（五）借助于第二課堂提高學(xué)生的動(dòng)手能力

為了幫助學(xué)生把學(xué)到的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，我們開設(shè)了各種綜合性實(shí)驗(yàn)。它主要是學(xué)生利用業(yè)余時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室通過各種機(jī)構(gòu)、電機(jī)、電線以及測(cè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)來搭接出各種會(huì)動(dòng)的機(jī)器模型。這些實(shí)驗(yàn)富有趣味性、科學(xué)性、實(shí)用性和挑戰(zhàn)性，與枯燥和乏味的理論課相比更能夠吸引學(xué)生，也更能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣。

通過近幾年的實(shí)踐證明，上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和方法不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，鍛煉他們的實(shí)踐動(dòng)手能力，強(qiáng)化他們的工程意識(shí)，促使他們將理論設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐結(jié)合起來以更好地解決實(shí)際問題。同時(shí)，這一種模式還可引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里搞自己的小發(fā)明參與科技競(jìng)賽，因?yàn)橥ㄟ^模型制作，可以檢驗(yàn)學(xué)生設(shè)計(jì)的正確性，從而極大地推動(dòng)了學(xué)校的創(chuàng)新教育。

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