基于“身邊教學法”的機械設計基礎課程實驗設計

薛銅龍, 姚亞昔, 張曉輝

(河南理工大學 機械與動力工程學院, 河南 焦作 454000)

新工科建設對我國新時代工科專業人才培養提出了更高的要求,機械設計基礎課程作為大學工科機類或非機類各專業開設的一門重要的技術基礎課程,直接影響到許多工科專業學生的發展潛能。該課程是一門工程性、實踐性很強的課程,其實驗教學是一個十分重要的實踐環節,不僅起到使學生理解教學內容中理論知識的目的,更重要的是培養學生工程意識、工程實踐動手能力、理論聯系實際能力,啟迪其創新思維[1-2]。但由于我國高校的學生絕大多數學習經歷都是連續的,都是從高中直接進入大學的,接觸社會實踐的機會很少,對機械的了解只限于生活中接觸的范圍,缺少工程觀念,無法將課程理論知識和工程實際相結合,工程實踐動手能力也比較薄弱,特別是低年級非機類專業的大學生，因此在日常實驗課程教學中有必要研究一種能快速將工程實際引入實驗教學,實現實驗項目與其工程背景交融的實驗教學方法。為此，我們嘗試采用“身邊教學法”工程教育理念,通過挖掘大學生身邊的機械工程問題來設計實驗項目,以調動學生對課程學習的積極性。

1 “身邊教學法”工程教育理念的含義

“身邊教學法”是指教學參與者(包括教師和學生)結合教學內容和要求,將日常學習和生活環境中的一些相關事物作為教學對象,對其進行分析、研究和設計,使學生養成關注身邊事物、將抽象的理論知識與形象的工程實物聯系起來的習慣,實現由科學知識到工程知識的遷移和跨越,形成感性認識,最終凝練成觀察、分析和解決工程實際問題的能力[3]。

現代社會里,人們工作、學習和生活都已經脫離純自然的環境,身邊“抬頭不見低頭見”的都是人造機械工程的產物。對于學生,日常學習和生活的“衣食住行用”都離不開不同機械工程領域各種類型的機械產品,在這5大生活必需品中,“衣”處于5者之首,說明了“衣”的重要性,我們就來簡單說說用于“衣”的常用身邊機械,首先我們要穿衣服,就要有做衣服的機器,那就是縫紉機；衣服臟了,就需要洗衣服的機器,那就是洗衣機。用縫紉機做衣服學生可能做得不多,但大多數學生一定見過縫紉機；而洗臟衣服,可以說,每個學生都有用洗衣機洗衣服的經歷,學生可能接觸、使用過各種類型的洗衣機,如雙缸洗衣機、波輪式洗衣機和滾筒式洗衣機等。所以,采用“身邊教學法”進行實驗教學,展示課程理論知識,由于身邊的機器我見過、用過,學生進入學習的狀態就會快,學生的感性認識會更強烈,也會對實驗項目更感興趣,起到“事半功倍”的效果。

2 構建基于身邊的機構與零部件實驗課程教學體系

2.1 理論與實踐相融合的實驗教學體系的規劃

一些工科大學在嘗試利用身邊簡單的機械去做機械設計基礎課程實驗。例如西安交通大學的“縫紉機機構分析實驗”[4]等,但系統、完整地建立身邊的機構與零部件實驗室,就要認真地收集、整理、分析及規劃。

為使“身邊教學法”工程教育理念在機械設計基礎課程實驗教學中得以系統體現,將機械設計基礎課程根據機械功能和應用屬性劃分為5個子模塊；以學生身邊熟悉的日常生活“衣食住行用”為主題,以培養學生利用工程基礎理論解決工程實際問題為宗旨,堅持理論聯系實際地構建基于身邊的機構與零部件實驗課程教學體系。

在選擇身邊機器時,即使有“衣食住行用”的主題,那么相關的機械設備也很多,我們要選用一些涵蓋機械設計基礎課程基本理論知識比較多的機器,例如用于“衣”的家用滾筒式洗衣機,它大體由洗滌脫水系統、傳動系統、進排水系統、減振支承系統、水加熱和烘干裝置系統、控制系統6大系統構成[5],就與課程知識關聯度比較高。

2.1.1 劃分課程子模塊

將機械設計基礎課程根據機械功能和應用屬性劃分為5個子模塊。

(1) 常用機構子模塊,主要有連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、機構的平衡與調速。

(2) 連接子模塊,主要有螺紋連接、鍵連接、銷連接。

(3) 機械傳動子模塊,主要有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動。

(4) 支承零部件子模塊,主要有軸、滾動軸承、滑動軸承、聯軸器、離合器。

(5) 其他零部件子模塊,主要有彈簧、箱體、密封件。

2.1.2 確定與課程內容相關的身邊機構與零部件項目

以日常生活“衣食住行用”為主題,確定與機械設計基礎課程內容相關的實驗項目。例如用于“衣”的常用機械有縫紉機、洗衣機等,用于“食”的常用機械有攪面機、面條機等,用于“住”的常用機械有電梯、空調等,用于“行”的常用機械有自行車、汽車等,用于“用”的常用機械有電風扇、電冰箱等。為了節約成本,可以到二手市場購買舊的，甚至報廢的機器用于實驗[6]。

2.1.3 實現課程子模塊與身邊項目對接

對身邊項目具體的機械構成、工作原理進行解剖與分析,將涉及機械設計基礎課程內容部分,與課程子模塊對照分析,選擇并調用與本課程相關聯的課程子模塊,確定課程子模塊與身邊項目對接。例如“衣”的常用機械有洗衣機,涉及機械設計基礎課程中的機械傳動子模塊,可以調用帶傳動、齒輪傳動教學資源；涉及支承零部件子模塊,可以調用軸、軸承、聯軸器教學資源；涉及連接子模塊,可以調用螺紋連接、鍵連接教學資源。實施有針對性、有重點的身邊項目與課程子模塊對接,展開關聯教學,實現學用結合、知行統一。

2.2 “三層次遞進式”實驗項目的設計

下面,以用于“衣”的常用機械——家用滾筒式洗衣機為例,具體介紹實驗項目的設計,滾筒式洗衣機是比較典型的機電一體化家用電器產品,實驗所需器材成本低,取之容易。

滾筒式洗衣機實驗項目的設計與實現,采用“三層次遞進式”分為三個層次來完成,一是基礎驗證型實驗項目,使學生驗證、理解、鞏固并掌握基本教學內容,培養學生對關聯知識的理解;二是以綜合設計“任務”為驅動,引導學生理清問題實質,確定結構和解決問題的方法,注重理論知識和技術的綜合運用,培養學生對關聯知識的綜合運用能力；三是以實際問題為背景,引導學生自主創新研究,通過需求分析,全面培養學生的創新思維能力,同時促進實踐探索精神[7-9],如表1所示。

表1 滾筒式洗衣機三層次實驗項目的設計

2.2.1 基礎驗證型實驗的設計

在實驗課程教學過程中,以基礎驗證型實驗項目為載體,引導學生自主地、循序漸進地學習、理解、鞏固并掌握基本教學內容,通過對滾筒式洗衣機拆卸、安裝,認識洗衣機的機構與零部件,并與課程子模塊關聯教學內容的基本理論知識對接。

例如,首先在認識、拆裝滾筒式洗衣機時,要接觸到螺紋聯接件、螺紋聯接的4種基本類型、螺紋聯接的防松方式等,相應地要用到螺紋連接的基本理論知識,特別是滾筒式洗衣機的底座調平裝置要用細牙螺栓調整,這一點要給學生指出來,因為細牙螺栓學生接觸得比較少,可能不太注意；在拆裝滾筒式洗衣機的傳動系統時,要接觸到小皮帶輪、傳動V帶、大皮帶輪,相應地要用到帶傳動的基本理論知識；在拆裝滾筒式洗衣機的洗滌脫水系統(滾筒主軸裝置)時,要接觸到滾筒主軸,相應地要用到軸的基本理論知識,特別要指出滾筒主軸在洗衣工作時,要頻繁地正反雙向旋轉,當學生按彎扭合成強度方法校核滾筒主軸強度時,其折合系數a值要取1(即a=1)；在拆裝滾筒式洗衣機的外滾筒時,要接觸到滾筒配重塊[10],相應地要用到機構平衡的基本理論知識。

通過洗衣機零部件的拆裝實驗,讓學生繪制洗衣機的機構運動簡圖和滾筒主軸結構裝配圖,使學生感受到教學內容基本理論知識的真實感和親切感,認識到所學的知識都是有工程實際用處的,進一步讓學生明白這個理論知識可以“如此”用到“這樣”的實際工程問題中,今后類似的問題就可以迎刃而解了。

2.2.2 綜合設計型實驗的設計

以綜合設計型實驗為突破口,引導學生結合滾筒式洗衣機的實際問題,從選題開始、綜合設計到制作調試完成,使學生將所學基本知識貫穿起來,提高學生的實戰能力,進一步增強學生學習基本教學內容的興趣和實踐探索精神。

例如,滾筒式洗衣機的傳動系統主要有以下部分組成:電動機、小帶輪、大帶輪、傳動皮帶、內滾筒以及外滾筒。小皮帶輪裝在電動機的轉軸上,大皮帶輪與洗衣機內筒連接在一起,電動機通過小皮帶輪帶動大皮帶輪以及內筒旋轉,也就是說,滾筒式洗衣機是通過皮帶進行動力傳動的,如圖1所示。

圖1 滾筒式洗衣機的傳動系統原理圖

帶傳動是一種古老而簡單的傳動方式,帶傳動按帶橫截面形狀可分為平帶、V帶、多楔帶、圓形帶等,在老式滾筒式洗衣機中使用的是V帶傳動。從機械設計基礎課程的帶傳動基本知識，我們知道多楔帶傳動相對于V帶傳動有一大優點:因多楔帶本身帶體較薄,運轉時所承受的離心應力和彎曲應力均小于V帶,因此多楔帶傳動可配置較小的傳動帶輪,運行時耗費較少的電能并可獲得較高的傳動比,節能降耗的效果明顯。基于此,可以讓學生進行用多楔帶傳動取代V帶傳動的綜合設計實驗,同時也可以讓學生進一步理解傳動帶從平帶到V帶,再到多楔帶的結構創新歷程。

通過洗衣機零部件重構的設計計算,并繪制出有關的零件圖,進行購買或3D打印零件,再安裝重構洗衣機,調試與運行,并進行節電效果實驗測試比較,學生感到自己也能設計出比別人更好的機器,成就感油然而生,同時學生也會進行深入思考“如何通過設計使得產品的性能不斷改進?”等問題。

2.2.3 研究創新型實驗的設計

以研究創新型實驗為導向,引導學生自主研究,通過滾筒式洗衣機的需求分析構思,全面培養學生擴展運用基本教學內容的能力,激發學生發明創造的興趣,同時促進實踐創新精神的發展[11-12]。滾筒式洗衣機甩干脫水過程中振動噪音大,一直是困擾滾筒式洗衣機用戶的問題,因此可以讓學生開展降低滾筒振動噪音的研究創新型實驗。

例如,滾筒式洗衣機的內滾筒由于洗滌的需要,在內滾筒壁均布了3個水平等高的提升筋,如圖2所示。由于提升筋的存在,滾筒式洗衣機在甩干脫水過程中，洗滌衣物(負載)不可能完全在內滾筒壁周圍均衡分布,即在內滾筒壁內洗滌衣物(負載)分布是不平衡的,這是引起滾筒式洗衣機高速甩干脫水振動噪音的一個重要原因。

圖2 內滾筒結構

結合機械設計基礎課程支承零部件的基本知識,對于懸臂支承的內滾筒,可以把筒壁均布的3個水平等高提升筋,改造創新為3個傾斜不等高的提升筋結構,即改造創新為離傳動裝置遠的提升筋比離傳動裝置近的提升筋高,這樣在滾筒式洗衣機內滾筒高速甩干脫水運行過程中,傾斜的提升筋將洗滌衣物(負載)推向靠近傳動裝置方向,所以當內滾筒轉動時,由于洗滌衣物(負載)懸臂的縮短,洗滌衣物(負載)的旋轉力矩將降低,由洗滌衣物(負載)分布不均引起的振動噪音也相應減小，如圖3所示。

圖3 內滾筒提升筋改造后結構

根據這一原理,可以做幾個不同斜度的提升筋,分別安裝在原來水平的提升筋上面,進行洗衣機振動測試對比實驗研究。

也可以結合機械設計基礎課程連桿機構的基本知識,把3個固定提升筋改造創新為可升降式四連桿提升筋,洗衣機洗滌時內滾筒均布的3個提升筋升起,起到與固定提升筋相同的作用,甩干脫水時,3個可升降式提升筋落下,不影響被洗滌衣物在內滾筒內的均勻分布,也能較好地解決滾筒洗衣機的甩干脫水振動噪音大的問題。

通過洗衣機研究創新實驗,學生體會到,發明創造離我們并不遙遠,學生的課程學習興趣和求知欲會更加高昂,由此促進學生形成主動思考、自我創新的意識。

3 結語

從“身邊教學法”工程教育理念為基礎,構建了基于身邊的機構與零部件實驗課程快速教學體系,包含“三層次遞進式”實驗教學的機械設計基礎課程實驗的設計,把“高大上”的理論知識與“接地氣”的身邊機械工程相結合,通過不同形式的身邊機械工程實驗教學訓練,培養學生逐漸形成工程意識,有效地解決了課程理論知識和工程實際脫節以及低年級非機類專業的學生工程實踐能力薄弱的問題,體現了應用型人才的培養宗旨,提高了學生解決現場工程問題的能力,對培養學生工程意識和工程創新能力起到積極的推動作用。