機械原理課程實驗教學研究

李永湘

摘要：為適應新工科建設和OBE教學改革要求，對機械原理課程實驗教學方法進行改進，完善教學內容，改革了機構認知實驗、機構運動簡圖測繪實驗和漸開線直齒圓柱齒輪參數測定實驗，用機構創新設計實驗代替了原來的回轉構件的動平衡實驗。將手工操作與軟件建模仿真相結合，引入學科競賽作品創作模式，充分發揮學校現有的實驗室和工程實訓中心教學條件和設備能力，綜合培養學生的創新思維、機構設計、畫圖建模和加工制造等能力，教學實踐證明所做實驗教學改革發揮了積極作用，促進了學生專業知識的鞏固和綜合能力的提升。

關鍵詞：機械原理;實驗教學;3D打印;教學改革;OBE

0? 引言

隨著新工科建設和OBE教學改革的推進，大學逐漸意識到大學生培養中的實踐教學環節的重要性，專業培養方案中的實踐教學學時也逐漸得到提升。機械原理實驗課程對鞏固學生機械原理理論學習，培養學生動手能力具有重要作用。理論課堂教學一直把教學空間限制于教室，而機械原理實驗課程則可以將機械基礎實驗室、工程實訓中心充分利用起來，可以將機械模型和機械設備使用起來，使機械原理教學由抽象變得直觀、具體。拉進了學生與機械的距離，學生可以直接解除機械模型和設備。本文主要研究了對機械原理課程實驗的改進和教學實踐。

1? 機械類實驗教學研究現狀

由于硬件條件和軟件條件的各不相同，許多高校教師從不同方面研究了實驗教學工作。例如，湯赫男等研究了柔性空間結構試驗教學[1]。郭紅利等探討了機械原理課程實驗教學改革思路[2]。包海濤等研究了新工科條件下的機械基礎實驗教學方法[3]。蔣培等研究了結構與振動課程實驗教學的新思路[4]。朱曉翠等研究了新工科前提下的機械專業課程實驗教學改革工作[5]。劉曉波等探索了機械振動實驗課程教學改革新方法[6]。熊建強研究了機械設計基礎實驗課程教改路徑[7]。劉蘭等探討了機械類專業課實驗教學改革思路[8]。王迪研究了非機械類專業中機械設計基礎課實驗教學改進方法和思路[9]。王大剛探索了機械原理課程實驗教學與理論教學的一體化問題[10]。文成等提出了導學練研教學模式運用于機械類實踐課程教學改革中[11]。夏斯偉等提出了機械原理實驗課教改思路，將機械原理實驗課與虛擬軟件相結合，進行虛擬仿真實驗，彌補實驗器材的不足[12]。徐春明等研究了機械原理實驗教改思路并進行了教學實踐[13]。楊孟杰等研究了以卓越工程師為培養目標的機械原理實驗教改工作，將慧魚模型應用于實驗課程教改活動中，通過慧魚模型搭建完成實驗內容[14]。

以上學者所做工作主要探討了機械類專業課程實驗教學改革思路，對實驗教學的改進主要著重于傳統實驗設備的完善，對新工科實驗教學研究方法進行了一定探討，但實驗教學方法的創新程度不夠高，對實驗教學改革實踐工作涉及不多，針對現有實驗教學中存在的問題，本文以機械原理課程實驗教學為例，在新工科背景和OBE教學改革要求下，探討實驗教學方法的創新，并在機械類專業班級機械原理課程實驗教學中進行實驗教學改革實踐，以“三全育人”指導，培養合格的應用型機械類本科大學生。

2? 機械原理實驗教學改革措施

根據我校機械制造及其自動化專業培養方案，機械原理課程有8個學時實驗教學。按照每2個學時完成一個實驗教學工作進行計算，可以安排4個實驗。由于學校實驗條件的限制，傳統的實驗教學主要設計了機械認知實驗、機構運動簡圖的測繪、漸開線直齒圓柱齒輪參數的測定和回轉構件的動平衡共四個實驗。這幾個實驗雖然具有一定代表意義，但傳統要求過低，對學生創新思維能力的啟發不足。根據新工科應用型人才培養和OBE教學改革要求，我們對幾個實驗進行了改進，提高了實驗要求，將Matlab、3D建模軟件等運用于實驗教學中，提高實驗分析能力，增強學生的軟件應用能力和模型制作能力。

2.1 機構認知實驗的改進

傳統的機構認知實驗主要是通過參觀實驗室已有機構模型，使學生對機械結構有一個直觀認識。這樣的實驗課程具有較大的局限性，因為實驗室里的機構模型都是單獨陳列出來的，有一些還是理想化的模型，例如連桿機構等。學生對機械結構的認知容易局限在這種單獨陳列出來的模式，與機構在不同設備不同場合的具體應用和表現形式脫節。實際工業應用場合中的機構結構是多種多樣的。即使是同一種類型的機構，在不同的設備中表現出來的具體結構也有很大差異。為此，我們將機構認知實驗的場所進行了改變，拓展了認知實驗的參觀范圍。在機構認知實驗中，不僅帶領學生參觀機械基礎實驗里的各種類型的機構模型，還將學生帶到學校實訓中心參觀各種類型的機械加工設備，讓學生了解不同類型的機構在不同機械設備上的應用。

2.2 機構運動簡圖測繪實驗的改進

以往的機構運動簡圖測繪實驗主要是要求學生測量機構模型的相關尺寸，分辨機構類型，繪制機構運動簡圖。針對此實驗，我們提高了實驗要求難度。要求學生動手拆解機械裝置模型，如發動機氣缸、機床走刀機構等，分析機械裝置中存在的機構類型，探討工作原理，然后用測量工具量出機構構件尺寸，繪制機構運動簡圖，計算機構自由度，并要求學生制作一個機構運動仿真視頻。機構運動仿真視頻的制作可以采用Adams、Solidworks、Pro/E等多種軟件，學生可以根據自己所擅長的做出各自的選擇。較多的同學是通過Solidworks軟件和UG軟件進行建模和仿真，還有部分同學是通過Matlab軟件進行了機構運動仿真。通過實驗要求難度的提高，使學生進一步鞏固了對機構類型和自由度的認識，提高了機構運動簡圖測繪能力，熟悉了相關軟件的操作和運用。

2.3 漸開線直齒圓柱齒輪參數測定實驗的改進

漸開線直齒圓柱齒輪參數測定實驗以往主要是要求學生通過游標卡尺等工具測量漸開線直齒圓柱齒輪的齒頂圓直徑、齒根圓直徑等基本參數，并運用公式計算出齒輪其它參數。我們主要是在這個基礎上進一步要求學生通過自己所測定的和計算的齒輪參數，運用三維建模軟件畫出齒輪的三維模型，并制作一對齒輪嚙合的運動仿真視頻。學生主要采用了Solidworks軟件和UG軟件建立了齒輪的三維模型和錄制了運動仿真。我們之所以增加了后面的實驗要求主要是為了使學生進一步鞏固對齒輪基本參數和計算公式的理解，讓學生好好觀察齒輪的嚙合情況。在實驗過程中，個別學生在測量或計算時候出現的錯誤在進行齒輪三維建模和運動仿真的時候暴露出來，檢測了學生測量和計算的齒輪參數的正確性。

2.4 機構創新設計實驗的設置

隨著新工科建設和OBE教學改革的推進，大學對學生創新能力的培養越來越重視。高質量發展需要靠科技創新。每年舉辦的全國大學生機械創新設計比賽也激發了學生對機械創新設計的熱情。我們在機械原理課程中為此特意設置了機構創新設計實驗以培養學生的創新能力、設計能力、動手能力等。機構的類型不限，學生可以充分發揮自己的想象力。可以是一種機構的變異，也可以是幾種機構的綜合，也可以對已有機構進行改進。學生需要分析所設計機構的工作原理，畫出機構運動簡圖，計算機構自由度，至少畫出其中一個構件的三維模型并用3D打印機打印出來。通過這個實驗過程，學生所學的專業知識得到綜合應用，創新思維、機構分析計算、結構設計、畫圖、三維建模、3D打印等能力得到展現。同時，這個實驗同時也為學生參加全國大學生機械創新設計比賽和貴州省3D打印比賽提供了鍛煉的機會，通過機構創新設計實驗，學生對制作參賽作品流程有了初步了解。

3? 總結

在機械原理課程實驗教學過程中，我們根據新工科背景和OBE教學改革要求，不斷探索，改進實驗教學方法，完善教學內容，主要改進了機構認知實驗、機構運動簡圖測繪實驗和漸開線直齒圓柱齒輪參數測定實驗。用機構創新設計實驗代替了原來的回轉構件的動平衡實驗。將手工操作與軟件建模仿真相結合，引入機械創新設計比賽和3D打印比賽作品創作模式，綜合培養學生的創新思維、機構分析計算、結構設計、畫圖、三維建模、3D打印等能力。學生的學習興趣得到提高，參加學科競賽的學生逐年增多，學生在比賽中也取得了10多項目省級以上榮譽。

參考文獻：

[1]湯赫男，謝湘淼，鐘紹武，等.“機械原理”課程實驗教學中的空間機構與柔性機構拓展研究[J].工業和信息化教育，2019（10）：28-32，38.

[2]郭紅利，張李嫻，張軍昌，等.機械原理課程實驗教學環節改革思路的探索[J].教育教學論壇，2016（01）：164-165.

[3]包海濤，王殿龍，楊睿，等.面向新工科機械基礎實驗教學探索[J].實驗室科學，2020，23（05）：120-123.

[4]蔣培，段衛東，陳浩，等.結構與振動實驗課程教學改革探究[J].中國現代教育裝備，2020（19）：79-81.

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[13]徐春明，周艷，孫瑛，等.機械原理實驗教學改革與實踐[J].大學教育，2018（11）：89-91.

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