機械設計實驗教學創(chuàng)新實踐

徐春明　周艷　孫瑛　蔣國璋　李公法

[摘 要]機械設計是機械專業(yè)的基礎性課程，實驗教學對于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著至關重要的作用。針對目前大學機械設計實驗教學中存在的一些問題，以課程實驗教學模式和方法的變革為起點，圍繞創(chuàng)新實踐這個中心主題，運用現(xiàn)代化的教學手段和管理方法改革實驗教學，通過課程實踐，可以提高學生的動手能力，開闊學生的眼界，發(fā)散學生的思維，培養(yǎng)學生的實際操作能力以及創(chuàng)新能力，激發(fā)學生的學習熱情，讓學生主動參與到學習中來。

[關鍵詞]機械設計；實驗教學；思維創(chuàng)新

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）12-0049-03

機械設計是機械專業(yè)十分重要的一門專業(yè)基礎課程，其中機械設計實驗是必不可少的重要環(huán)節(jié)。機械設計實驗不僅可以加深學生對機械設計課程的理解，訓練學生的基本技能，同時也能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。機械設計實驗教學的研究過程包括：在實際中發(fā)現(xiàn)問題，針對問題設計解決方案，方案的運行，分析結果，推廣運用。在這些研究過程中，隨時要用到多種創(chuàng)新思維。通常情況下，理論課程是先行環(huán)節(jié)，其作用在于讓學生理解概念、落實基礎，而實驗課程的現(xiàn)場性實踐教學，能讓學生把學到的知識理解和掌握得更加透徹。實驗教學能讓學生將理論和實踐結合起來，在夯實學生基礎的同時，培養(yǎng)學生自主分析和解決問題的能力。學習不僅僅是掌握理論，更重要的是培養(yǎng)思維，提高自己的動手實踐能力。因此，實驗教學的重要性不言而喻，它在學生今后的學習和工作中有著不可代替的作用。機械設計也可以說是機械創(chuàng)新，是在原有的設計基礎之上創(chuàng)造出新穎的機構。機械設計可以激發(fā)學生的創(chuàng)造力和想象力。從具體的案例出發(fā)，機械設計涵蓋了機械行業(yè)的方方面面，從最簡單的螺栓、螺母到航空母艦，這些都涉及機械設計的內容。學習機械設計可以了解到機械行業(yè)的各種標準，這些都是十分重要的基礎知識。學習機械設計，就是要注重實踐教學，通過具體的實踐來加深學生對書本上各種知識的理解。隨著技術的不斷發(fā)展，教師要運用現(xiàn)代化的教學手段改革實驗教學，改革以往的教學模式，有效發(fā)揮出實驗教學的優(yōu)點，讓學生直接接觸各種機械器件，利用所學知識解決實際問題，從而培養(yǎng)學生的實際操作能力以及創(chuàng)新能力。

一、實驗教學現(xiàn)狀分析

機械設計基礎課程的教學目的是培養(yǎng)學生的機械設計能力，在教學形式上采用課堂教學、實驗教學以及課程設計等方式進行。在機械設計基礎教學中，書本上的理論知識只是基礎，將自己掌握的理論知識熟練運用于實踐之中才是真正的本事。所以，機械設計實驗教學是機械設計基礎課程的重中之重。工科類高校培養(yǎng)專業(yè)創(chuàng)新性人才，應該將實驗課程作為重點，通過理論基礎的引導，進行專業(yè)的實驗教學，加強機械設計實驗教學在機械設計基礎課程中的地位，在促進學生夯實理論基礎的同時鍛煉他們的綜合能力和素質，這樣才能培養(yǎng)出適合各工程行業(yè)的應用型人才。在高校的教學過程中，實驗教學對于學生綜合能力的鍛煉和提高有著至關重要的作用。

目前，機械設計的課程內容還是以理論課為主，教學方式也是采用課堂教師講授的形式，考核方式以理論課筆試成績?yōu)橹鳎]有注重機械設計實驗教學模塊，實驗教學課時少，學生所進行的機械設計實驗數(shù)量和質量都達不到要求，不能實現(xiàn)培養(yǎng)學生實踐能力的目的[1]。在實驗教學中，實驗教學內容的安排多基于理論配套性基礎實驗，并且實驗內容簡單老舊、教學要求低、少有內容創(chuàng)新。學校所進行的實驗都是演示性和驗證性實驗，創(chuàng)新性和綜合性的實驗較少，而且在進行機械設計課程實驗時，學校發(fā)的實驗指導書中詳細寫明了實驗目的、實驗原理以及實驗步驟，在做實驗之前，教師都會先演示實驗的操作步驟，學生按照教師的步驟一步一步地操作即可，這樣的實驗失去了實驗原有的意義，沒有給學生留下思考和創(chuàng)造的空間，沒有起到啟發(fā)學生創(chuàng)新想象力的作用[2]。學生缺乏學習主動性，安于現(xiàn)狀，進而導致學習效率低下。課程所安排的實驗，項目大多是獨立的，缺乏整體性，忽視了每個實驗內容之間的相互關聯(lián)，學生只是為了完成任務而做實驗，并沒有真正意義上學到知識。此外，學校所安排的實驗內容一成不變，沒有隨著科學技術的發(fā)展和學生的知識體系的擴充而進行實時的調整，一些淘汰的知識還存在于實驗之中，先進的知識沒有引用進來，這影響了實驗教學的質量，學生的學習熱情也無法提高[3]。實驗的考核方式不完善，大部分實驗還是和理論課的成績掛鉤，沒有單獨形成一個體系，甚至有的實驗項目完成后成績不計入最后的總分，學生也不重視相關的實驗課，這導致實驗課對學生沒有約束力，無法保證實驗課的教學質量要求。在傳統(tǒng)的實驗教學模式中，教學方法、教學體系以及教學手段都沒有進行及時的變革與更新，學生無法得到最佳的學習訓練，綜合實踐能力也就無法提高，這影響了很多學生今后的發(fā)展。因此，為了培養(yǎng)現(xiàn)代化的創(chuàng)新性人才，我們需要推進機械設計實驗教學的改革，從學校的學習中改變學生的思維方式，加強學生實踐能力的訓練，引導學生進行創(chuàng)新。

二、實驗教學模式改革

（一）實驗教學體系的改革

傳統(tǒng)的機械設計實驗教學大多以理論課為主，實驗的目的只是驗證理論的正確性，鞏固所學的理論知識，加深學生的印象[4]。我們突破原有的思維障礙，建立以機械設計實驗教學為重心的新的實驗學習模式，將實驗教學與理論教學分開，采用階段化的教學，單獨設立機械設計實驗教學的課程，實行學分制。除了與理論相關的實驗外，實驗教學還應該加入更多的發(fā)散性和創(chuàng)造性實驗，對相關的實驗進行演化，引導學生的學習興趣，為學生提供很好的創(chuàng)新實驗平臺。學生們能夠充分發(fā)揮自己的想象力，為了解決問題而不斷研究，教師應提供相應的幫助，這樣才有助于學生能力的培養(yǎng)。應增加實驗課的學時，讓學生有充分的時間進行實驗，因為僅僅幾節(jié)課的實驗課時無法讓學生了解機械設計的應用。現(xiàn)在很多大學的實驗室除了平時的實驗教學課之外，其他的時間都是不對學生開放的，而學生只有在特定的實驗課程時間才能進行實驗，這樣不僅學生沒有得到很好的實驗教學，同時也造成了實驗設備的資源浪費。要想培養(yǎng)學生的動手能力和思維創(chuàng)造能力，有必要對實驗室的使用和管理制度進行改革，加大實驗室的開放制度，讓學生多接觸一些機械類的東西，讓想進行實驗操作的學生有地方可以學習，讓有疑惑的學生能夠在實驗室找到自己的答案，讓那些有創(chuàng)新想法的學生能夠找到創(chuàng)新的地點。將實驗室交給學生，讓學生來自主選擇實驗方案以及實驗儀器，不限制學生使用的時間，這樣也可以打破學時的限制，改變以往的實驗教學方法，加強學生的動手能力，有利于充分發(fā)揮學生做實驗的積極性和主動性。

（二）制定嚴格的成績考核方式

成績考核是檢驗實驗教學質量的一種重要方式，可以很好地約束學生。以往就是因為沒有嚴格的實驗考核方式，學生對實驗課不是很積極，對于實驗課的內容沒有放在心上，實驗過程和實驗報告都是敷衍了事，沒有認真對待。因此，建立嚴格的實驗成績考核方式勢在必行。根據(jù)具體的實驗規(guī)劃，可以將實驗成績劃分為考勤成績、動手操作能力、綜合能力、創(chuàng)新能力、實驗報告，實行嚴格的考勤制度，從根本上讓學生重視這一門實驗課程，保證每個學生的正常實驗時間。通過觀察每一個學生的實踐操作能力以及實驗設計綜合能力，給予學生的客觀的評估；同時引導學生進行創(chuàng)新性實驗，讓學生按照自己的想法進行實驗操作[8]。實驗之后教師應該認真檢查學生的實驗報告，發(fā)現(xiàn)學生實驗的閃光點，多和學生進行學術探討，鼓勵學生繼續(xù)進行創(chuàng)新，讓學生自己做實驗解決自己所提出的問題，并對他們的想法進行引導，讓一些有相同想法的學生組成一些實驗小組，提供實驗設備給這些學生，鼓勵他們參加一些機械設計創(chuàng)新大賽，在更大的空間去展示自己的想法，同時這也能讓學生吸收別人的經驗，從而加深自己對問題的理解。

（三）互助實驗教學

除了改革實驗教學體系和完善考核方式之外，實驗教學還應該注重啟發(fā)式教學。教師作為授業(yè)者，要注意引發(fā)學生對實驗的興趣，讓學生始終處于新奇、懷疑、刻苦鉆研的興奮狀態(tài)。同時還要注重實驗教學課間的互助討論，將學生分成幾個小組進行實驗，組員之間相互學習、相互幫助，學生自己提出自己的見解，大家一起集思廣益[6]。最后小組內選出一個組長，代表小組在班級上展示自己小組的實驗成果，和大家一起分享實驗步驟和經驗。各個小組之間互相交流，提出自己不同的見解，互相評價實驗結果，這能提高學生互相交流的能力和與團隊合作的能力。學生應成為實驗課程的主體，教師只是強調注意事項以及引導學生進行思考，改變以往教師演示實驗操作的模式。教師在小組討論之后再進行總結性的發(fā)言，對各個小組的成果進行評價，以引發(fā)學生進一步的思考，鼓勵學生進行更深層次的實驗探究，培養(yǎng)學生對科研的興趣。

（四）培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

開設實驗教學課程，主要目的就是培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力。如今的一些實驗課，例如曲柄搖桿機構運動分析、帶傳動實驗、減數(shù)器的拆裝實驗、軸系結構設計實驗等，這些實驗都是學生在教師的指導下按部就班地完成，整個實驗過程中學生是被動地接受知識，這種教學方式明顯不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[7]。不同的學生有自己不同的實驗風格，所以學校所發(fā)的實驗指導書內容應該進行變革，刪除其中的實驗步驟，讓學生自己一步一步來探索其中的操作過程，不要固化學生的思維。實驗書上所寫的實驗步驟不一定是唯一的道路，學生可以發(fā)揮自己的能力開辟出新的實驗步驟。在遇到困難、解決困難后，學生自己的學習信心會大大增強，同時這也能夠培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。在這個不斷克服困難的學習過程中，學生不僅可以學到知識，還能學到對待困難問題的態(tài)度和方法，在遇到問題時沉著冷靜，有條不紊地檢查每一個小細節(jié)，縮小范圍，找到問題的所在，并運用所學的知識解決它。對于那些在實驗中動手、動腦、有創(chuàng)新點的學生應該進行重點培養(yǎng)，因材施教，可以成立課外的興趣學習小組，帶領他們參加一些機械設計大賽，充分培養(yǎng)學生的創(chuàng)新力。

（五）虛擬實驗技術

受到各種條件的限制，很多高校都面臨實驗設備匱乏的問題，這就導致很多機械設計的實驗無法在實驗室內進行，理論教學又太過于抽象枯燥，這時就需要運用虛擬實驗技術。在計算機上建立一個虛擬的實驗室，學生可以隨時在計算機上模擬各種實驗。虛擬實驗操作簡潔明快，豐富的人機交互以及動畫演示可以激發(fā)學生的學習熱情，而且虛擬實驗可以通過仿真完美展示機構尺寸的動態(tài)關系，同時看出機構運動的具體軌跡，計算機可以自動采集實驗數(shù)據(jù)，避免人為的誤差。對于曲柄搖桿機構運動分析實驗，我們完全可以運用計算機軟件完成相應的實驗步驟，學生自主選擇曲柄以及連桿搖桿的長度，按照自己理解將這些桿件在軟件中組裝起來，然后進行運動仿真，觀察機構的運動。系統(tǒng)同時還有自動檢查錯誤的功能，如果桿件長度不能滿足轉動條件，系統(tǒng)就會報錯，學生可以根據(jù)相關信息不斷地調整各個桿件的長度，直到機構能夠順利運行[8]。虛擬實驗具有很大的靈活性，不需要依賴于實驗硬件，可以隨時隨地進行實驗，這節(jié)省了人力、物力，提高了實驗的效果。

（六）實驗內容與科技同步發(fā)展

實驗教學的內容應該和最新的科學技術相結合，淘汰那些過時的理論實驗，老舊的實驗設備也不宜使用，這樣的實驗設備容易有安全隱患，而且用舊設備得到的實驗數(shù)據(jù)也不準確。實驗室應該引進新的實驗設備，讓實驗室與時代接軌，除了經典的實驗課程之外，還應該發(fā)展反映現(xiàn)代研究科技成果的實驗技術，讓實驗課程具有探究和探索的專業(yè)氣息[9]。應盡可能讓學生和時代接軌，讓學生多了解現(xiàn)代最新的實驗成果，擴展學生的視野，引發(fā)學生的思考。同時要盡可能鼓勵學生多參與一些科學前沿性的活動，多閱讀一些相關文獻，了解國際科學領域的最新狀態(tài)，在實驗中培養(yǎng)學生的各種能力。

三、總結

實驗教學和理論教學是一個整體，兩者密切相關，重視理論課程的同時也要重視實驗課程。我校通過實驗課程改革，取得了巨大的成果，學生在實驗課上十分活躍，才思涌動，每個人都有自己獨特的實驗見解。學生通過動手實際操作證明自己的想法，在不斷地思考之中學習，創(chuàng)造能力得到了很大的提高。學生從被動的學習變成了主動的學習，積極參加各種機械創(chuàng)新大賽，并且取得了優(yōu)異的成績。通過機械設計課程改革，學生的綜合能力也得到了很大的提升，特別是在動手實踐方面，學生不只是停留在理論層次，而是擁有豐富的實踐經歷，受到了各大用人單位的青睞。為了響應國家對創(chuàng)新型人才的需求，我們要堅持以創(chuàng)新為中心，通過教學改革以及現(xiàn)代化教學手段，不斷培養(yǎng)高素質技能型人才。

[ 參 考 文 獻 ]

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[9] 孫瑛，程文韜，朱文瓊，蔣國璋，李公法，熊禾根，吳浩.基于校企聯(lián)合協(xié)同中心的機械工程研究生培養(yǎng)模式創(chuàng)新研究[J].教育教學論壇，2018（16）：31-33.

[責任編輯：陳 明]