應用型本科機械設計類課程實驗教學方法研究與實踐

劉 蘭 何麗紅 董麗君 王高升

湖南工程學院機械工程學院 湖南湘潭 411101

機械設計類課程包括機械原理、機械設計、機械設計基礎。其中，機械原理和機械設計是機械類專業的主干學科基礎課。學生在學習工程制圖、理論力學、材料力學和機械工程材料等課程后，進入機械原理和機械設計課程學習，主要了解、掌握相關機構及系統的運動設計和機械零部件的結構強度設計。實際上，機械原理和機械設計課程是綜合應用前四門課程所學知識，為后續的專業課打下扎實的基礎。所以，這兩門課程是承前啟后的重要課程。

1 實驗教學目標與內容

1.1 實驗教學內容

機械設計類課程具有鮮明的特點：較強的理論性、鮮明的工程性、嚴密的邏輯性、完整的系統性。實驗教學作為課程教學的重要組成部分，其內容與理論教學內容相輔相成、互為依托。實驗教學既可驗證理論、闡述知識、培養學生技能，更可引導學生掌握科學的思維方法，提高分析和解決問題的能力，培養創新素質，形成優良的工作作風和協作精神[1]。目前，湖南工程學院機械設計實驗室在機械原理課程中開設7個實驗項目，包括從各種機構測繪、分析、設計到典型機構運動學和動力學性能研究等內容；在機械設計課程中開設5個實驗項目，包括從各種典型零件到機械系統的性能分析，以及軸系和減速器結構分析等內容。

1.2 實驗教學目標

湖南工程學院作為一所地方二本院校，始終堅持應用型辦學定位，以培養為地方經濟建設服務的高素質工程應用型人才為辦學目標。明確的機械類專業育人目標決定了各課程的教學目標，而實驗教學目標始終服務于專業育人目標和課程教學目標。

機械設計類課程實驗教學所設定的目標可分為知識目標、能力目標和素質目標。這三個層次環環相扣、層層遞進。

其中，知識目標包括四個方面：(1)了解機械領域實驗的常用工具、儀器、設備系統和實驗方法。掌握使用相關工具、設備的基本技能。(2)掌握對機構和簡單機械工作原理、運動情況、運動學和動力學性能進行分析的方法。(3)熟悉各種典型零部件的結構特點和應用。(4)掌握機械系統設計的基本原則。

能力目標包括三個方面：(1)培養學生運用實驗方法分析研究各種機構與具體機械的能力。(2)培養學生合理設計各類機構和常用機械零部件的能力。(3)培養學生設計一般機械系統的能力。

素質目標包括四個方面：(1)培養學生樂于動手、勇于實踐的探索精神。(2)培養學生嚴謹規范、實事求是的科學態度。(3)培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。(4)培養學生團隊合作精神和溝通協調能力。

2 學情分析與應對策略

2.1 學生情況分析

為了完成實驗教學目標，應首先實事求是地評估學生的具體情況。在多年的實驗教學過程中，發現學生學習態度和水平參差不齊，在實驗課上或多或少存在以下問題：(1)習慣于聽講，不習慣于動手，也不樂于動手；(2)想動手，卻找不到合理方法，以至于無從下手；(3)盲目動手，不總結，不思考；(4)知道基本理論知識，不擅于將所學知識消化遷移、靈活運用解決實際問題。

2.2 主要應對策略

針對這些問題，采取的應對策略大致分為三步。

第一步：多鼓勵，激發興趣，提高動手能力。實驗課上，在保證安全的前提下，給學生提供盡量寬松的動手環境，放手讓學生大膽去試、去闖，不怕失敗。即使實驗不成功，也將是學生記憶深刻的寶貴教訓。

第二步：多啟發引導，讓學生在實驗中有所收獲。除了詳細講解實驗設備的操作規程和安全注意事項外，不再“手把手”教授實驗步驟。提出實驗任務后，啟發學生自己構思、設計實驗路徑，完成實驗目標。

第三步：培養學生樂于動手，勤于思索，肯干、實干、會干的精神。學生在實驗中有所收獲，將激發實驗學習的興趣，在實驗中投入更多的精力，從而形成良性循環，使學生實驗能力和綜合素質不斷提高。

3 教學方法與教學手段

明確了教學目標和學生情況，為了更好地提高實驗教學質量，近三年，實驗室積極開展了兩個關于實驗教學的教改項目，進行了有益的探索和實踐。針對課程特點，總結出一些行之有效的教學方法：案例教學法、任務驅動法、討論教學法；運用各種教學手段，例如，大量機械實物展示、多媒體教學和傳統板書相結合，實驗教學模式采用全開放實驗和課外實踐小組。總之，所有的教學方法和教學手段都貫徹“教師為主導，學生為主體”的教學理念，著力提高學生實驗學習的積極性和主觀能動性，培養學生的動手能力和分析、解決實際問題的能力[2](如圖1所示)。

圖1 機械設計類課程實驗教學的教育理念與教學方法

3.1 案例教學法

在實驗中大量引入工程背景的案例，將實驗教學與各種機械、生活用具、工業裝備等具體工程實際結合起來，增強對機構、機器的直觀感性認識[3]，突出體現專業特色，使學生明確實驗的工程目的和意義，加強培養學生的工程實踐能力。例如，機構分析與機構運動簡圖測繪實驗，以前是讓學生分析簡單機構模型并測繪；現在，在實驗中引入機械實物作為典型案例進行具體的測試、分析，這些實物包括汽車發動機、小型牛頭刨床、手搖式印刷機、圓盤凸版印刷機等(如圖2所示)，都是平時在企業參觀時看到被淘汰棄置后留意收集整理的。圖2中左二為按壓式手電筒，是普通家庭中兒童的常見玩具，其中包含二級齒輪機構和棘輪機構，既生活化又貼近實驗內容，是不可多得的分析案例。圖2中右二所示圓盤凸版印刷機雖然生產使用年代比較久遠，但它包含了多種典型機構：齒輪機構、曲柄搖桿機構、雙搖桿機構、棘輪機構、飛輪等。一個動力源輸入經過一系列組合機構輸出了四個有協調配合要求的動作，是非常理想的讓學生進行機構分析的實際案例。通過仔細研究這些實際機械，讓學生體會機械的巧妙，學會運用所學知識解決實際問題，大大提高了學生學習興趣和積極性[2]。

圖2 機構分析與機構運動簡圖測繪實驗中的典型機器

3.2 任務驅動法

精心組織實驗內容，設計實驗任務。讓學生帶著任務、問題自發地實踐，解開謎團，使學生從被動地接受知識向主動地尋求知識轉變。根據實驗中各知識點的性質，積極以問題為導向，以任務為驅動，調動學生的學習積極性，提高實驗課的學習效果[4]。例如，機構創意設計與拼裝實驗就設計了兩種題目，一種較簡單，另一種較復雜，學生不再是盲目地拼裝機構，而是在預習實驗時按題目任務先設計好機構，再在實驗課上拼裝、分析(如圖3所示)。

圖3 機構創意設計與拼裝實驗的題目

3.3 討論教學法

每次實驗操作后，都認真組織學生對實驗數據、結果進行有效分析和積極討論，鼓勵學生獨立思考，大膽質疑，提出問題[5]。對于符合預期的實驗結果，歸納原理、驗證理論、發現規律、總結經驗，尤其重視對不符合預期的實驗結果提出適當的問題，啟發學生自己找出原因，提出修正或改進的方法，強調工程實踐的多因素影響和復雜性，以培養學生作為未來工程師的工程實踐思維[2]。例如，在機械系統組合及性能分析實驗中，讓每組學生對所裝配機械系統的機械效率進行探究分析，暢所欲言，各抒己見，認真研究影響效率高低的各種因素：到底是設計問題，還是零部件選擇合理性、裝配精度或者是測試系統可靠性問題？

3.4 大量機械實物模型展示

有效運用“眼見為實”的認知習慣，充分利用實物和模型，補充學生對機構與機器等感性認識的不足。在理論知識與實物模型的對應過程中，加深學生對于書本知識的理解和掌握，營造濃郁的機械氛圍，激發學生學習機械的興趣，發揮“潤物細無聲”的作用。這些陳列柜并不是整體外購，而是近年來由實驗室自行收集、整理、設計、制造。另外，陳列柜放置在實驗室和實驗室外的走廊上，特別方便學生實驗課前后學習觀察(如圖4所示)。

圖4 實驗室的機械模型與實物展示

4 實驗項目示例—軸系結構裝拆實驗

軸系結構裝拆實驗安排在完成軸、軸承、齒輪傳動、蝸桿傳動等章節理論學習后進行，主要實驗內容為運用軸、軸承、齒輪傳動等理論知識完成軸系結構的設計、拼裝和分析。

此實驗項目的教學目標：(1)結合具體實物，使學生掌握軸系零部件的相關知識；(2)提高學生運用理論知識解決軸系結構設計問題的能力；(3)培養學生嚴謹規范、樂于動手、善于合作的基本素質。

實驗學時是2學時，所用教學方法為任務驅動法和討論教學法，具體教學安排如下。

首先，教師講授。主要介紹實驗目的、實驗任務與步驟、實驗設備和方法等。

然后，學生分組操作實驗。每組學生(2人)根據軸系設計題目(如圖5所示)構思設計軸系結構(選擇滾動軸承類型與代號、確定軸承的潤滑和密封方式、考慮軸上零件的定位和固定等)，選擇合適的零件并完成軸系結構拼裝。

圖5 軸系結構裝拆實驗設計題目

最后，進行實驗小結。組織各個實驗小組依次介紹本組所拼裝軸系結構的方案與特點，教師結合學生操作時出現的各種現象、問題來分析典型設計、拼裝錯誤，師生共同討論、總結軸系結構設計中的規律、原則和注意事項，例如，軸系零部件的受力情況分析、軸承裝拆的注意事項等。

5 結語

通過不斷革新傳統教學觀念，充實、完善教學體系，改革實驗教學方法，豐富教學手段，調動了學生的學習積極性和主觀能動性，學生的學習能力、思維能力、動手能力和創新能力不斷提高，教學效果取得長足進步。堅持教學改革、提高教學質量的道路沒有盡頭，研究團隊將一往無前、奮勇爭先。