我?！稒C(jī)械原理》實驗課程的改革

徐紅芹 毛崇智 王紅梅 李愛軍

摘要：本文論述了我?！稒C(jī)械原理》實驗課程存在的一些問題，從增加實驗項目、實驗類型，以及拓展實驗的開展渠道等幾個方面，詳細(xì)介紹了實驗課程改進(jìn)的一些具體措施，并對改革后的成果和出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理;驗證性實驗;綜合性實驗;創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號：1674-9324（2016）40-0086-02

一、引言

《機(jī)械原理》課程是機(jī)械工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)《機(jī)械設(shè)計》等課程的基礎(chǔ)，對培養(yǎng)學(xué)生掌握一些常見的機(jī)構(gòu)的特性和具有初步設(shè)計機(jī)械的能力非常重要。而要鞏固和加深課本的知識，就離不開實驗課程的開展。以前我?！稒C(jī)械原理》課程的實驗項目較少，且實驗設(shè)備陳舊，阻礙了實驗課程改革的進(jìn)行，隨著學(xué)校經(jīng)費的投入，實驗室陸續(xù)購入一些實驗設(shè)備，為我校實驗課程的改革提供了條件。

二、我?！稒C(jī)械原理》實驗課程存在的一些問題

經(jīng)過多年的建設(shè)，我?！稒C(jī)械原理》課程已經(jīng)有非常好的基礎(chǔ)，課程體系豐富、合理，配套的習(xí)題和資料也很齊全，任課教師多數(shù)都有多年教學(xué)經(jīng)驗。但作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它和工程實踐有著緊密的聯(lián)系，單純的課堂講授不能驗證、鞏固和加深課堂講授的知識，必須借助實驗課程的開展。但目前本課程的實驗存在以下一些問題。

1.實驗項目少。改革前的實驗項目非常少，只有三個實驗：參觀模型陳列柜、機(jī)構(gòu)測繪和齒輪展成實驗。這幾個實驗涵蓋的知識面狹窄，只關(guān)系到課本中“機(jī)構(gòu)的組成原理”、“平面連桿機(jī)構(gòu)的特性”和“齒輪的切削法加工”部分的內(nèi)容。而課本涉及的內(nèi)容遠(yuǎn)不止這些，比如還有凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計、間歇運動機(jī)構(gòu)的設(shè)計以及機(jī)器的動力學(xué)等方面的內(nèi)容。因此有必要拓展實驗的內(nèi)容和數(shù)量。

2.實驗項目類型單一。改革前的實驗項目不僅少而且單一，機(jī)構(gòu)的測繪和齒輪展成實驗都是驗證性的實驗，學(xué)生只需按照實驗指導(dǎo)書的要求，按部就班地完成要求的步驟即可。參觀模型陳列柜這個實驗即使連驗證性的實驗也算不上，最多只是加深學(xué)生對這門課程研究對象的理解，以及增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。隨著學(xué)校和企業(yè)對人才培養(yǎng)質(zhì)量要求的提高，對具有創(chuàng)新性人才的要求越來越迫切，因而增加實驗類型，提高學(xué)生動手能力，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識就提上日程。

3.實驗的開展渠道狹窄。以往的實驗，都是計劃內(nèi)必做實驗。一般在相關(guān)課程內(nèi)容講授完成后，按照任課教師的安排，由學(xué)生和實驗室相關(guān)實驗人員聯(lián)系，按照實驗設(shè)備的情況，把學(xué)生分成若干小組，課內(nèi)學(xué)時完成不了的，在學(xué)生的課余時間內(nèi)完成。在這種情況下，即使實驗室還有其他實驗設(shè)備，能夠開展其他實驗，學(xué)生想做這些實驗，也沒有可能。在中央和地方共建實驗室后，國家和學(xué)校陸續(xù)投入了大量資金，購入了許多設(shè)備，能夠開展各種類型的實驗，因而有必要拓展實驗的進(jìn)行渠道。

4.不能充分調(diào)動學(xué)生的積極性。實驗類型單一，多為驗證性實驗，并且都是必做實驗，學(xué)生按照實驗老師的要求操作即可。有部分同學(xué)可能并不清楚每個實驗步驟的目的，實驗的效果可想而知。在這種情況下，很難調(diào)動起學(xué)生對實驗的積極性，也難以達(dá)到提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的要求。

三、改革的具體措施和手段

1.在實驗室講授緒論部分內(nèi)容。本課程緒論部分主要介紹《機(jī)械原理》課程的研究對象及課程的內(nèi)容等知識。通過這一章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解課程的研究重點，在機(jī)械專業(yè)中的重要地位和作用;了解學(xué)科的發(fā)展趨勢;增強(qiáng)學(xué)生對課程的感性認(rèn)識，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的興趣。以前這部分內(nèi)容主要為課堂講授，同時借助多媒體教學(xué)。雖然也能講清楚一些基本知識和內(nèi)容，但缺乏感性認(rèn)識，難以調(diào)動學(xué)生的積極性，從而也失去了緒論這部分章節(jié)應(yīng)起的作用。改革后，緒論課改在實驗室的模型陳列室上，教師一邊講授相關(guān)的內(nèi)容，一邊動手操作。模型陳列室的機(jī)構(gòu)多種多樣，有許多都是和生產(chǎn)實踐緊密聯(lián)系的機(jī)構(gòu)，并且很多機(jī)構(gòu)通過控制都可以運動起來，生動有趣的運動模型即增加了學(xué)生對機(jī)構(gòu)的感性認(rèn)識，又能加強(qiáng)學(xué)生對課程的興趣，從而能夠充分調(diào)動起學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的熱情。

2.和生產(chǎn)實踐相結(jié)合。本課程的教學(xué)任務(wù)，除了要求學(xué)生掌握一些基本知識和基本理論外，還要能夠理論聯(lián)系實際，運用所學(xué)知識解決一些工程實踐的問題。因此教師除了授課時講一些和課本知識相關(guān)的具體案例外，還要激勵學(xué)生走出教室，通過仔細(xì)觀察和思考，運用所學(xué)知識分析和解決一些力所能及的問題。在講完機(jī)構(gòu)運動簡圖的繪制后，除布置書面作業(yè)外，還可讓學(xué)生走向社會，通過自己觀察和思考，繪制一些簡單機(jī)構(gòu)的運動簡圖。比如家里有縫紉機(jī)的學(xué)生，可以通過觀察和測量，繪制出縫紉機(jī)的踏板機(jī)構(gòu)運動簡圖;在外面修補(bǔ)鞋子時，通過觀察補(bǔ)鞋機(jī)的運動，繪制出補(bǔ)鞋機(jī)的機(jī)構(gòu)示意圖等。這樣，既鞏固了所學(xué)知識，又能鍛煉學(xué)生的觀察和思考能力，進(jìn)而做到理論和實踐相結(jié)合，讓學(xué)生認(rèn)識到所學(xué)知識確實有用，從而增加學(xué)習(xí)的動力。

3.增加實驗項目和實驗類型。在傳統(tǒng)實驗項目基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗室購入實驗設(shè)備情況，增加了動平衡實驗、平面機(jī)構(gòu)設(shè)計實驗、簡單機(jī)構(gòu)性能測試分析實驗、平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合分析測試實驗以及系統(tǒng)動力學(xué)調(diào)速實驗。除動平衡實驗為驗證性實驗外，其余實驗均為設(shè)計性或綜合性實驗。①創(chuàng)新設(shè)計實驗。平面機(jī)構(gòu)設(shè)計實驗為創(chuàng)新性實驗。實驗設(shè)備包括組成機(jī)構(gòu)的各種構(gòu)件和運動副。學(xué)生可根據(jù)平面機(jī)構(gòu)的組成原理，首先選擇所需的各種桿組，然后用相關(guān)的運動副將有關(guān)構(gòu)件聯(lián)接起來，再將它們依次聯(lián)接到機(jī)架和原動件上，就可以創(chuàng)造出各種各樣的機(jī)構(gòu)。設(shè)計完成后，再根據(jù)機(jī)構(gòu)具有確定運動的條件，計算所設(shè)計“機(jī)構(gòu)”的自由度，來判斷機(jī)構(gòu)能否運動以及所需原動件的數(shù)目。通過該實驗，既能鍛煉學(xué)生的動手能力，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，為學(xué)生設(shè)計各種機(jī)構(gòu)提供了一種思維方法，同時通過實驗，對課本“平面機(jī)構(gòu)的組成原理”部分進(jìn)行了驗證，從而做到理論和實踐相結(jié)合。②綜合性實驗。簡單機(jī)構(gòu)性能測試分析實驗、平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合分析測試實驗及系統(tǒng)動力學(xué)調(diào)速實驗均為綜合性實驗。簡單機(jī)構(gòu)性能測試分析實驗：能夠設(shè)計和分析測試若干個常用的機(jī)構(gòu)。以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，有兩種設(shè)計方法，分別為：按行程速度變化系數(shù)K設(shè)計和實現(xiàn)連桿運動軌跡設(shè)計。學(xué)生可將設(shè)計好的參數(shù)輸入計算機(jī)，進(jìn)而得到所測試構(gòu)件的速度、加速度曲線，通過線圖直觀地看到所設(shè)計的機(jī)構(gòu)是否合乎要求;還可通過計算機(jī)對所測試的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄或連桿等尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后機(jī)構(gòu)中某構(gòu)件的速度和加速度仿真曲線，通過前后對比，了解曲柄和連桿等的尺寸對機(jī)構(gòu)運動特性的影響，認(rèn)識到即使是同一類型的機(jī)構(gòu)，但機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的尺寸不同，也對機(jī)構(gòu)的運動性能有很大的影響，從而加深對課本中相關(guān)知識的理解。平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合分析測試實驗：學(xué)生可按照自己所設(shè)計機(jī)構(gòu)的功能要求，根據(jù)機(jī)構(gòu)常用的組合方式，先擬定機(jī)構(gòu)的運動方案，再進(jìn)行相關(guān)機(jī)構(gòu)的選型，在選型時必須仔細(xì)對比各種候選機(jī)構(gòu)的不同特點和適用場合，選擇符合運動和動力要求的機(jī)構(gòu)，從而進(jìn)一步加深學(xué)生對各種不同機(jī)構(gòu)性能的了解。在運動方案擬定后，再根據(jù)所設(shè)計的機(jī)構(gòu)，利用有關(guān)的工具，把所設(shè)計的機(jī)構(gòu)組裝起來，機(jī)構(gòu)安裝完成后，還可利用電機(jī)驅(qū)動原動件運動，驗證所設(shè)計的機(jī)構(gòu)是否可行。這樣既鍛煉了學(xué)生擬定機(jī)械運動方案的能力，又增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力。系統(tǒng)動力學(xué)調(diào)速實驗：通過該實驗，可使學(xué)生了解等效驅(qū)動力矩、等效阻力矩和等效轉(zhuǎn)動慣量等對周期性速度波動的影響，掌握對周期性速度波動的調(diào)節(jié)手段，掌握飛輪設(shè)計的有關(guān)問題。

4.拓展實驗開展渠道。除計劃學(xué)時內(nèi)必做實驗外，其余實驗可安排在課外進(jìn)行，學(xué)生可按興趣選做其中的幾個實驗，充分調(diào)動學(xué)生的積極性。同時，有關(guān)老師成立若干個創(chuàng)新實驗小組，爭取學(xué)校一定的經(jīng)費支持，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生完成有關(guān)的設(shè)計和操作，并對實驗結(jié)果加以分析，以論文的形式形成最終成果。然后組織有經(jīng)驗的教師組成答辯小組，對學(xué)生的成果進(jìn)行驗收，來督促學(xué)生認(rèn)真及時地完成創(chuàng)新設(shè)計，并對實驗結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)性的分析總結(jié)，從而鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力和分析解決問題的能力。

四、成果與思考

1.本課程的第一堂課在實驗室進(jìn)行，通過教師的講解，結(jié)合對各種典型機(jī)構(gòu)模型運動的操控，直觀地展示了本課程的研究對象，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，為課程的后續(xù)學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

2.鼓勵學(xué)生將所學(xué)知識與工程實踐相結(jié)合，增強(qiáng)了學(xué)生的工程實踐意識和解決實際問題的能力，使學(xué)生意識到所學(xué)知識是真正有用的，提高了學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，促進(jìn)了理論和實踐的結(jié)合，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。但受到所學(xué)知識的限制，只能解決一些相對比較簡單的問題。這就需要任課教師幫助選擇合適的實踐題材。

3.增加了創(chuàng)新性和綜合性實驗。通過這些實驗的開展，鍛煉了學(xué)生的動手能力和觀察解決問題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。但對實驗的具體開展，比如實驗指導(dǎo)書的編寫等，還有許多問題需要進(jìn)一步修改完善。

4.實驗開展渠道增加，可以在有限的學(xué)時內(nèi)，在不壓縮授課時間的情況下，增加實驗的類型和數(shù)量，也取得了良好的效果，但也增加了實驗人員和教師的工作量，如何協(xié)調(diào)這兩者的矛盾，也是今后需考慮的一個問題。

經(jīng)過近一年的改革實踐，效果比較顯著，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性被充分地調(diào)動了起來，運用所學(xué)知識觀察問題和解決問題的能力顯著提高，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程實踐意識，動手能力也得到了顯著提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭文緯，吳克堅.機(jī)械原理[M]第七版.高等教育出版社，1996.

[2]賈小紅，權(quán)英華，等.機(jī)械原理實驗教學(xué)的改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2004，（6）：109-111.