機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革實(shí)踐與效果

楊金花，徐學(xué)忠

(常熟理工學(xué)院　機(jī)械工程學(xué)院，江蘇　常熟　215500)

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機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革實(shí)踐與效果

楊金花，徐學(xué)忠

(常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟215500)

摘要機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的重要途徑。該文分析了當(dāng)前普通高校機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問題，提出了新的改革思路并進(jìn)行了實(shí)踐。實(shí)踐表明，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，完善、更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，充實(shí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，開設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，建立實(shí)驗(yàn)考核制度等是提高機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效手段。

關(guān)鍵詞機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；實(shí)踐與效果

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展和企業(yè)對(duì)工程技術(shù)應(yīng)用型人才的需求變化，以及當(dāng)前高等教育課程體系改革，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了新的挑戰(zhàn)。機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)是重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，與理論教學(xué)有著密切的聯(lián)系，是開拓學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題及觀察操作能力的主要環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合素質(zhì)起著關(guān)鍵作用[1]。

1機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

機(jī)械原理課程根據(jù)教學(xué)大綱的要求，常熟理工學(xué)院2010級(jí)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的機(jī)械原理課程開設(shè)了4個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2 學(xué)時(shí)。

1)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。要了解機(jī)器或模型的用途、工作原理、運(yùn)動(dòng)傳遞過程、機(jī)構(gòu)組成情況和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類，繪制10個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，驗(yàn)算機(jī)構(gòu)自由度，進(jìn)一步了解機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件和有關(guān)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的知識(shí)。

2)齒輪范成原理及參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。要掌握用范成法切制漸開線齒輪的基本原理；了解工廠中實(shí)際加工漸開線齒輪(滾齒加工與插齒加工)的生產(chǎn)過程；熟悉漸開線齒輪各參數(shù)的計(jì)算公式以及不同參數(shù)對(duì)齒形的影響；了解漸開線齒輪產(chǎn)生根切現(xiàn)象的原因和避免根切的方法；分析比較標(biāo)準(zhǔn)齒輪與變位齒輪的異同點(diǎn)；掌握應(yīng)用游標(biāo)卡尺測(cè)定漸開線直齒圓柱齒輪基本參數(shù)的方法，鞏固并熟悉齒輪的各部分尺寸、參數(shù)之間的關(guān)系和漸開線的性質(zhì)。

3)剛性回轉(zhuǎn)體的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。要加深對(duì)回轉(zhuǎn)件平衡原理的理解，觀察由于回轉(zhuǎn)件的質(zhì)量分布不均勻所引起的機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象，提高對(duì)回轉(zhuǎn)件進(jìn)行質(zhì)量平衡的必要性的認(rèn)識(shí)，初步了解動(dòng)平衡試驗(yàn)的基本原理和步驟。

4)機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)屬于設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)際機(jī)構(gòu)的應(yīng)用設(shè)計(jì)和搭接，加深對(duì)不同機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的理解；通過對(duì)典型機(jī)構(gòu)的組裝，掌握活動(dòng)連接、固定連接的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變能力；通過實(shí)驗(yàn)的多方案設(shè)計(jì)培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力[2]。

2機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問題

1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、老化，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性差，不能滿足實(shí)驗(yàn)要求；部分設(shè)備臺(tái)套數(shù)少。

2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法枯燥。學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書做好預(yù)習(xí)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)過程中只要按照指導(dǎo)書的實(shí)驗(yàn)步驟即可完成實(shí)驗(yàn)。這限制了學(xué)生的思維和行為方式，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?chuàng)新能力和解決問題的能力。

3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)，取得數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)過程缺乏吸引力。

4)實(shí)驗(yàn)不進(jìn)行考核，實(shí)驗(yàn)成績(jī)不客觀。實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要是由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告構(gòu)成。由于實(shí)驗(yàn)步驟、內(nèi)容相同，實(shí)驗(yàn)報(bào)告有既定的格式，所以實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)價(jià)很難做到客觀公正地反映學(xué)生真正的實(shí)驗(yàn)水平和能力。

5)部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重要性認(rèn)識(shí)不夠，不愿意動(dòng)手。

3機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革實(shí)踐

1)構(gòu)建新的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程體系，重視實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。

建立培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的系列實(shí)驗(yàn)新體系，以機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱為指導(dǎo)，把相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課(工程材料、機(jī)械原理、材料力學(xué)、互換性及技術(shù)測(cè)量、機(jī)械設(shè)計(jì)等)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容統(tǒng)一設(shè)置，同時(shí)增加綜合、設(shè)計(jì)、研究的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)作為獨(dú)立設(shè)置的一門課程(48學(xué)時(shí)，3學(xué)分)，采用實(shí)驗(yàn)?zāi)K結(jié)構(gòu)進(jìn)行教學(xué)，將每門課中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)組成該課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，如表1所示，與該課程的理論教學(xué)配套進(jìn)行，突出基本技能的訓(xùn)練。

2)完善更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，加大實(shí)驗(yàn)室開放力度。

常熟理工學(xué)院高度重視工科實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，機(jī)械工程學(xué)院在2012年、2013年都獲批了“機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擴(kuò)建”項(xiàng)目，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)達(dá)180余萬(wàn)元。在項(xiàng)目建設(shè)中，新建了機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)室和數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，淘汰、擴(kuò)建、改造了一批陳舊實(shí)驗(yàn)設(shè)備，已經(jīng)通過學(xué)校驗(yàn)收。實(shí)驗(yàn)教師和理論課教師共同指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師把自己的科研項(xiàng)目帶到實(shí)驗(yàn)室，引導(dǎo)學(xué)生共同完成。

表1　機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊

3)充實(shí)基本實(shí)驗(yàn)，提高分析難度。

齒輪范成及參數(shù)的測(cè)定是基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)所用齒輪范成儀為m=15 mm，Z=10，要求分別畫出標(biāo)準(zhǔn)齒輪和變位齒輪3～4個(gè)，能夠理解標(biāo)準(zhǔn)齒輪和變位齒輪齒形的區(qū)別，也看清楚了齒條刀具加工漸開線齒廓的包絡(luò)形成過程。但是，部分學(xué)生雖然對(duì)于被切齒輪的模數(shù)m=15 mm沒有疑問，但為什么被切齒輪的齒數(shù)Z=10不清楚，因此，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中要求學(xué)生回答以下5個(gè)思考題。1)標(biāo)準(zhǔn)齒條型刀具的齒廓與普通齒條相比，有什么不同？2)范成法切出的齒廓曲線全部是漸開線嗎？在圖上畫出漸開線部分及根切部分。3)為什么齒輪范成儀能加工出m=15 mm，Z=10的齒輪？4)更換不同的齒條刀具能否加工出m=2 mm，m=3 mm，m=4 mm的齒輪？5)能否用分度圓壓力角α=0°的齒條刀具加工出分度圓壓力角α=20°的齒輪？

這5個(gè)思考問題的難度是逐漸加大的，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)就不能僅僅停留在畫出標(biāo)準(zhǔn)齒輪和變位齒輪，而要深入思考范成原理和正確嚙合條件。其中，第一個(gè)問題，引導(dǎo)學(xué)生思考刀具齒輪的頂部高出了c*×m，用于切制出被加工齒輪的頂隙。這一部分齒廓是半徑為ρ的圓角刀刃，切制出被加工齒輪的靠近齒根圓的過渡曲線。第三個(gè)問題，引導(dǎo)學(xué)生把切制齒輪運(yùn)動(dòng)與范成儀背面的齒輪齒條傳動(dòng)關(guān)系相聯(lián)系。第四個(gè)問題，在更換m=2 mm，m=3 mm的齒條刀具能加工出齒數(shù)為整數(shù)的齒輪，更換為m=4 mm的齒條刀具則能加工出齒數(shù)為Z=37.5的齒輪，因此要求學(xué)生更深入地思考，分析加工結(jié)果。

4開設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力

機(jī)械原理課程的核心內(nèi)容是各類常用機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，新開實(shí)驗(yàn)“機(jī)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)”是應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件Solidworks Motion建立機(jī)構(gòu)模型，通過添加相應(yīng)的初始條件、約束條件得到所求構(gòu)件之間的相對(duì)位置、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，得到機(jī)構(gòu)相應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性曲線，同時(shí)省去了繁瑣的計(jì)算。通過計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真，可使學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)原理及運(yùn)動(dòng)過程有比較直觀和深刻的認(rèn)識(shí)[3]?？赏ㄟ^預(yù)先的模擬、演示、驗(yàn)證來預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)的性能和參數(shù)，優(yōu)化機(jī)構(gòu)的性能。如圖1所示，給出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，考察機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中位移、速度和加速度的變化規(guī)律，如圖2～圖4所示，從而確定其運(yùn)動(dòng)特性。主要步驟有：1)建立草圖；2)制作塊；3)設(shè)置約束；4)運(yùn)動(dòng)分析。

Solidworks是實(shí)行數(shù)字化設(shè)計(jì)的造型軟件，在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用。通過將Solidworks引入實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握了將來在企業(yè)從事工程技術(shù)工作所要使用的常用軟件，為后續(xù)機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)[3]。

圖1　機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖2　顯示線性位移

圖3　顯示線性速度

圖4　顯示線性加速度

5建立實(shí)驗(yàn)考核制度

從2011級(jí)進(jìn)行機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K教學(xué)開始，建立實(shí)驗(yàn)考核制度?？己税üP試和綜合實(shí)驗(yàn)兩部分。

筆試是教師準(zhǔn)備好試題庫(kù)，考核實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)定、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等。由學(xué)生當(dāng)場(chǎng)抽取，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成并交卷。

綜合實(shí)驗(yàn)考核是完成“機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”。目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合利用已學(xué)習(xí)的機(jī)械原理的理論知識(shí)，注重實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練考核，需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作完成。機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)出能夠滿足預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律的新機(jī)構(gòu)。教師只給出預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)驗(yàn)方案由學(xué)生自行設(shè)計(jì)，可以是實(shí)物機(jī)構(gòu)搭接完成，也可以在Solidworks Motion中虛擬完成。

6改革取得的效果

機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)增加為10學(xué)時(shí)，新增3個(gè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)。新建機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)室和數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)行全天開放，是機(jī)械工程學(xué)院學(xué)生參加3D 設(shè)計(jì)大賽、省級(jí)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)踐基地。

實(shí)驗(yàn)教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣增強(qiáng)了，實(shí)驗(yàn)中提問題的學(xué)生多了，積極動(dòng)手的學(xué)生多了，課后進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和教師討論實(shí)驗(yàn)方案的學(xué)生多了，實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量大為提高[4]。

7結(jié)束語(yǔ)

通過更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)行開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有效地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析能力。通過開設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺性，在實(shí)驗(yàn)的過程中，掌握科學(xué)研究的方法，提高創(chuàng)新思維的能力[5]。隨著機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的進(jìn)一步深入，通過不斷地實(shí)踐、改進(jìn)、再實(shí)踐，機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力，建立工程意識(shí)等方面起到了積極的作用[6]。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]何玉林．“機(jī)械原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀分析與改革[J].高教論壇，2014(10)：25-27．

[2]鄭甲紅，王寧俠，周志明．在機(jī)械原理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的探索[J].高教論壇，2006(1)：43-45．

[3]盧梅，李威，邱麗芳．虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].儀器儀表用戶，2006(4)：25-26．

[4]周志全，呂建國(guó)．強(qiáng)化機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的人才[J].中國(guó)冶金教育，1995(1)：55-57．

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[6]鄧紅梅，周天．開設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012，10(4)：148-151．

收稿日期:2015-02-15；修改日期: 2015-04-09

作者簡(jiǎn)介：楊金花(1968-)，女，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)，CAD/CAM方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

中圖分類號(hào)G642.423

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.048

Reform and Practice of Experimental Teaching Effect of Mechanical Principle

YANG Jinhua，XU Xuezhong

(Shool of Mechanical Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China)

AbstractThe experimental principle of mechanical teaching is that students will be theoretical knowledge into an important way of perceptual knowledge.This paper analyzes the present situation ofordinary university mechanical principle experiment teaching and the existing problems，puts forward a new reform.Practice shows that，the unified understanding the importance of experiment teaching，improve experiment equipment update，enrich the basic experiment，comprehensive experiment design，experiment，the establishment of evaluation system is an effective method to improve the teaching quality of mechanical principle.

Key wordsexperimental principle of mechanical；teaching reform；practice and effect