多層次機械原理實驗教學(xué)改革與實踐

林隆榮 黃 鳴 李實懿 吳鄭思

（1.廈門城市職業(yè)學(xué)院，廈門 361008；2.集美大學(xué)誠毅學(xué)院，廈門 361021）

隨著我國機械制造業(yè)的不斷進步發(fā)展，為適應(yīng)新形勢下的發(fā)展需要，社會和企業(yè)對就業(yè)人才選用提出了更高要求[1]。學(xué)生不僅要具有扎實的理論基礎(chǔ)，而且要具有一定的自主創(chuàng)新能力，以通過理論和技術(shù)手段實現(xiàn)項目目標[2-3]。

機械原理課程是機械類專業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)課程之一，主要研究機械運動中的一些共性問題，包括機構(gòu)的組成原理、運動學(xué)、機器動力學(xué)、常用機構(gòu)的分析與設(shè)計以及機械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計等問題。將機械原理實驗教學(xué)服務(wù)于機械原理課程，是加深和鞏固機械原理知識體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是提高學(xué)生分析問題和培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力的重要手段[4-5]。

本研究以集美大學(xué)誠毅學(xué)院為例，分析了現(xiàn)階段機械原理實驗教學(xué)中存在的不足，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)課程教學(xué)要求和實驗教學(xué)目的，結(jié)合學(xué)生能力和愛好，將機械原理實驗教學(xué)劃分成3 個層次設(shè)立實驗教學(xué)，在實驗管理中探索開放性管理與考核等措施，以便于學(xué)校更好地培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的工程應(yīng)用人才。

1 機械原理實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

以誠毅學(xué)院為例，該學(xué)院機械原理實驗教學(xué)組成如圖1 所示。教師在教學(xué)中大多以學(xué)生觀察和拆裝簡單機構(gòu)、測繪機構(gòu)運動簡圖、測量齒輪參數(shù)以及分析與設(shè)計機構(gòu)運動方案等基礎(chǔ)認知驗證性實驗為主。這種教學(xué)方式雖然具有思路清晰、教學(xué)簡單等優(yōu)勢，但是隨著企業(yè)要求不斷提高，現(xiàn)有實驗教學(xué)項目已不能滿足現(xiàn)代企業(yè)對工程應(yīng)用人才能力的要求。

圖1 機械原理實驗教學(xué)組成

現(xiàn)有教學(xué)方式主要存在以下不足之處。

（1）機械原理實驗?zāi)Ｊ絾我?，主要以教師講授和演示為主，學(xué)生只需按照實驗要求與實驗步驟操作，最后撰寫實驗報告。實驗教學(xué)題目固定以驗證原理知識為主，學(xué)生缺少自主設(shè)計和創(chuàng)新空間，無法拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

（2）隨著信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種輔助設(shè)計工程技術(shù)軟件日益成熟，傳統(tǒng)的設(shè)計方法（圖解法、查表法、掛圖法）已經(jīng)明顯不能滿足現(xiàn)代企業(yè)對工程應(yīng)用人才的要求。

（3）實驗管理考核方式簡單，對學(xué)生的安全教育需要進一步加強。

由于教學(xué)內(nèi)容和現(xiàn)代企業(yè)對于工程型應(yīng)用人才的要求存在較大差距，因此迫切需要對機械原理實驗教學(xué)模式進行改革與創(chuàng)新。

2 機械原理實驗教學(xué)改革實踐

針對原有機械原理實驗教學(xué)內(nèi)容簡單、過程相對枯燥乏味等問題，整合提升機械原理實驗教學(xué)內(nèi)容，將其劃分成課內(nèi)基礎(chǔ)實驗、獨立綜合實驗和競賽開放實驗3 個層次[6-7]。各層次之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 機械基礎(chǔ)實驗層次設(shè)置

2.1 分層開設(shè)實驗

2.1.1 課內(nèi)基礎(chǔ)實驗

基于目前機械原理實驗教學(xué)現(xiàn)狀，將基礎(chǔ)認知、驗證實驗作為第一層課內(nèi)基礎(chǔ)實驗。該實驗中設(shè)置的實驗項目有機構(gòu)運動認知實驗、機構(gòu)運動簡圖測繪與分析[8]、漸開線齒輪參數(shù)測定及嚙合傳動機實驗等，目的是使學(xué)生通過完成這些基本實驗熟悉常用的機械零件、掌握基礎(chǔ)的機械原理知識與基本概念，從而培養(yǎng)學(xué)生注重分析機械工作原理的意識，同時使學(xué)生能夠熟練繪制機械原理簡圖，分析機構(gòu)自由度，熟悉常用的傳動機構(gòu)，并掌握齒輪各個參數(shù)對齒輪作用效果及常用的傳動方式。

2.1.2 獨立綜合實驗

在該實驗中，學(xué)生需要使用慧魚創(chuàng)意組合模型自己完成機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件組裝（模型）、控制方式選擇等設(shè)計內(nèi)容，掌握機構(gòu)設(shè)計、運動、控制等過程的原理，逐步培養(yǎng)利用已有知識解決問題的能力，同時探索培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力。學(xué)生完成設(shè)計構(gòu)思后，可利用慧魚模型中常見的基本構(gòu)件（齒輪齒條、渦輪蝸桿、皮帶、凸輪、桿件）搭建各式各樣的機械原理模型，之后結(jié)合輔助傳感器、控制器、執(zhí)行元件和控制程序驗證其技術(shù)過程能否實現(xiàn)，從而為實驗教學(xué)、創(chuàng)新設(shè)計和工業(yè)生產(chǎn)線原理可行性提供依據(jù)。搭建的慧魚起重機模型如圖3 所示。慧魚創(chuàng)意組合模型除了機械元件外，還包含電氣元件、氣動元件、機械手和夾具等豐富的元器件，學(xué)生可根據(jù)設(shè)計意圖隨意組合擴展。另外，同學(xué)除了自行搭建外，也可以結(jié)合機電、機制、機設(shè)以及車輛專業(yè)的不同特點并參考實際工程案例進行延伸拓展創(chuàng)新。

圖3 慧魚起重機模型

2.1.3 競賽開放性實驗

競賽開放性實驗屬于課余開放性選修實驗，競賽項目主要包括3D 大賽、機械創(chuàng)新設(shè)計大賽以及大學(xué)生工程訓(xùn)練競賽等。該教學(xué)模式依托機械類競賽進行教學(xué)改革，是培養(yǎng)機械專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新和工程實踐能力的重要途徑。學(xué)生通過實驗項目立項和研討分析，借助各種輔助設(shè)計軟件能夠完成機械幾何零件的參數(shù)設(shè)計和機械機構(gòu)運動仿真分析?？梢愿鶕?jù)需要逐步動手制作完成整個作品，在整個過程中學(xué)生可以學(xué)習(xí)到工程應(yīng)用軟件的相關(guān)知識和技能，教師在此基礎(chǔ)上可以進一步引導(dǎo)學(xué)生利用這些軟件進行機械原理仿真和實驗結(jié)果分析。

以全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽為例，在主題為“智能家居、幸福家庭”的第九屆“中鐵工業(yè)杯”競賽中，集美大學(xué)誠毅學(xué)院共有5 組作品從福建省省賽中脫穎而出，占據(jù)了福建省推薦參加國賽總數(shù)（14項）1/3。由此成績可以看出，學(xué)生的競賽成績一方面是依托學(xué)校的精心籌劃與組織，另一方面也是學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計能力和動手實踐能力提升的體現(xiàn)。在最后的國賽中，5 件作品獲得了2 項國家一等獎，3 項國家二等獎的好成績。其中，“智能折疊多功能一體桌”這件作品是學(xué)生在實際上課過程中通過觀察桌子結(jié)構(gòu)，并利用所學(xué)知識設(shè)計而成的。在設(shè)計過程中，學(xué)生以獨立綜合實驗逐步的驗證自己想法的可行性，然后利用課余時間學(xué)習(xí)單片機和實物模型制作等知識，并結(jié)合減速電機、同步帶傳動機構(gòu)等知識完成了實物樣機制作?？梢钥闯觯Y(jié)合競賽開放性實驗?zāi)軌蛘{(diào)動學(xué)生的自主探索學(xué)習(xí)興趣，進一步鍛煉學(xué)生利用所學(xué)知識分析問題和解決問題的能力。

通過3 年的實踐發(fā)現(xiàn)，這種模式的教學(xué)不但激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)生的設(shè)計效率，而且拓展了學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計思維能力，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力。通過相關(guān)企業(yè)的學(xué)生滿意度問卷調(diào)查，結(jié)果如圖4 所示，發(fā)現(xiàn)在這種模式下培養(yǎng)的3 批學(xué)生在就業(yè)市場中更受企業(yè)的青睞，且能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)對工程型應(yīng)用人才的要求，運用所學(xué)原理知識解決實際問題的能力較強。

圖4 企業(yè)滿意度調(diào)查結(jié)果

2.2 開放性管理與考核

實驗考核是對學(xué)生整個實驗過程的綜合考評?？茖W(xué)合理的考核管理制度有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，根據(jù)不同層次的實驗要求，具體應(yīng)采用不同的考評管理辦法，如圖5 所示。

圖5 考評管理辦法

2.2.1 課內(nèi)基礎(chǔ)實驗考核

第一層次的課內(nèi)基礎(chǔ)實驗需要以班級為單位進行實驗教學(xué)，考評時需要按照實驗考勤、實驗表現(xiàn)和實驗報告情況評定實驗成績，并將其作為機械原理課程總成績的一部分。

2.2.2 獨立綜合實驗考核

獨立綜合實驗考核除了要學(xué)習(xí)實驗涉及的基礎(chǔ)機械原理外，還有機械設(shè)計、機電一體化、可編程控制、液壓與氣動等多門課程，因此獨立綜合實驗經(jīng)常在學(xué)生選課課程中出現(xiàn)，完成后才能獲得選修學(xué)分。獨立綜合實驗由教師預(yù)先布置實驗主題，然后分小組完成實驗項目。每個小組根據(jù)主題內(nèi)容，在規(guī)定的期限內(nèi)完成查找資料、自由發(fā)揮設(shè)計和完成慧魚模塊搭建等實驗項目。最后在實驗考試考察階段，學(xué)生需要總結(jié)匯報自己的設(shè)計意圖、完成情況及作品演示，以鍛煉提升學(xué)生自身的表達與溝通能力，教師根據(jù)綜合表現(xiàn)給小組成員評定成績。在評定成績時，平常成績（10%＋40%）和最后實驗考試考察（50%）的比重相當，減少了學(xué)生只重視期末考試而忽略平時積累的情況。

2.2.3 競賽開放性實驗考核

競賽開放性實驗只面向?qū)C械類學(xué)科競賽感興趣的學(xué)生。參與學(xué)科競賽是激發(fā)學(xué)生主動探索興趣和提升綜合實踐能力的重要方式，學(xué)生在此期間往往會在實驗室中單獨學(xué)習(xí)，所以一定要考慮實驗安全問題。結(jié)合企業(yè)培訓(xùn)考核合格上崗制度，學(xué)校也可實行實驗室準入制度，學(xué)生要預(yù)先通過實驗室考試才能在實驗里學(xué)習(xí)。實驗室準入培訓(xùn)包含了實驗室準則、安全操作規(guī)范、應(yīng)急避險方案、急救操作等模塊的培訓(xùn)與考試。在使用具體實驗臺時還要參與具體機臺操作學(xué)習(xí)并通過考核，才能將相應(yīng)機臺刷卡上電，否則無使用權(quán)限。使用權(quán)限可與校園卡綁定，當學(xué)生沒有遵守安全使用規(guī)則時，管理教師可以取消學(xué)生的使用權(quán)限，學(xué)生只有再次學(xué)習(xí)合格后方可再次進入實驗室。實驗室應(yīng)定期組織學(xué)生進行安全培訓(xùn)和安全應(yīng)急預(yù)案演練，以培養(yǎng)學(xué)生的安全職業(yè)意識。在整個實驗過程中師生全程共同參與方案可行性論證、方案實施和競賽組織，避免學(xué)生在此期間遇到問題時無人指導(dǎo)。學(xué)生完成整個競賽開放性實驗可根據(jù)學(xué)院管理辦法，由實驗中心統(tǒng)一認定獲得相應(yīng)的獎勵性學(xué)分。

3 結(jié)語

本文針對學(xué)?，F(xiàn)階段機械原理實驗教學(xué)中存在的不足，提出課內(nèi)基礎(chǔ)實驗、獨立綜合實驗、競賽開放實驗的3 個層次實驗教學(xué)。其中，第一層可使學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識，第二層次注重學(xué)生動手實踐能力和設(shè)計創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，第三層次注重職業(yè)安全意識和自主探索能力的培養(yǎng)。針對3 個層次實驗教學(xué)設(shè)計了合理的考評機制進行科學(xué)考評，能夠提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，也為后續(xù)機械原理實驗教學(xué)提供了借鑒。