用雙手帶動大腦

周培 蘆書榮

機械設計作為機械專業的一門重要課程，承擔了讓學生了解專業研究對象、掌握機構運動基本原理的任務。作為機械專業的專業基礎課，機械設計要為后續的專業課打下堅實的基礎，現在本科的機械設計教學都以課堂教學為主，單純的教師講解較枯燥，學生即使掌握了知識也只是紙上談兵，面對實際機構的分析還是無從下手。

傳統的課堂教學以教師講授為主，單一的教學模式使學生容易感覺枯燥，上課注意力不能集中；特別是近機類專業的學生，機械設計這門課對他們來說就更抽象和枯燥。作為一門對象感、應用性很強的課程，如何提高教學質量，本專業的老師們作了一系列教學嘗試，將課堂搬進實驗室，讓機構走進課堂，把課堂的主體讓給學生，把單純的教師講轉變為主要是學生動手做。結果表明，這樣的結合實踐的教學使學生不再感覺枯燥，自身的參與提高了學生的學習熱情，加深了對專業知識的理解，教學效果顯著。

在教學改革實踐中，針對機械設計的每個章節，至少設計一次學生參觀或者做實驗的環節。其中，機構的運動簡圖及自由度的計算、平面連桿機構、凸輪機構、帶傳動、聯軸器和離合器這些章節的實踐環節主要以參觀實物機構、零件為主；齒輪機構、輪系、軸及軸轂聯接、軸承等章節安排了軸系搭建、減速器拆裝等實踐環節。下面就針對軸系搭建和減速器拆裝如何配合課堂教學進行介紹。

機械設計這門課程主要介紹了幾種典型傳動機構和通用零件，其中軸系零件是很重要的一塊內容，而軸系的結構設計又是這章的重點和難點，以往教學會給學生一些軸系裝配圖改錯，學生只會單純地記憶這些易錯點，對為什么錯可能根本不理解，例如，零件缺少周向固定的錯誤，如果直接對照軸系實物講，聯軸器忘了用鍵聯接，學生就能通過轉動軸，發現聯軸器無法同步運動，這樣既直觀又加深了記憶。本教研組在這個環節上設計了軸系的搭建實驗，讓學生自己動手搭建一個軸系，教師點評，學生一直改到軸系正確為止。

圖1 軸系試驗箱

圖2 軸系搭建實驗

在這個過程中，學生會直接感受軸承是怎么運動的，怎么選擇的，軸上零件是如何安裝、定位的，這樣，上課講的那些理論會直觀地呈現在學生面前，教師講一節課，不如讓學生自己動手十分鐘來得效果好。理論只有被應用了，才能被理解。

而且，學生在搭建過程中會犯錯誤，通過教師點評，自己改進結構，自然而然地就會運用課堂上所講的理論知識，或者通過其他途徑查閱資料，學生在參與過程中能更深刻地理解軸系結構設計的要求，加強記憶。而且軸系的結構多種多樣，遇到的問題不盡相同，這樣充分調動了學生參與的積極性，鍛煉了他們解決實際問題的能力，解決了以往教師在講臺上講，學生在下面打瞌睡的問題。

此外，幾十個學時的機械設計講完之后，如何將這些機構和零件的章節全面聯系起來，形成知識體系呢？這就要靠一個具體的、典型的機器展現。本教研組選取了減速器為對象，在課程結束后，讓學生拆裝減速器，實現知識的整合。

減速器里包括課程里講的齒輪、軸系、軸承這些典型零件，學生通過拆減速器，可以了解一個具體機器的組成，感受軸系和齒輪、軸承的運動，拆完后要求學生再復原減速器，學生就需要調用機械設計的知識，進行安裝、調整。在這個過程中，零件的安裝、拆卸、定位、固定和潤滑密封等知識都得以展現，有些知識點可以讓他們具體感受，比如：轉動齒輪感受齒輪的嚙合，錐齒輪為什么要錐頂重合才能正確傳動，上下箱體聯接為什么用螺栓不用螺釘，這些問題都可以通過觀察得出結論；有些比較難以講解的，比如：在軸系改錯中，為什么軸承是脂潤滑的時候要用擋油環，擋油環裝在什么位置？潤滑和密封方式如何選擇？為什么減速器箱底不是一個平面？對照減速器，這些問題都可以化抽象為具象，將理論轉為應用。

圖3 減速器拆裝實驗室

圖4 減速器拆裝實驗

另外一些章節，可以設置討論題，積極調動學生的參與性。比如，緒論里綜合介紹部分，可以設置討論題，讓學生在零件機構陳列室里找出十種零件，寫出它們的常用材料和功能；平面連桿機構這章，可以要求學生結合生活經驗列舉一些四桿機構的實例，如抽水機、牛頭刨床、雷達俯仰機構等。這樣才能把理論聯系實踐，枯燥變得生動。

現在的工作崗位對于學生的創新性要求很高，如何培養學生的創新精神，這是眾多學校都在努力探索的。針對這個問題，對于部分對機械設計感興趣、學得比較好的學生，本專業新開設了后續選修課程——機械創新實驗。在實驗課程教學中，給學生提供各類零件，讓學生通過自己搭建機構，實現預定的運動，并結合pro-E對機構運動進行仿真。這個實驗課程可以讓這部分學生有更多動手的空間，發揮創新性，對機械設計課程是很好的延展。

圖5 機械創新實驗

圖6 教師指導創新實驗

通過一系列機械設計教學改革措施，使機構走進課堂，理論融于實踐。我們發現，只有調動學生動手參與才能讓枯燥的機械專業知識更易于掌握，告別紙上談兵，使知識學有所用，這樣的教學才真正適合學生。