多層次機械原理實驗教學改革與實踐

林隆榮 黃 鳴 李實懿 吳鄭思

（1.廈門城市職業學院，廈門 361008；2.集美大學誠毅學院，廈門 361021）

隨著我國機械制造業的不斷進步發展，為適應新形勢下的發展需要，社會和企業對就業人才選用提出了更高要求[1]。學生不僅要具有扎實的理論基礎，而且要具有一定的自主創新能力，以通過理論和技術手段實現項目目標[2-3]。

機械原理課程是機械類專業的基礎技術課程之一，主要研究機械運動中的一些共性問題，包括機構的組成原理、運動學、機器動力學、常用機構的分析與設計以及機械傳動系統方案設計等問題。將機械原理實驗教學服務于機械原理課程，是加深和鞏固機械原理知識體系的關鍵環節，也是提高學生分析問題和培養學生實踐動手能力的重要手段[4-5]。

本研究以集美大學誠毅學院為例，分析了現階段機械原理實驗教學中存在的不足，并在此基礎上根據課程教學要求和實驗教學目的，結合學生能力和愛好，將機械原理實驗教學劃分成3 個層次設立實驗教學，在實驗管理中探索開放性管理與考核等措施，以便于學校更好地培養具有創新能力的工程應用人才。

1 機械原理實驗教學現狀分析

以誠毅學院為例，該學院機械原理實驗教學組成如圖1 所示。教師在教學中大多以學生觀察和拆裝簡單機構、測繪機構運動簡圖、測量齒輪參數以及分析與設計機構運動方案等基礎認知驗證性實驗為主。這種教學方式雖然具有思路清晰、教學簡單等優勢，但是隨著企業要求不斷提高，現有實驗教學項目已不能滿足現代企業對工程應用人才能力的要求。

圖1 機械原理實驗教學組成

現有教學方式主要存在以下不足之處。

（1）機械原理實驗模式單一，主要以教師講授和演示為主，學生只需按照實驗要求與實驗步驟操作，最后撰寫實驗報告。實驗教學題目固定以驗證原理知識為主，學生缺少自主設計和創新空間，無法拓展學生的創新思維和創新能力。

（2）隨著信息科學技術的飛速發展，各種輔助設計工程技術軟件日益成熟，傳統的設計方法（圖解法、查表法、掛圖法）已經明顯不能滿足現代企業對工程應用人才的要求。

（3）實驗管理考核方式簡單，對學生的安全教育需要進一步加強。

由于教學內容和現代企業對于工程型應用人才的要求存在較大差距，因此迫切需要對機械原理實驗教學模式進行改革與創新。

2 機械原理實驗教學改革實踐

針對原有機械原理實驗教學內容簡單、過程相對枯燥乏味等問題，整合提升機械原理實驗教學內容，將其劃分成課內基礎實驗、獨立綜合實驗和競賽開放實驗3 個層次[6-7]。各層次之間的關系如圖2 所示。

圖2 機械基礎實驗層次設置

2.1 分層開設實驗

2.1.1 課內基礎實驗

基于目前機械原理實驗教學現狀，將基礎認知、驗證實驗作為第一層課內基礎實驗。該實驗中設置的實驗項目有機構運動認知實驗、機構運動簡圖測繪與分析[8]、漸開線齒輪參數測定及嚙合傳動機實驗等，目的是使學生通過完成這些基本實驗熟悉常用的機械零件、掌握基礎的機械原理知識與基本概念，從而培養學生注重分析機械工作原理的意識，同時使學生能夠熟練繪制機械原理簡圖，分析機構自由度，熟悉常用的傳動機構，并掌握齒輪各個參數對齒輪作用效果及常用的傳動方式。

2.1.2 獨立綜合實驗

在該實驗中，學生需要使用慧魚創意組合模型自己完成機械結構設計、零部件組裝（模型）、控制方式選擇等設計內容，掌握機構設計、運動、控制等過程的原理，逐步培養利用已有知識解決問題的能力，同時探索培養學生的創新思維和實踐能力。學生完成設計構思后，可利用慧魚模型中常見的基本構件（齒輪齒條、渦輪蝸桿、皮帶、凸輪、桿件）搭建各式各樣的機械原理模型，之后結合輔助傳感器、控制器、執行元件和控制程序驗證其技術過程能否實現，從而為實驗教學、創新設計和工業生產線原理可行性提供依據。搭建的慧魚起重機模型如圖3 所示。慧魚創意組合模型除了機械元件外，還包含電氣元件、氣動元件、機械手和夾具等豐富的元器件，學生可根據設計意圖隨意組合擴展。另外，同學除了自行搭建外，也可以結合機電、機制、機設以及車輛專業的不同特點并參考實際工程案例進行延伸拓展創新。

圖3 慧魚起重機模型

2.1.3 競賽開放性實驗

競賽開放性實驗屬于課余開放性選修實驗，競賽項目主要包括3D 大賽、機械創新設計大賽以及大學生工程訓練競賽等。該教學模式依托機械類競賽進行教學改革，是培養機械專業學生創新和工程實踐能力的重要途徑。學生通過實驗項目立項和研討分析，借助各種輔助設計軟件能夠完成機械幾何零件的參數設計和機械機構運動仿真分析。可以根據需要逐步動手制作完成整個作品，在整個過程中學生可以學習到工程應用軟件的相關知識和技能，教師在此基礎上可以進一步引導學生利用這些軟件進行機械原理仿真和實驗結果分析。

以全國大學生機械創新設計大賽為例，在主題為“智能家居、幸福家庭”的第九屆“中鐵工業杯”競賽中，集美大學誠毅學院共有5 組作品從福建省省賽中脫穎而出，占據了福建省推薦參加國賽總數（14項）1/3。由此成績可以看出，學生的競賽成績一方面是依托學校的精心籌劃與組織，另一方面也是學生機械創新設計能力和動手實踐能力提升的體現。在最后的國賽中，5 件作品獲得了2 項國家一等獎，3 項國家二等獎的好成績。其中，“智能折疊多功能一體桌”這件作品是學生在實際上課過程中通過觀察桌子結構，并利用所學知識設計而成的。在設計過程中，學生以獨立綜合實驗逐步的驗證自己想法的可行性，然后利用課余時間學習單片機和實物模型制作等知識，并結合減速電機、同步帶傳動機構等知識完成了實物樣機制作。可以看出，結合競賽開放性實驗能夠調動學生的自主探索學習興趣，進一步鍛煉學生利用所學知識分析問題和解決問題的能力。

通過3 年的實踐發現，這種模式的教學不但激發了學生主動學習的興趣，提高了學生的設計效率，而且拓展了學生創新設計思維能力，培養了學生的動手能力。通過相關企業的學生滿意度問卷調查，結果如圖4 所示，發現在這種模式下培養的3 批學生在就業市場中更受企業的青睞，且能夠更好地適應現代企業對工程型應用人才的要求，運用所學原理知識解決實際問題的能力較強。

圖4 企業滿意度調查結果

2.2 開放性管理與考核

實驗考核是對學生整個實驗過程的綜合考評。科學合理的考核管理制度有利于激發學生的學習興趣，根據不同層次的實驗要求，具體應采用不同的考評管理辦法，如圖5 所示。

圖5 考評管理辦法

2.2.1 課內基礎實驗考核

第一層次的課內基礎實驗需要以班級為單位進行實驗教學，考評時需要按照實驗考勤、實驗表現和實驗報告情況評定實驗成績，并將其作為機械原理課程總成績的一部分。

2.2.2 獨立綜合實驗考核

獨立綜合實驗考核除了要學習實驗涉及的基礎機械原理外，還有機械設計、機電一體化、可編程控制、液壓與氣動等多門課程，因此獨立綜合實驗經常在學生選課課程中出現，完成后才能獲得選修學分。獨立綜合實驗由教師預先布置實驗主題，然后分小組完成實驗項目。每個小組根據主題內容，在規定的期限內完成查找資料、自由發揮設計和完成慧魚模塊搭建等實驗項目。最后在實驗考試考察階段，學生需要總結匯報自己的設計意圖、完成情況及作品演示，以鍛煉提升學生自身的表達與溝通能力，教師根據綜合表現給小組成員評定成績。在評定成績時，平常成績（10%＋40%）和最后實驗考試考察（50%）的比重相當，減少了學生只重視期末考試而忽略平時積累的情況。

2.2.3 競賽開放性實驗考核

競賽開放性實驗只面向對機械類學科競賽感興趣的學生。參與學科競賽是激發學生主動探索興趣和提升綜合實踐能力的重要方式，學生在此期間往往會在實驗室中單獨學習，所以一定要考慮實驗安全問題。結合企業培訓考核合格上崗制度，學校也可實行實驗室準入制度，學生要預先通過實驗室考試才能在實驗里學習。實驗室準入培訓包含了實驗室準則、安全操作規范、應急避險方案、急救操作等模塊的培訓與考試。在使用具體實驗臺時還要參與具體機臺操作學習并通過考核，才能將相應機臺刷卡上電，否則無使用權限。使用權限可與校園卡綁定，當學生沒有遵守安全使用規則時，管理教師可以取消學生的使用權限，學生只有再次學習合格后方可再次進入實驗室。實驗室應定期組織學生進行安全培訓和安全應急預案演練，以培養學生的安全職業意識。在整個實驗過程中師生全程共同參與方案可行性論證、方案實施和競賽組織，避免學生在此期間遇到問題時無人指導。學生完成整個競賽開放性實驗可根據學院管理辦法，由實驗中心統一認定獲得相應的獎勵性學分。

3 結語

本文針對學校現階段機械原理實驗教學中存在的不足，提出課內基礎實驗、獨立綜合實驗、競賽開放實驗的3 個層次實驗教學。其中，第一層可使學生掌握基礎知識，第二層次注重學生動手實踐能力和設計創新能力的培養，第三層次注重職業安全意識和自主探索能力的培養。針對3 個層次實驗教學設計了合理的考評機制進行科學考評，能夠提升學生學習的主動性，也為后續機械原理實驗教學提供了借鑒。