基于機械綜合實驗的團隊教學改革與實踐

葛培琪， 畢文波， 朱振杰， 楊春鳳

(山東大學 機械工程學院，山東 濟南 250061)

0 引 言

自“為什么我們的學校總是培養不出杰出人才？”提出以來，研究創新能力的培養成為了教育界關注的熱點，研究型、教學研究型大學正致力于從應試型、知識型、技能型人才培養模式向綜合創新型人才培養模式轉變。清華大學最先借鑒美國麻省理工學院等大學經驗，于1996年開始實施了大學生科研訓練(SRT)計劃[1]，各高校基于“教學與研究相統一”的研究型教學原則，開展了大學生科技創新活動、Seminar研討、Team Project等大學生科研能力培養模式的探索[2-8]。但是，上述大學生研究創新能力的培養主要是通過第二課堂來實現，游離于教學體制之外，參與創新活動人數較少，學生受益面有限[9]。在實驗教學中通過支持學生自主實驗，搞創新設計和實驗項目，可以培養學生創新能力和科研素養[11-13]。課題組借鑒美國大學Team Project綜合實踐教學模式[14-15]，自2005年起開展了團隊教學方法研究[16]，依托山東大學國家級機械基礎實驗教學示范中心，基于機械綜合實驗，從教學組織、教學內容、考核方式等對大學生科研素質和創新能力進行了培養模式的改革與實踐。

1 團隊教學培養模式

為克服體制外第二課堂科技創新活動參與學生人數少的問題，結合山東大學機械設計制造及其自動化專業教學實際情況，在大三教學計劃中設置了“機械綜合實驗與創新設計”必修課，將大學生科研素質和創新能力的培養納入到體制內第一課堂，并完善了研究性教學的條件和環境，形成了學生團隊為主體的科研素質和創新能力培養模式。

1.1 教學組織

教學組織形式以綜合實驗教學項目為載體，以學生團隊為單位進行管理和考核，形成以學生為中心、以學生自主學習訓練為主、教師啟發和指導為輔的團隊教學方法。

學生團隊類似于高校教師的創新群體，但其構建不依學生個體意愿而產生，而是由教師按學生前期相關課程的學習成績確定。團隊成員之間能力應有差異，通過共同完成項目任務，在實踐中教學相長，互相學習和幫助，形成團結協作的一個團隊，并在完成項目任務的過程中體會互相合作帶來的益處。由教師指定團隊是為了模擬企業實際，因為大學生畢業后到企業或公司中工作時，他們沒有選擇所要加入團隊的權利，一般是由主管人員指定他們到需要的工作團隊，而他們的工作業績取決于他們能否與團隊成員團結協作，發揮各自的特長，共同完成工作任務。為便于教學，學生團隊的規模一般由3或4人組成，并制定完善的動態管理制度，授權團隊有權解雇不合作團隊成員，也允許個別團隊成員從團隊中辭職并轉投其他團隊。

完善的團隊運行機制是學生團隊有效運行的保證。團隊不同于小組，對于一個小組來說，整體等于或小于各個個體之和。對于團隊來說，整體總是大于個體之和。要把小組轉變成有效的團隊，首先要明確團隊工作方針和形成共同的預期目標。為此，需先簽訂團隊政策聲明和團隊預期目標協議。團隊政策聲明用于指導學生團隊有效運作、規定成員的角色和責任、明確完成和提交作業的程序、處理不合作成員的策略。簽定團隊預期目標協議有兩個目的：① 使團隊全體成員確定可實現的共同預期目標；② 作為團隊的法律文件，避免成員相互抱怨。

1.2 培養環節

機械綜合實驗與創新設計課程的理論教學為16學時，綜合實驗32學時，但不局限于32學時，可以通過在智能管理的開放實驗室預約實驗。課堂內教學要詳細介紹課程的實施方案，布置可供學生團隊選擇的綜合實驗項目，講解團隊政策聲明和團隊預期目標協議、開題報告、進展報告、工作日志、技術總結報告的撰寫和要求。通過項目的確定和實施，實踐科研工作的全過程。學生團隊按照課程要求，分3個階段完成以下工作。

(1) 第一階段，撰寫開題報告。圍繞選定的綜合實驗項目，通過資料搜集、閱讀和調研，撰寫開題報告，指導教師對各團隊進行具體的質詢和指導。開題報告的主要內容應包括：立論依據、主要工作內容、研究方案、技術路線、主要特色及創新點、計劃進度等。指導教師對團隊提交的開題報告進行評閱，判斷項目的可行性，指出不足之處，寫成具體的評閱意見，學生團隊根據指導教師的評閱意見對開題報告進行修改、補充和完善。

(2) 第二階段，項目實施。學生團隊按照開題報告提出的內容和工作計劃，完成項目的工作內容。在項目實施過程中需關注以下工作：①按照所確定綜合實驗項目的需要，進行預約實驗；②期中撰寫項目的中期進展報告，分層次、列標題表述所開展的工作、取得的進展或遇到的問題，給出必要的數據圖表，對照開題報告的工作計劃和內容，闡明對內容和計劃要點的修改情況；③在項目執行過程中，要作詳細的工作日志。工作日志應包括學生團隊組織項目討論會的時間、地點、參加人員、研討議題、意見分歧和最終形成的決議。通過工作日志一方面對工作進展及時總結、思考，并記錄對解決問題過程中所學新知識與項目的結合，有助于學生理論與實踐結合，培養嚴謹的工作態度并將這種方法形成一種專業素養應用于將來的工作中。工作日志應撰寫規范，隨時備查，并作為成績考核依據之一。

(3) 第三階段，總結與答辯。在綜合實驗項目實施完成后，要根據所完成的工作撰寫技術總結報告。技術總結報告要求寫作規范、層次分明、條目清晰、內容準確、邏輯性強、數據可信，主要結果要能夠合理解釋，自圓其說。技術總結報告的主要內容包括背景意義、綜合實驗工作的具體內容及結論、市場前景、社會經濟效益、推廣應用策略、參考文獻、工作體會、意見建議等。

在答辯過程中要求制作PPT，語言流暢，邏輯性強，團隊中全體成員集體參加，分階段輪流講解。

1.3 考核方式

指導教師按照學生團隊綜合實驗項目完成情況以團隊為單位確定成績，團隊項目的成績由5部分組成：開題報告(15%)，期中檢查報告(10%)，工作日志(10%)，技術總結報告(40%)，答辯(25%)。

團隊項目成績確定以后，通過團隊成員間的相互評議，決定團隊每個成員的具體成績。為培養學生的科研素養和團隊協作能力，互評重點為團隊成員在團隊項目完成中團結協作、互相幫助、承擔團隊責任與義務方面的情況。團隊成員相互評議后，按評議結果，調整團隊成員間的成績差異。

2 基于機械綜合實驗的團隊項目設計

為達到研究創新能力培養的目的，課題組以國家級機械基礎實驗教學示范中心為依托，提出了系列的機械綜合實驗項目供學生團隊選擇。由于教學對象是大三第六學期的學生，而且必須在一個學期內完成全部工作，綜合實驗項目以機械基礎類為主，并在項目設計時充分考慮項目難度和工作量的大小。

2.1 研究性綜合實驗

該類項目要求學生團隊根據項目要求進行建模、理論計算和仿真分析，并通過綜合實驗結果，驗證仿真分析結果和修改完善理論模型，全面培養學生的課題研究和創新能力。該類實驗項目包括：滑動軸承綜合實驗，螺栓組聯接實驗，滾動軸承受載測量實驗，潤滑油粘度及粘溫特性實驗，機構運動參數測量實驗等。

2.2 創新設計實驗

該類項目結合工程實際，實現對已有機器設備的消化吸收及創新設計。學生團隊需根據示范中心來自于工程實際的機器設備，在對機器設備的認識、測繪、設計、計算和仿真分析的基礎上，完成整機的創新設計并繪制圖紙，實現原有機器設備的功能。該類實驗項目包括：提斗上料機設計，間歇送料及沖壓機設計，曲柄壓力機及送料裝置設計，步進輸送機設計，轉位及輸送裝置設計，機構組合創新設計，機構機器人創新設計，光機電氣液壓一體化全自動裝配生產線功能模塊設計等。

2.3 機械系統的搭建及檢測實驗

學生團隊根據機械基礎實驗教學示范中心提供的設備條件，進行機械系統設計，自主搭建機械系統，完成機械系統搭建過程中的裝調、檢測，并進行所搭建機械系統性能實驗。該類實驗項目包括：受翻轉力矩螺栓組聯接螺栓受力分布測量實驗臺搭建，機械傳動系統創意組合搭建實驗等。

3 教學實踐及效果

經過多年的團隊教學改革與實踐，對團隊組成、團隊項目設計、教學過程管理和成績考核等逐步完善，構建了系統的教學體系。參與本課程的大學生積極性很高，大多數學生團隊都能按課程很好的完成各環節，現舉例說明課程的實施情況。

3.1 滑動軸承綜合實驗

由3人組成的一學生團隊根據圖1所示的滑動軸承油膜壓力測量實驗臺，掌握了滑動軸承流體動壓潤滑油膜的實測原理，自學了Matlab、Fortran語言和數值計算方法，按照有限長滑動軸承流體動壓潤滑問題，編寫了滑動軸承流體動壓油膜的數值計算程序。通過數值計算獲得了實驗滑動軸承的三維油膜壓力分布(見圖2)。圖2所示油膜壓力分布的具體參數為：軸承寬度125 mm，軸頸半徑35 mm，軸承半徑間隙0.02 mm，軸頸轉速100 r/min，潤滑油粘度為0.34 Pa·s，軸承所受徑向載荷200 N。根據圖2所示的三維油膜壓力分布，可獲得軸承對稱面周向壓力分布和軸承軸向壓力分布，并與實驗結果比較，分析誤差產生原因，修改完善理論分析和實驗方案。在此基礎上，該學生團隊進一步在較大參數范圍內對實驗滑動軸承潤滑性能進行了數值分析，計算了滑動軸承的流體動壓潤滑油膜厚度、油膜溫度場分布等，計算分析了滑動軸承寬徑比、偏心率等結構參數對滑動軸承潤滑性能的影響。

圖1 滑動軸承油膜壓力測量實驗臺

圖2 數值求解滑動軸承油膜壓力分布

3.2 步進輸送機創新設計

步進輸送機廣泛應用于自動化生產線。某4人組成的學生團隊選擇對圖3所示步進輸送進行創新設計。通過對圖3所示的已有設備原型功能認知和了解，并基于Labview虛擬儀器軟件，采用加速度傳感器、電荷放大器、NI數據采集卡、筆記本電腦等，實測步進輸送機工作臺的加速度特性。通過對設備原型測繪和機構、結構分析，進行方案設計、關鍵零件設計計算和有限元分析，并對關鍵機構的性能分析和Adams仿真，采用Solidworks設計圖4所示的步進輸送機的三維模型，并形成二維工程圖紙。學生團隊在對原設備中曲柄搖桿與搖桿滑塊組成的六桿機構進行運動學和動力學仿真分析時，發現機構存在的不足，創新性地提出采用曲柄導桿與搖桿滑塊組成的六桿機構代替，并對兩種機構的性能特點進行了對比研究。

圖3 步進輸送機原型

圖4 步進輸送機Solidworks三維設計

4 結 語

實踐出真知，創新無止境。課題組借鑒國際先進經驗，利用山東大學國家級機械基礎實驗教學示范中心的設備條件，進行了基于機械綜合實驗的團隊教學改革與實踐。機械綜合實驗既強調理論研究，又突出工程應用，充分發揮了示范中心的設備優勢，盤活了設備資源。對學生團隊，既要強調團隊協作，又需要發揮個體的主動性和創新意識，不僅需要綜合運用前期課程的基礎知識，還需要自學必要的新知識。從效果來看，經過此環節，學生團隊的科研素養、主動學習能力、書面表達和語言表達能力、分析問題和解決問題的能力得到明顯提高。鑒于此，我們將進一步完善教學體系，更新、拓展綜合實驗項目，培養具有更強競爭力的創新人才。

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