機械原理課程實驗教學環節改革思路的探索

郭紅利 張李嫻 張軍昌 侯莉俠

摘要：機械原理課程的實驗教學對于培養學生的科研工作能力、創造性思維能力、實驗動手能力和表達能力等具有十分重要的作用。本文闡述了機械原理實驗課程改革的方向及其在創新意識和創新設計的能力培養過程中所起到的作用。

關鍵詞：機械原理；實驗教學；改革；創新

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）01-0164-02

機械原理在整個機械專業的課程體系中，是機械專業實踐教育中一個十分重要的環節，是培養學生創新能力的一門重要課程。因此，機械原理課程的實驗教學中不僅應充實與創新設計有關的理論和方法，而且還要引導學生能夠利用這些理論和方法進行創新設計，從而培養學生的創新意識和能力。整個機械原理課程的教學體系可以分為理論教學、實驗教學和課程設計三大部分，其中機械原理實驗教學既是理論教學的鞏固、補充、升華和提高，也是為了培養學生觀察、分析、判斷、綜合和推理的基本能力，提高學生的實際操作能力，加強對所學知識的理解和對實驗結果及規律的感性認識，促使學生運用所學理論分析問題，從而找出解決問題的方法的一個重要環節。

一、以往機械原理實驗教學存在的不足

以前，由于受實驗條件的限制，針對機械原理課程安排的實驗主要有：（1）機械（機構）認知實驗；（2）機構運動簡圖（示意圖）的測繪；（3）漸開線直齒圓柱齒輪參數的測定；（4）回轉構件的動平衡。這些實驗在我校機械原理實驗教學中沿襲了相當長的時期，它們大部分是對理論教學內容的驗證的實驗，而綜合型、設計型的實驗內容很少。然而隨著世界科學技術的迅猛發展和知識經濟的興起，社會對21世紀人才需求的不斷變化，而這些實驗內容從根本上并未真正起到培養學生工程實踐能力的作用，原有的實驗教學體系所表現出來的弊端因此也就日益突出，概括起來其缺陷和不足主要體現在以下幾個方面：

（一）實驗內容陳舊

原有的實驗內容以基礎性實驗為主，多數屬于演示性和驗證性實驗，實驗內容單一，整個實驗一般都在規定的時間內要求學生根據實驗指導書的要求，在教師的指導下，按規定方法，在一定的條件下完成實驗的全過程。學生的行為方式和思維方式規定在一個固定的模式里進行，因此實驗本身留給學生思考的空間不多，很難激發學生的學習興趣，在一定程度上制約著學生創新思維和創新能力的培養。

（二）實驗設備簡陋和實驗方法落后

我校機械原理實驗教學所用的設備大多是20世紀90年代購置的，這些實驗設備不僅陳舊老化，而且有些已經損壞，這不僅會影響實驗結果的準確性和可靠性，而且由于招生規模的不斷擴大，使得設備數量也在“日益減少”，這就會造成實驗過程中5、6個學生共用一臺儀器設備的現象。這在一定程度上影響了學生的動手能力，而且也為學生抄襲實驗數據提供了機會，也就達不到培養學生動手能力的目的。另外，原有的實驗模式都是通過教師動手演示、學生觀看來完成相關實驗內容和任務，整個實驗過程中，作為學習主體的學生始終處于被動的地位，這也會影響實踐環節對學生動手能力和創新實踐能力的鍛煉和培養。

（三）實驗教材和實驗思路死板

現在機械原理課程實驗教學所使用的實驗教材多數都是自行編寫的，教材內容比較陳舊，缺乏新意。教材的內容主要包括：實驗目的、實驗設備和工具、實驗原理和方法、實驗步驟等，最后往往還給學生附上實驗數據記錄表格和要求繪制的實驗曲線，甚至還有實驗報告格式。這顯然不能適應高等教育培養高素質人才的需要，不僅缺乏靈活性，更重要的是沒有創新意識，因而無法激發學生的創造性思維和主觀能動性。

（四）實驗教學模式的落后以及實驗體系的不完善

整個機械原理實驗教學體系從內容上看，實驗內容單一，綜合性不強，并且是純機械性實驗，沒有融入計算機、控制等相關技術，加上受到課程總課時的限制，并不是所有的實驗項目都能夠正常開出，有的實驗項目，一方面學生做起來興趣不高，實際效果不是很好；另一方面，脫離了現代科技的發展，體現不出現代科技在實驗中的應用。

二、機械原理新的實驗教學改革思路探索

機械原理理論和實踐的教學目的是培養學生機構運動方案設計的能力，為了改變上述種種不利因素對學生創新素質培養的限制，為了加強實驗環節對學生創新能力的培養，經過多方面的調研和論證，根據實際的教學需求，我們建立了新型的“基礎實驗——綜合設計型實驗——研究型實驗”逐層遞進的機械原理課程實驗教學體系。利用新實驗體系，學生在實驗過程中不僅強調了機械（機構）模型的演示、機械運動簡圖（示意圖）的測繪、回轉構件的動平衡等基礎實驗，而且也突出了實用型實驗、創新型實驗，強調了組合式可調平面連桿機構模型組裝實驗和機構運動方案創新實驗。為了更好地激發學生強烈的學習興趣和創造意識，有效培養學生從事科學實踐活動的能力，在具體的實驗內容上，我們先后開設了“機構創新組合和設計”和“機構運動分析及虛擬設計”等實驗。這些實驗在管理和操作上實行的是開放式管理，學生可在實驗室內對自己的設計進行裝配與制作，將自己的設計從圖紙轉變為實物模型，從而真正達到提高動手實踐的能力的目的。經過近幾年的改革實踐，這種實驗模式被證明是適應機械原理課程體系教改的模式和需要的，其鮮明的特點和獨特的作用主要表現在以下幾個方面：

（一）借助于典型的機構來反映機構的結構特點

由于學生缺乏生產實踐知識，在感性認識上有很大差異，對于其沒見過的東西僅靠教師用語言去描述很難理解和接受。借助于教學展柜中典型機構的運動演示可幫助學生解決這一難點，對學生學習本課程有很大的啟發。比如利用展柜中的蒸汽機模型既可以使他們看到該模型采用了曲柄滑塊機構，又可以進一步了解其可以把蒸汽的熱能轉換為曲柄轉動的機械能。這種實驗可以把理論教學中較為抽象的概念通過儀器設備的演示變為直觀的現象，學生通過直觀現象的觀察，去理解和掌握知識，這對今后學生應用知識解決實際問題是一個良好的訓練。

（二）借助于動態的機構演示直觀地反映機構的性能和特性

機械原理課主要講述的是各種機構的運動過程和運動原理，但是其運動過程在課堂很難達到“直觀”的效果。為使學生掌握機構具有確定運動的條件，掌握機構運動和動力分析的方法和原理，我們開設了機構運動測繪實驗。學生可以通過對具體機器模型的結構和運動分析，加深對機器或機構運動過程和運動原理的理解和認識。比如在進行拖拉機前輪導向系統的測繪和運動分析實驗時，通過讓學生親手動手控制和操作拖拉機的導向系統，他們不僅可以清晰地看到系統的結構組成，還可以進一步了解各執行構件間的運動和協調關系，這樣他們就很容易學會和掌握對所研究的系統進行運動分析和計算并繪制出傳動系統圖。

（三）借助于透明可見的演示教具清晰地反映機構的運動原理

機械中機構的運動原理所涉及到的要素、參數及其變化在實際產品中有一些是不可見的。如漸開線齒廓嚙合點的軌跡即嚙合線是一條定直線，在實際齒輪傳動中是看不見的一條線，從而使學生學習時感到很抽象。此時通過齒輪嚙合的電動模型，可清晰看見嚙合過程中輪廓嚙合點在透明的有機玻璃底板上留下的軌跡是一條定直線，使得嚙合點的運動一目了然，從而幫助學生加深對這部分內容的理解，并為后面學習齒輪的正確嚙合條件、連續傳動條件等內容打下基礎。

（四）借助于機器或機構的動態參數變化提高實驗的教學效果

為了加深學生在機構的原動件按給定的運動規律運動時對其余運動構件上各點的軌跡、位移、速度和加速度，以及這些運動構件的位置、角位移、角速度和角加速度等運動參數的影響進行計算和分析過程的理解，我們開設了機構運動參數的測定實驗。通過該實驗，學生可以了解運動參量的測試方法，為后續設計方案的檢驗提供必要的數據；也可以使學生借助于實驗手段直接地看到機構在運動過程中位移、速度、加速度的測試結果以及和理論分析結果互相對比的結果；同時還可以使學生在短時間內加深課堂講授知識的理解，增強學習效果。

（五）借助于第二課堂提高學生的動手能力

為了幫助學生把學到的理論知識應用于實踐，提高學生的實踐動手能力，我們開設了各種綜合性實驗。它主要是學生利用業余時間在實驗室通過各種機構、電機、電線以及測量傳感器等原材料，充分發揮自己的想象力與創造力，借助于機構搭接實驗平臺來搭接出各種會動的機器模型。這些實驗富有趣味性、科學性、實用性和挑戰性，與枯燥和乏味的理論課相比更能夠吸引學生，也更能夠激發學生學習新知識的興趣。

通過近幾年的實踐證明，上述實驗教學模式和方法不僅可以激發學生的學習興趣，還可以培養學生的創造性思維，鍛煉他們的實踐動手能力，強化他們的工程意識，促使他們將理論設計與工程實踐結合起來以更好地解決實際問題。同時，這一種模式還可引導學生在實驗室里搞自己的小發明參與科技競賽，因為通過模型制作，可以檢驗學生設計的正確性，從而極大地推動了學校的創新教育。

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