機械原理課程實驗教學(xué)研究

李永湘

摘要：為適應(yīng)新工科建設(shè)和OBE教學(xué)改革要求，對機械原理課程實驗教學(xué)方法進行改進，完善教學(xué)內(nèi)容，改革了機構(gòu)認(rèn)知實驗、機構(gòu)運動簡圖測繪實驗和漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)測定實驗，用機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗代替了原來的回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動平衡實驗。將手工操作與軟件建模仿真相結(jié)合，引入學(xué)科競賽作品創(chuàng)作模式，充分發(fā)揮學(xué)校現(xiàn)有的實驗室和工程實訓(xùn)中心教學(xué)條件和設(shè)備能力，綜合培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、機構(gòu)設(shè)計、畫圖建模和加工制造等能力，教學(xué)實踐證明所做實驗教學(xué)改革發(fā)揮了積極作用，促進了學(xué)生專業(yè)知識的鞏固和綜合能力的提升。

關(guān)鍵詞：機械原理;實驗教學(xué);3D打印;教學(xué)改革;OBE

0? 引言

隨著新工科建設(shè)和OBE教學(xué)改革的推進，大學(xué)逐漸意識到大學(xué)生培養(yǎng)中的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性，專業(yè)培養(yǎng)方案中的實踐教學(xué)學(xué)時也逐漸得到提升。機械原理實驗課程對鞏固學(xué)生機械原理理論學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生動手能力具有重要作用。理論課堂教學(xué)一直把教學(xué)空間限制于教室，而機械原理實驗課程則可以將機械基礎(chǔ)實驗室、工程實訓(xùn)中心充分利用起來，可以將機械模型和機械設(shè)備使用起來，使機械原理教學(xué)由抽象變得直觀、具體。拉進了學(xué)生與機械的距離，學(xué)生可以直接解除機械模型和設(shè)備。本文主要研究了對機械原理課程實驗的改進和教學(xué)實踐。

1? 機械類實驗教學(xué)研究現(xiàn)狀

由于硬件條件和軟件條件的各不相同，許多高校教師從不同方面研究了實驗教學(xué)工作。例如，湯赫男等研究了柔性空間結(jié)構(gòu)試驗教學(xué)[1]。郭紅利等探討了機械原理課程實驗教學(xué)改革思路[2]。包海濤等研究了新工科條件下的機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)方法[3]。蔣培等研究了結(jié)構(gòu)與振動課程實驗教學(xué)的新思路[4]。朱曉翠等研究了新工科前提下的機械專業(yè)課程實驗教學(xué)改革工作[5]。劉曉波等探索了機械振動實驗課程教學(xué)改革新方法[6]。熊建強研究了機械設(shè)計基礎(chǔ)實驗課程教改路徑[7]。劉蘭等探討了機械類專業(yè)課實驗教學(xué)改革思路[8]。王迪研究了非機械類專業(yè)中機械設(shè)計基礎(chǔ)課實驗教學(xué)改進方法和思路[9]。王大剛探索了機械原理課程實驗教學(xué)與理論教學(xué)的一體化問題[10]。文成等提出了導(dǎo)學(xué)練研教學(xué)模式運用于機械類實踐課程教學(xué)改革中[11]。夏斯偉等提出了機械原理實驗課教改思路，將機械原理實驗課與虛擬軟件相結(jié)合，進行虛擬仿真實驗，彌補實驗器材的不足[12]。徐春明等研究了機械原理實驗教改思路并進行了教學(xué)實踐[13]。楊孟杰等研究了以卓越工程師為培養(yǎng)目標(biāo)的機械原理實驗教改工作，將慧魚模型應(yīng)用于實驗課程教改活動中，通過慧魚模型搭建完成實驗內(nèi)容[14]。

以上學(xué)者所做工作主要探討了機械類專業(yè)課程實驗教學(xué)改革思路，對實驗教學(xué)的改進主要著重于傳統(tǒng)實驗設(shè)備的完善，對新工科實驗教學(xué)研究方法進行了一定探討，但實驗教學(xué)方法的創(chuàng)新程度不夠高，對實驗教學(xué)改革實踐工作涉及不多，針對現(xiàn)有實驗教學(xué)中存在的問題，本文以機械原理課程實驗教學(xué)為例，在新工科背景和OBE教學(xué)改革要求下，探討實驗教學(xué)方法的創(chuàng)新，并在機械類專業(yè)班級機械原理課程實驗教學(xué)中進行實驗教學(xué)改革實踐，以“三全育人”指導(dǎo)，培養(yǎng)合格的應(yīng)用型機械類本科大學(xué)生。

2? 機械原理實驗教學(xué)改革措施

根據(jù)我校機械制造及其自動化專業(yè)培養(yǎng)方案，機械原理課程有8個學(xué)時實驗教學(xué)。按照每2個學(xué)時完成一個實驗教學(xué)工作進行計算，可以安排4個實驗。由于學(xué)校實驗條件的限制，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)主要設(shè)計了機械認(rèn)知實驗、機構(gòu)運動簡圖的測繪、漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)的測定和回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動平衡共四個實驗。這幾個實驗雖然具有一定代表意義，但傳統(tǒng)要求過低，對學(xué)生創(chuàng)新思維能力的啟發(fā)不足。根據(jù)新工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)和OBE教學(xué)改革要求，我們對幾個實驗進行了改進，提高了實驗要求，將Matlab、3D建模軟件等運用于實驗教學(xué)中，提高實驗分析能力，增強學(xué)生的軟件應(yīng)用能力和模型制作能力。

2.1 機構(gòu)認(rèn)知實驗的改進

傳統(tǒng)的機構(gòu)認(rèn)知實驗主要是通過參觀實驗室已有機構(gòu)模型，使學(xué)生對機械結(jié)構(gòu)有一個直觀認(rèn)識。這樣的實驗課程具有較大的局限性，因為實驗室里的機構(gòu)模型都是單獨陳列出來的，有一些還是理想化的模型，例如連桿機構(gòu)等。學(xué)生對機械結(jié)構(gòu)的認(rèn)知容易局限在這種單獨陳列出來的模式，與機構(gòu)在不同設(shè)備不同場合的具體應(yīng)用和表現(xiàn)形式脫節(jié)。實際工業(yè)應(yīng)用場合中的機構(gòu)結(jié)構(gòu)是多種多樣的。即使是同一種類型的機構(gòu)，在不同的設(shè)備中表現(xiàn)出來的具體結(jié)構(gòu)也有很大差異。為此，我們將機構(gòu)認(rèn)知實驗的場所進行了改變，拓展了認(rèn)知實驗的參觀范圍。在機構(gòu)認(rèn)知實驗中，不僅帶領(lǐng)學(xué)生參觀機械基礎(chǔ)實驗里的各種類型的機構(gòu)模型，還將學(xué)生帶到學(xué)校實訓(xùn)中心參觀各種類型的機械加工設(shè)備，讓學(xué)生了解不同類型的機構(gòu)在不同機械設(shè)備上的應(yīng)用。

2.2 機構(gòu)運動簡圖測繪實驗的改進

以往的機構(gòu)運動簡圖測繪實驗主要是要求學(xué)生測量機構(gòu)模型的相關(guān)尺寸，分辨機構(gòu)類型，繪制機構(gòu)運動簡圖。針對此實驗，我們提高了實驗要求難度。要求學(xué)生動手拆解機械裝置模型，如發(fā)動機氣缸、機床走刀機構(gòu)等，分析機械裝置中存在的機構(gòu)類型，探討工作原理，然后用測量工具量出機構(gòu)構(gòu)件尺寸，繪制機構(gòu)運動簡圖，計算機構(gòu)自由度，并要求學(xué)生制作一個機構(gòu)運動仿真視頻。機構(gòu)運動仿真視頻的制作可以采用Adams、Solidworks、Pro/E等多種軟件，學(xué)生可以根據(jù)自己所擅長的做出各自的選擇。較多的同學(xué)是通過Solidworks軟件和UG軟件進行建模和仿真，還有部分同學(xué)是通過Matlab軟件進行了機構(gòu)運動仿真。通過實驗要求難度的提高，使學(xué)生進一步鞏固了對機構(gòu)類型和自由度的認(rèn)識，提高了機構(gòu)運動簡圖測繪能力，熟悉了相關(guān)軟件的操作和運用。

2.3 漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)測定實驗的改進

漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)測定實驗以往主要是要求學(xué)生通過游標(biāo)卡尺等工具測量漸開線直齒圓柱齒輪的齒頂圓直徑、齒根圓直徑等基本參數(shù)，并運用公式計算出齒輪其它參數(shù)。我們主要是在這個基礎(chǔ)上進一步要求學(xué)生通過自己所測定的和計算的齒輪參數(shù)，運用三維建模軟件畫出齒輪的三維模型，并制作一對齒輪嚙合的運動仿真視頻。學(xué)生主要采用了Solidworks軟件和UG軟件建立了齒輪的三維模型和錄制了運動仿真。我們之所以增加了后面的實驗要求主要是為了使學(xué)生進一步鞏固對齒輪基本參數(shù)和計算公式的理解，讓學(xué)生好好觀察齒輪的嚙合情況。在實驗過程中，個別學(xué)生在測量或計算時候出現(xiàn)的錯誤在進行齒輪三維建模和運動仿真的時候暴露出來，檢測了學(xué)生測量和計算的齒輪參數(shù)的正確性。

2.4 機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗的設(shè)置

隨著新工科建設(shè)和OBE教學(xué)改革的推進，大學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)越來越重視。高質(zhì)量發(fā)展需要靠科技創(chuàng)新。每年舉辦的全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計比賽也激發(fā)了學(xué)生對機械創(chuàng)新設(shè)計的熱情。我們在機械原理課程中為此特意設(shè)置了機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、設(shè)計能力、動手能力等。機構(gòu)的類型不限，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的想象力。可以是一種機構(gòu)的變異，也可以是幾種機構(gòu)的綜合，也可以對已有機構(gòu)進行改進。學(xué)生需要分析所設(shè)計機構(gòu)的工作原理，畫出機構(gòu)運動簡圖，計算機構(gòu)自由度，至少畫出其中一個構(gòu)件的三維模型并用3D打印機打印出來。通過這個實驗過程，學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識得到綜合應(yīng)用，創(chuàng)新思維、機構(gòu)分析計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、畫圖、三維建模、3D打印等能力得到展現(xiàn)。同時，這個實驗同時也為學(xué)生參加全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計比賽和貴州省3D打印比賽提供了鍛煉的機會，通過機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗，學(xué)生對制作參賽作品流程有了初步了解。

3? 總結(jié)

在機械原理課程實驗教學(xué)過程中，我們根據(jù)新工科背景和OBE教學(xué)改革要求，不斷探索，改進實驗教學(xué)方法，完善教學(xué)內(nèi)容，主要改進了機構(gòu)認(rèn)知實驗、機構(gòu)運動簡圖測繪實驗和漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)測定實驗。用機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗代替了原來的回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動平衡實驗。將手工操作與軟件建模仿真相結(jié)合，引入機械創(chuàng)新設(shè)計比賽和3D打印比賽作品創(chuàng)作模式，綜合培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、機構(gòu)分析計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、畫圖、三維建模、3D打印等能力。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到提高，參加學(xué)科競賽的學(xué)生逐年增多，學(xué)生在比賽中也取得了10多項目省級以上榮譽。

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