機械原理與設計的實踐環節體系改革與實踐

申燚，李平正，王明強，袁明新

（江蘇科技大學機電與汽車工程學院，江蘇張家港 215600）

0 引言

《機械原理》和《機械設計》課程是工科院校機械類專業的主干課程，對培養學生解決實際工程問題，尤其是機械綜合設計能力起著至關重要的作用。機械原理和設計課程具有實踐性強、與工程實際結合緊密的特點，因此這兩門課程的實踐教學一直是機械類專業教學體系中的重要一環。實踐教學的好與壞不僅影響學生對課程理論知識的理解程度，而且直接決定了學生理論聯系實際，解決實際工程問題的能力。目前，機械原理與設計課程開設的實驗絕大部分是以演示型和驗證型為主。如《機械原理》課程的“漸開線齒輪范成原理”實驗，《機械設計》課程的“測定帶傳動的效率和滑動率”實驗。在這些實驗中，很少有學生能發揮主動性去將實驗與實際工程相結合進行探索，更多的是扮演一個被動角色，按照既定實驗步驟進行簡單操作。加之部分實驗設備臺數又少，每組人數又多，很多同學在實驗時只是走馬觀花地應付了事，這大大降低了實踐環節應起到的效果［1］，達不到對學生綜合設計能力和創新能力的培養。因此，改革機械原理與設計的實踐教學，提高實踐教學效果是刻不容緩的大事。

1 機械原理與設計的實踐改革

1.1 實驗教學體系的改革

根據機械原理與機械設計課程的特點，并結合我院的實際情況，課題組首先對兩門課程的實驗形式進行改革，將原課內實驗改為實驗環節獨立設置形式，并進行單獨考核和計學分;其次對這兩門課程的實驗課時進行調整，由原來的16學時調整到目前的22學時，主要用來增開綜合設計性、創新設計性實驗，從而提供培養學生綜合設計能力、動手能力和創新思維能力的機會;再次對這兩門課程實驗教學內容體系［2-3］進行改革。按照實驗教學規律，以對學生進行系統而完整的方法和技能訓練為目的，在保持實驗內容新穎和有特色的基礎上，對傳統實驗教學內容和項目進行改革和組合，分類設置實驗項目和內容，構建完整的實驗教學內容體系，使實踐教學效果最佳化。為此，課題組將實驗內容劃分為如表1所示的三個模塊共11個實驗項目，其中綜合性和創新設計性實驗項目6項，占所有實驗項目的54.5%，是改革前的4.4倍，這為培養學生工程實踐能力、動手能力、創新能力以及應用現代技術解決工程實際問題奠定了堅實基礎。

表1 改革前后機械原理與設計實驗體系對比

1.2 綜合性課程設計的改革

目前，多數高校“機械設計”的課程設計［4-5］題目是二級齒輪減速器。設計的內容主要包括電動機的選擇、減速器的設計和聯軸器的選擇等。設計的工作量主要有減速器裝配圖一張、重要齒輪和軸的零件圖，以及一份設計說明書。通過課程設計，大多數學生感到收獲較大，認為“機械設計”課程設計是課堂學習代替不了的，能夠鍛煉自己設計和分析問題能力的極好機會。但從“機械設計”的課程設計內容和效果來看，目前還存在如下問題:1）學生不能將作品與工程實際相結合;2）設計出來的產品性價比很低，甚至無法加工;3）無法發揮自身主動性和創造性，更多是按圖索驥式設計，積極性不高。因此，引入一些新的課程設計題目是當務之急。課題組在綜合性課程設計改革方面，一方面將課程設計題目與我校的辦學特色相結合，提出了比如海洋起重機、船用夾板起重機和船用夾板機械等設計題目;另一方面結合教師科研項目，從中提煉出課程設計題目。通過這些改革使課程設計與工程實踐結合更緊密，進而更好地培養學生的綜合實踐能力和創新能力。

1.3 開展第二課堂，提升創新能力

為了進一步培養學生的創新精神和實踐能力，課題組根據機械原理與設計的課程教學內容，聯合一些學有余力的同學積極開展第二課堂活動。首先，連續兩年成功申報到學校本科創新項目，其中服務機器人及其導航系統在2011年受到江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃的支持，這些項目基本上都是以機械設計為主，里面涉及到了方案設計、機構運動分析、傳動方案設計、零件設計計算和選用等知識點，涵蓋了機械原理和設計的主要知識點，通過工程項目驅動來提高學生的團隊協作能力、動手能力和創新能力;其次，積極指導學生參與兩年一度的機械創新比賽。2010年的“四軸飛行器”和2012年的“智能家居中服務機器人及其導航系統”作品分別榮獲江蘇省機械創新二等獎。2012還指導學生參加了全國機械創新慧魚組的比賽，三項機械作品皆榮獲三等獎。通過這些比賽，學生們在獲得榮譽的同時，更為關鍵的是通過項目提升了自身的科研能力，提升了自信心，培養了創新意識和創新能力。

2 綜合性實驗案例設計與實踐

為了進一步闡述課題組在實踐教學改革方面的內容和效果，本節給出表1中模塊二的綜合實踐二教學案例。已知如圖1所示曲柄滑塊機構，假設曲柄轉角α=α0～（α0+1800），要求滑塊按照H（α）=H0×sin2（α －α0）輸出，α0和h0分別為曲柄在最左端時，曲柄初始角和滑塊初始位置［6］。

該綜合實驗的要求:以滑塊實際輸出值與期望值的波動最小為目標，根據機械原理實驗室的曲柄導桿滑塊機構測試及設計平臺（圖2），進行結構參數（即r，l，e）的優化設計及實驗驗證。

整個綜合實驗過程包括以下幾個步驟:

1）學生根據實驗要求，選取x=［r，l，e］T為設計變量，將曲柄轉角范圍劃分100等份，然后建立如下目標函數:

建立約束條件:

2）根據圖2實驗平臺，測量出設計變量范圍:r∈［0.45，0.58］，l∈［0.28，0.34］，e∈［0，0.15］，單位為 m。

3）將式（1）作為適應度函數，利用遺傳算法，按照圖3優化流程獲得最優設計變量:r=0.576 m，l=0.28 m，e=0.055 m。

圖3 基于遺傳算術的變量優化流程

4）根據優化結果，對圖2實驗平臺進行結構調整設計，并結合動態測試系統獲得滑塊最終運動曲線，如圖4所示。圖中給出了所設計系統的滑塊位移、速度和加速度曲線。

圖4 滑塊測試結果

該綜合性實驗一改以往單純按照要求進行驗證性構件測試，而是根據工程實際進行有目的性優化、設計和實驗。該綜合性實驗涉及到了數學建模、優化、人工智能、機械、測試等知識，較好地實現了學生的知識貫通，在加強動手能力同時，也提高了學習興趣。

3 結語

《機械原理》和《機械設計》課程是機械類專業非常重要的主干課，為了提高實踐效果，對這兩門課程的實踐教學環節體系進行了改革。將原實驗項目和內容進行優化、組合，并增設新的設計性、綜合型實驗項目，使實驗水平由淺入深，實驗過程從簡單到復雜、從單點到多點，循序漸進，較好地提高了學生的學習積極性，增強了學生的綜合設計能力和創新能力，達到了改革目的。

［1］任金波，張翔.《機械原理》與《機械設計》實驗教學改革實踐［J］.福建農業大學學報，2011，14（3）:108-111.

［2］李建勇，李劍峰，等.機械原理實驗教學新體系與改革實踐［J］.現代制造技術與裝備，2007（4）:90-92.

［3］段巍.《機械原理》課程改革實踐與創新能力的培養［J］.中國電力教育，2008（2）:81-82.

［4］呂寶占.應用型本科“機械設計”課程設計的改革與實踐［J］.中國電力教育，2009（7）:148-150.

［5］周先軍.機械設計課程設計改革思考［J］.吉林省教育學院學報，2010，10（26）:140-141.

［6］何文德，王充，張麗.基于Matlab的曲柄滑塊機構的設計方法［J］.蘭州工業高等專科學校學報，2011，18（4）:55-57.