基于“身邊教學(xué)法”的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程實驗設(shè)計

薛銅龍, 姚亞昔, 張曉輝

(河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院, 河南 焦作 454000)

新工科建設(shè)對我國新時代工科專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求,機械設(shè)計基礎(chǔ)課程作為大學(xué)工科機類或非機類各專業(yè)開設(shè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程,直接影響到許多工科專業(yè)學(xué)生的發(fā)展?jié)撃?。該課程是一門工程性、實踐性很強的課程,其實驗教學(xué)是一個十分重要的實踐環(huán)節(jié),不僅起到使學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容中理論知識的目的,更重要的是培養(yǎng)學(xué)生工程意識、工程實踐動手能力、理論聯(lián)系實際能力,啟迪其創(chuàng)新思維[1-2]。但由于我國高校的學(xué)生絕大多數(shù)學(xué)習(xí)經(jīng)歷都是連續(xù)的,都是從高中直接進入大學(xué)的,接觸社會實踐的機會很少,對機械的了解只限于生活中接觸的范圍,缺少工程觀念,無法將課程理論知識和工程實際相結(jié)合,工程實踐動手能力也比較薄弱,特別是低年級非機類專業(yè)的大學(xué)生，因此在日常實驗課程教學(xué)中有必要研究一種能快速將工程實際引入實驗教學(xué),實現(xiàn)實驗項目與其工程背景交融的實驗教學(xué)方法。為此，我們嘗試采用“身邊教學(xué)法”工程教育理念,通過挖掘大學(xué)生身邊的機械工程問題來設(shè)計實驗項目,以調(diào)動學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的積極性。

1 “身邊教學(xué)法”工程教育理念的含義

“身邊教學(xué)法”是指教學(xué)參與者(包括教師和學(xué)生)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和要求,將日常學(xué)習(xí)和生活環(huán)境中的一些相關(guān)事物作為教學(xué)對象,對其進行分析、研究和設(shè)計,使學(xué)生養(yǎng)成關(guān)注身邊事物、將抽象的理論知識與形象的工程實物聯(lián)系起來的習(xí)慣,實現(xiàn)由科學(xué)知識到工程知識的遷移和跨越,形成感性認識,最終凝練成觀察、分析和解決工程實際問題的能力[3]。

現(xiàn)代社會里,人們工作、學(xué)習(xí)和生活都已經(jīng)脫離純自然的環(huán)境,身邊“抬頭不見低頭見”的都是人造機械工程的產(chǎn)物。對于學(xué)生,日常學(xué)習(xí)和生活的“衣食住行用”都離不開不同機械工程領(lǐng)域各種類型的機械產(chǎn)品,在這5大生活必需品中,“衣”處于5者之首,說明了“衣”的重要性,我們就來簡單說說用于“衣”的常用身邊機械,首先我們要穿衣服,就要有做衣服的機器,那就是縫紉機；衣服臟了,就需要洗衣服的機器,那就是洗衣機。用縫紉機做衣服學(xué)生可能做得不多,但大多數(shù)學(xué)生一定見過縫紉機；而洗臟衣服,可以說,每個學(xué)生都有用洗衣機洗衣服的經(jīng)歷,學(xué)生可能接觸、使用過各種類型的洗衣機,如雙缸洗衣機、波輪式洗衣機和滾筒式洗衣機等。所以,采用“身邊教學(xué)法”進行實驗教學(xué),展示課程理論知識,由于身邊的機器我見過、用過,學(xué)生進入學(xué)習(xí)的狀態(tài)就會快,學(xué)生的感性認識會更強烈,也會對實驗項目更感興趣,起到“事半功倍”的效果。

2 構(gòu)建基于身邊的機構(gòu)與零部件實驗課程教學(xué)體系

2.1 理論與實踐相融合的實驗教學(xué)體系的規(guī)劃

一些工科大學(xué)在嘗試利用身邊簡單的機械去做機械設(shè)計基礎(chǔ)課程實驗。例如西安交通大學(xué)的“縫紉機機構(gòu)分析實驗”[4]等,但系統(tǒng)、完整地建立身邊的機構(gòu)與零部件實驗室,就要認真地收集、整理、分析及規(guī)劃。

為使“身邊教學(xué)法”工程教育理念在機械設(shè)計基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)中得以系統(tǒng)體現(xiàn),將機械設(shè)計基礎(chǔ)課程根據(jù)機械功能和應(yīng)用屬性劃分為5個子模塊；以學(xué)生身邊熟悉的日常生活“衣食住行用”為主題,以培養(yǎng)學(xué)生利用工程基礎(chǔ)理論解決工程實際問題為宗旨,堅持理論聯(lián)系實際地構(gòu)建基于身邊的機構(gòu)與零部件實驗課程教學(xué)體系。

在選擇身邊機器時,即使有“衣食住行用”的主題,那么相關(guān)的機械設(shè)備也很多,我們要選用一些涵蓋機械設(shè)計基礎(chǔ)課程基本理論知識比較多的機器,例如用于“衣”的家用滾筒式洗衣機,它大體由洗滌脫水系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、進排水系統(tǒng)、減振支承系統(tǒng)、水加熱和烘干裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)6大系統(tǒng)構(gòu)成[5],就與課程知識關(guān)聯(lián)度比較高。

2.1.1 劃分課程子模塊

將機械設(shè)計基礎(chǔ)課程根據(jù)機械功能和應(yīng)用屬性劃分為5個子模塊。

(1) 常用機構(gòu)子模塊,主要有連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、機構(gòu)的平衡與調(diào)速。

(2) 連接子模塊,主要有螺紋連接、鍵連接、銷連接。

(3) 機械傳動子模塊,主要有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動。

(4) 支承零部件子模塊,主要有軸、滾動軸承、滑動軸承、聯(lián)軸器、離合器。

(5) 其他零部件子模塊,主要有彈簧、箱體、密封件。

2.1.2 確定與課程內(nèi)容相關(guān)的身邊機構(gòu)與零部件項目

以日常生活“衣食住行用”為主題,確定與機械設(shè)計基礎(chǔ)課程內(nèi)容相關(guān)的實驗項目。例如用于“衣”的常用機械有縫紉機、洗衣機等,用于“食”的常用機械有攪面機、面條機等,用于“住”的常用機械有電梯、空調(diào)等,用于“行”的常用機械有自行車、汽車等,用于“用”的常用機械有電風(fēng)扇、電冰箱等。為了節(jié)約成本,可以到二手市場購買舊的，甚至報廢的機器用于實驗[6]。

2.1.3 實現(xiàn)課程子模塊與身邊項目對接

對身邊項目具體的機械構(gòu)成、工作原理進行解剖與分析,將涉及機械設(shè)計基礎(chǔ)課程內(nèi)容部分,與課程子模塊對照分析,選擇并調(diào)用與本課程相關(guān)聯(lián)的課程子模塊,確定課程子模塊與身邊項目對接。例如“衣”的常用機械有洗衣機,涉及機械設(shè)計基礎(chǔ)課程中的機械傳動子模塊,可以調(diào)用帶傳動、齒輪傳動教學(xué)資源；涉及支承零部件子模塊,可以調(diào)用軸、軸承、聯(lián)軸器教學(xué)資源；涉及連接子模塊,可以調(diào)用螺紋連接、鍵連接教學(xué)資源。實施有針對性、有重點的身邊項目與課程子模塊對接,展開關(guān)聯(lián)教學(xué),實現(xiàn)學(xué)用結(jié)合、知行統(tǒng)一。

2.2 “三層次遞進式”實驗項目的設(shè)計

下面,以用于“衣”的常用機械——家用滾筒式洗衣機為例,具體介紹實驗項目的設(shè)計,滾筒式洗衣機是比較典型的機電一體化家用電器產(chǎn)品,實驗所需器材成本低,取之容易。

滾筒式洗衣機實驗項目的設(shè)計與實現(xiàn),采用“三層次遞進式”分為三個層次來完成,一是基礎(chǔ)驗證型實驗項目,使學(xué)生驗證、理解、鞏固并掌握基本教學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生對關(guān)聯(lián)知識的理解;二是以綜合設(shè)計“任務(wù)”為驅(qū)動,引導(dǎo)學(xué)生理清問題實質(zhì),確定結(jié)構(gòu)和解決問題的方法,注重理論知識和技術(shù)的綜合運用,培養(yǎng)學(xué)生對關(guān)聯(lián)知識的綜合運用能力；三是以實際問題為背景,引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新研究,通過需求分析,全面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力,同時促進實踐探索精神[7-9],如表1所示。

表1 滾筒式洗衣機三層次實驗項目的設(shè)計

2.2.1 基礎(chǔ)驗證型實驗的設(shè)計

在實驗課程教學(xué)過程中,以基礎(chǔ)驗證型實驗項目為載體,引導(dǎo)學(xué)生自主地、循序漸進地學(xué)習(xí)、理解、鞏固并掌握基本教學(xué)內(nèi)容,通過對滾筒式洗衣機拆卸、安裝,認識洗衣機的機構(gòu)與零部件,并與課程子模塊關(guān)聯(lián)教學(xué)內(nèi)容的基本理論知識對接。

例如,首先在認識、拆裝滾筒式洗衣機時,要接觸到螺紋聯(lián)接件、螺紋聯(lián)接的4種基本類型、螺紋聯(lián)接的防松方式等,相應(yīng)地要用到螺紋連接的基本理論知識,特別是滾筒式洗衣機的底座調(diào)平裝置要用細牙螺栓調(diào)整,這一點要給學(xué)生指出來,因為細牙螺栓學(xué)生接觸得比較少,可能不太注意；在拆裝滾筒式洗衣機的傳動系統(tǒng)時,要接觸到小皮帶輪、傳動V帶、大皮帶輪,相應(yīng)地要用到帶傳動的基本理論知識；在拆裝滾筒式洗衣機的洗滌脫水系統(tǒng)(滾筒主軸裝置)時,要接觸到滾筒主軸,相應(yīng)地要用到軸的基本理論知識,特別要指出滾筒主軸在洗衣工作時,要頻繁地正反雙向旋轉(zhuǎn),當(dāng)學(xué)生按彎扭合成強度方法校核滾筒主軸強度時,其折合系數(shù)a值要取1(即a=1)；在拆裝滾筒式洗衣機的外滾筒時,要接觸到滾筒配重塊[10],相應(yīng)地要用到機構(gòu)平衡的基本理論知識。

通過洗衣機零部件的拆裝實驗,讓學(xué)生繪制洗衣機的機構(gòu)運動簡圖和滾筒主軸結(jié)構(gòu)裝配圖,使學(xué)生感受到教學(xué)內(nèi)容基本理論知識的真實感和親切感,認識到所學(xué)的知識都是有工程實際用處的,進一步讓學(xué)生明白這個理論知識可以“如此”用到“這樣”的實際工程問題中,今后類似的問題就可以迎刃而解了。

2.2.2 綜合設(shè)計型實驗的設(shè)計

以綜合設(shè)計型實驗為突破口,引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合滾筒式洗衣機的實際問題,從選題開始、綜合設(shè)計到制作調(diào)試完成,使學(xué)生將所學(xué)基本知識貫穿起來,提高學(xué)生的實戰(zhàn)能力,進一步增強學(xué)生學(xué)習(xí)基本教學(xué)內(nèi)容的興趣和實踐探索精神。

例如,滾筒式洗衣機的傳動系統(tǒng)主要有以下部分組成:電動機、小帶輪、大帶輪、傳動皮帶、內(nèi)滾筒以及外滾筒。小皮帶輪裝在電動機的轉(zhuǎn)軸上,大皮帶輪與洗衣機內(nèi)筒連接在一起,電動機通過小皮帶輪帶動大皮帶輪以及內(nèi)筒旋轉(zhuǎn),也就是說,滾筒式洗衣機是通過皮帶進行動力傳動的,如圖1所示。

圖1 滾筒式洗衣機的傳動系統(tǒng)原理圖

帶傳動是一種古老而簡單的傳動方式,帶傳動按帶橫截面形狀可分為平帶、V帶、多楔帶、圓形帶等,在老式滾筒式洗衣機中使用的是V帶傳動。從機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的帶傳動基本知識，我們知道多楔帶傳動相對于V帶傳動有一大優(yōu)點:因多楔帶本身帶體較薄,運轉(zhuǎn)時所承受的離心應(yīng)力和彎曲應(yīng)力均小于V帶,因此多楔帶傳動可配置較小的傳動帶輪,運行時耗費較少的電能并可獲得較高的傳動比,節(jié)能降耗的效果明顯?；诖?可以讓學(xué)生進行用多楔帶傳動取代V帶傳動的綜合設(shè)計實驗,同時也可以讓學(xué)生進一步理解傳動帶從平帶到V帶,再到多楔帶的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新歷程。

通過洗衣機零部件重構(gòu)的設(shè)計計算,并繪制出有關(guān)的零件圖,進行購買或3D打印零件,再安裝重構(gòu)洗衣機,調(diào)試與運行,并進行節(jié)電效果實驗測試比較,學(xué)生感到自己也能設(shè)計出比別人更好的機器,成就感油然而生,同時學(xué)生也會進行深入思考“如何通過設(shè)計使得產(chǎn)品的性能不斷改進?”等問題。

2.2.3 研究創(chuàng)新型實驗的設(shè)計

以研究創(chuàng)新型實驗為導(dǎo)向,引導(dǎo)學(xué)生自主研究,通過滾筒式洗衣機的需求分析構(gòu)思,全面培養(yǎng)學(xué)生擴展運用基本教學(xué)內(nèi)容的能力,激發(fā)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)造的興趣,同時促進實踐創(chuàng)新精神的發(fā)展[11-12]。滾筒式洗衣機甩干脫水過程中振動噪音大,一直是困擾滾筒式洗衣機用戶的問題,因此可以讓學(xué)生開展降低滾筒振動噪音的研究創(chuàng)新型實驗。

例如,滾筒式洗衣機的內(nèi)滾筒由于洗滌的需要,在內(nèi)滾筒壁均布了3個水平等高的提升筋,如圖2所示。由于提升筋的存在,滾筒式洗衣機在甩干脫水過程中，洗滌衣物(負載)不可能完全在內(nèi)滾筒壁周圍均衡分布,即在內(nèi)滾筒壁內(nèi)洗滌衣物(負載)分布是不平衡的,這是引起滾筒式洗衣機高速甩干脫水振動噪音的一個重要原因。

圖2 內(nèi)滾筒結(jié)構(gòu)

結(jié)合機械設(shè)計基礎(chǔ)課程支承零部件的基本知識,對于懸臂支承的內(nèi)滾筒,可以把筒壁均布的3個水平等高提升筋,改造創(chuàng)新為3個傾斜不等高的提升筋結(jié)構(gòu),即改造創(chuàng)新為離傳動裝置遠的提升筋比離傳動裝置近的提升筋高,這樣在滾筒式洗衣機內(nèi)滾筒高速甩干脫水運行過程中,傾斜的提升筋將洗滌衣物(負載)推向靠近傳動裝置方向,所以當(dāng)內(nèi)滾筒轉(zhuǎn)動時,由于洗滌衣物(負載)懸臂的縮短,洗滌衣物(負載)的旋轉(zhuǎn)力矩將降低,由洗滌衣物(負載)分布不均引起的振動噪音也相應(yīng)減小，如圖3所示。

圖3 內(nèi)滾筒提升筋改造后結(jié)構(gòu)

根據(jù)這一原理,可以做幾個不同斜度的提升筋,分別安裝在原來水平的提升筋上面,進行洗衣機振動測試對比實驗研究。

也可以結(jié)合機械設(shè)計基礎(chǔ)課程連桿機構(gòu)的基本知識,把3個固定提升筋改造創(chuàng)新為可升降式四連桿提升筋,洗衣機洗滌時內(nèi)滾筒均布的3個提升筋升起,起到與固定提升筋相同的作用,甩干脫水時,3個可升降式提升筋落下,不影響被洗滌衣物在內(nèi)滾筒內(nèi)的均勻分布,也能較好地解決滾筒洗衣機的甩干脫水振動噪音大的問題。

通過洗衣機研究創(chuàng)新實驗,學(xué)生體會到,發(fā)明創(chuàng)造離我們并不遙遠,學(xué)生的課程學(xué)習(xí)興趣和求知欲會更加高昂,由此促進學(xué)生形成主動思考、自我創(chuàng)新的意識。

3 結(jié)語

從“身邊教學(xué)法”工程教育理念為基礎(chǔ),構(gòu)建了基于身邊的機構(gòu)與零部件實驗課程快速教學(xué)體系,包含“三層次遞進式”實驗教學(xué)的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程實驗的設(shè)計,把“高大上”的理論知識與“接地氣”的身邊機械工程相結(jié)合,通過不同形式的身邊機械工程實驗教學(xué)訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生逐漸形成工程意識,有效地解決了課程理論知識和工程實際脫節(jié)以及低年級非機類專業(yè)的學(xué)生工程實踐能力薄弱的問題,體現(xiàn)了應(yīng)用型人才的培養(yǎng)宗旨,提高了學(xué)生解決現(xiàn)場工程問題的能力,對培養(yǎng)學(xué)生工程意識和工程創(chuàng)新能力起到積極的推動作用。