提高學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)的齒輪振動教學(xué)實驗設(shè)計

摘要：為了滿足新時代下我國對新工科人才的需求，各高校積極推進新工科教學(xué)體系改革。齒輪振動實驗屬于機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的典型實驗課程，基于齒輪振動實驗設(shè)計方法，制定了符合新工科理念的實驗改革原則，確立了實驗內(nèi)容，教學(xué)方法以及評價標(biāo)準(zhǔn)。并通過開展調(diào)研會的形式了解學(xué)生問題和意見，不斷優(yōu)化教學(xué)方法。以提高學(xué)生自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)的實驗教學(xué)設(shè)計方法，在新工科背景下的教學(xué)模式對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了積極的促進作用。

關(guān)鍵詞：新工科；教學(xué)改革；齒輪振動實驗；教學(xué)方法；自主創(chuàng)新能力

中圖分類號：G420文獻標(biāo)識碼：A

ExperimentalDesignofGearVibrationTeachingwiththe

GoalofImprovingStudents'InnovativeAbility

LuWenjia1*OuYangji1HuangKe2ZhanQianping1TanKaitian1WuZefeng1

1.CollegeofMechanicalandAutomotiveEngineering，ZhaoqingUniversityGuangdongZhaoqing526061 ；

2.ZhaoqingNo.1MiddleSchoolGuangdongZhaoqing526040

Abstract：Inordertomeetthedemandfornewengineeringtalentsinthenewera，collegesanduniversitiesactivelypromotethereformofnewengineeringteachingsystem.Gearvibrationexperimentisatypicalexperimentalcourseformechanicaldesign，manufacturingandautomation.Basedontheexperimentaldesignmethodofgearvibration，experimentalreformprincipleisformulatedconformingtothenewengineeringconcept，andtheexperimentalcontent，teachingmethodandevaluationstandardareestablished.Throughtheformofconductingresearchcounciltounderstandstudents’problemsandopinions，andconstantlyoptimizeteachingmethods.Theexperimentalteachingdesignmethodaimingatimprovingstudents’abilityofindependentinnovation，andtheteachingmodeunderthebackgroundofnewengineeringhaveplayedapositiveroleinpromotingthecultivationofinnovationability.

Keywords：Newengineering；Teachingreform；Gearvibrationexperiment；Teachingmethods；Independentinnovationability

隨著現(xiàn)代工業(yè)的未來帶來了更多的可能性，同時也帶來了一系列需要我們不斷發(fā)展，越來越多的機械產(chǎn)品走向智能化、專業(yè)化。由學(xué)科交叉產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)讓生產(chǎn)機械產(chǎn)品的技術(shù)飛速迭代，成為我們?nèi)ヌ魬?zhàn)和面對的新問題。僅僅學(xué)好一門專業(yè)知識已經(jīng)無法滿足企業(yè)乃至國家的需求，于是國家推動新工科建設(shè)戰(zhàn)略舉措，引領(lǐng)我國高等教育改革［1］，為高校培養(yǎng)未來工程人才提供了新的發(fā)展方向，2017年6月，教育部辦公廳發(fā)布改革指南，強調(diào)圍繞工科學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)、課程設(shè)置、實習(xí)實訓(xùn)安排、體制機制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展研究，深入分析我國工科學(xué)生工程實踐能力的現(xiàn)狀和問題，設(shè)計評價體系，指導(dǎo)改革實踐［2］。各高校積極推進新工科建設(shè)，對傳統(tǒng)教學(xué)模式進行改革并進行優(yōu)化，努力培養(yǎng)出具有扎實理論基礎(chǔ)，創(chuàng)新思維和實踐能力的復(fù)合型人才［3］。

齒輪振動實驗作為機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的基礎(chǔ)實驗課程，傳統(tǒng)的教學(xué)實驗方法主要依賴于教師傳授與演示，學(xué)生缺少自主參與和主動設(shè)計實驗的過程，在國家新工科教學(xué)改革的推動下建立以學(xué)生自主設(shè)計和自主創(chuàng)新為目標(biāo)的實驗教學(xué)方法，符合國家對于新時代創(chuàng)新型人才的戰(zhàn)略需求［4］。齒輪傳動是連接原動機和動力輸出端不可或缺的一部分，通過它可以實現(xiàn)機器的增速，減速等多項運動功能。然而，由于齒輪在傳動過程中容易由于自身振動而引發(fā)故障，因此對齒輪振動進行研究并進行故障診斷具有重要意義［5］。作為機械設(shè)計課程必不可少的一部分，它主要考察了學(xué)生對齒輪的理論知識，齒輪耦合方法和齒輪相關(guān)分析的掌握和應(yīng)用情況。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗和課程反饋，在齒輪振動研究教學(xué)中存在以下問題。

（1）教學(xué)過程沒有完全基于學(xué)生的認識規(guī)律，教師與學(xué)生的見識不同，給學(xué)生提出的問題，可能不是學(xué)生想了解的，學(xué)生對知識的應(yīng)用不夠全面，沒辦法在研究實驗獲得興趣。

（2）參與研究實驗的時間少，齒輪振動的研究關(guān)系比較多且復(fù)雜，沒有當(dāng)場親自實踐，只憑理論考試，對學(xué)生能力的考查方式過于單一，無法完全判斷學(xué)生是否掌握相應(yīng)的知識并能夠靈活運用機器。

（3）實驗內(nèi)容較枯燥，無法充分調(diào)動學(xué)生積極性，導(dǎo)致學(xué)生在實驗過程存在抄襲，從而無法判斷學(xué)生是否掌握相關(guān)知識。

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，國家對于復(fù)合型人才的需求越來越大，學(xué)生如果只是掌握相應(yīng)的知識，已經(jīng)遠遠不能滿足社會的需求，重視新工科背景下當(dāng)代大學(xué)生核心能力的培養(yǎng)［6］，建立以學(xué)生為中心的實踐教學(xué)案例設(shè)計［7］，符合新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量通用標(biāo)準(zhǔn)的要求［8］。這就需要指導(dǎo)學(xué)生在理論知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)不斷開拓自己的思維去解決相應(yīng)的問題。培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，并積極投入實踐中，只有這樣才能不斷提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，成為符合時代發(fā)展的綜合型人才［9］。

1齒輪振動設(shè)計實驗改革原則

新工科理念就是以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，以培養(yǎng)跨學(xué)科、綜合全面、創(chuàng)新能力強、面向未來能夠適應(yīng)并引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的新人才為目標(biāo)的培養(yǎng)觀念。基于該觀念從研究內(nèi)容改革和教學(xué)改革兩方面入手，能夠很好地滿足新時代培養(yǎng)人才的需要，全方位提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1.1研究內(nèi)容與工程實際和科技前沿相結(jié)合

通過引入相關(guān)的工程實例，讓學(xué)生不僅可以了解工程實驗中的相關(guān)知識和經(jīng)驗，還可以知道自己所學(xué)知識在工程實例中如何運用，提高學(xué)生的認知和思考能力。讓學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)充分吸收相關(guān)實驗的新方法、新理念等，并在學(xué)習(xí)和研究中運用，以此作為課程學(xué)習(xí)的補充和擴展。

1.2培養(yǎng)目標(biāo)面向提高學(xué)生的綜合能力

實際工程的問題往往涉及的知識要比自身專業(yè)所學(xué)的知識要多得多，對學(xué)生的綜合能力要求較高，往往需要通過團隊協(xié)作和教師指導(dǎo)，才能夠很好地解決問題。在這個過程中通過讓教師扮演一個引導(dǎo)者和協(xié)助者的角色，引導(dǎo)學(xué)生提出問題，積極參與討論和合作，鼓勵學(xué)生發(fā)表自己的見解，關(guān)注學(xué)生在實驗過程中分析能力和實踐能力的培養(yǎng)。

2齒輪振動實驗設(shè)計教學(xué)實施

齒輪振動實驗教學(xué)設(shè)計是以新工科建設(shè)要求為目標(biāo)和指引，在現(xiàn)有實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，合理設(shè)置實驗?zāi)繕?biāo)、實驗內(nèi)容和評價準(zhǔn)則，注重以學(xué)生為中心，通過“小組制”和“項目制”的教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和自主創(chuàng)新能力的實驗教學(xué)模式。

2.1確立實驗?zāi)繕?biāo)和要求

為了能夠落實學(xué)生能力培養(yǎng)，在實驗過程中首先要明確實驗?zāi)繕?biāo)和要求。參考機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)培養(yǎng)方案，對照新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)對學(xué)生在齒輪振動實驗過程中設(shè)置以下要求：

（1）掌握齒輪傳動相關(guān)的工程基礎(chǔ)知識，再學(xué)習(xí)齒輪振動的基本理論，齒輪故障類型及其振動特征和振動信號的采集與處理方法，并能將其用于解決工程應(yīng)用中有關(guān)齒輪傳動的相關(guān)問題。

（2）通過齒輪振動測試平臺及傳感器所需調(diào)試的振動測量設(shè)備，以及數(shù)據(jù)的記錄工具，學(xué)會如何設(shè)定實驗參數(shù)，采集和處理實驗數(shù)據(jù)并進行分析總結(jié)，再通過網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)三維軟件和仿真分析軟件的使用，簡化并構(gòu)建出實驗設(shè)備模型進行動力學(xué)仿真，且能將其應(yīng)用于實驗設(shè)計的合理性檢驗。

（3）能結(jié)合文獻、實驗、仿真、調(diào)研，對實際工程問題的影響因素和關(guān)鍵環(huán)節(jié)等進行分析鑒別。

（4）能自主利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源拓展專業(yè)知識，深化學(xué)科思維，豐富個人的專業(yè)知識體系。

2.2設(shè)定齒輪振動設(shè)計實驗內(nèi)容

以現(xiàn)有實驗設(shè)備和教材資源為基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源，對照實驗?zāi)繕?biāo)和要求設(shè)立實驗內(nèi)容。依據(jù)新工科建設(shè)目標(biāo)設(shè)計出若干個項目教學(xué)方案，并成立多個小組進行項目實驗；按照行動回路設(shè)計教學(xué)思路，將整個實驗教學(xué)過程分解為多個模塊，各模塊之間有機結(jié)合又層層遞進，從而在實驗教學(xué)實施的過程中調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，傳授給學(xué)生基礎(chǔ)理論知識，同時培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力。該實驗主要包括搭建試驗臺和測試數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件得到瀑布圖、時域圖和時頻圖等圖，由此直觀地反映出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)，再通過SolidWorks建立出三維模型導(dǎo)入仿真軟件進行仿真分析，以找到優(yōu)化齒輪系統(tǒng)的方法。具體實驗內(nèi)容如圖1所示。

多小組實驗?zāi)芡瑫r進行多個項目教學(xué)方案，每個小組內(nèi)又分出“測試員”與“后處理員”兩個工種。教師在教“測試員”使用測試儀器和實驗設(shè)備的同時，“后處理員”通過網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)振動信號分析軟件并對實驗數(shù)據(jù)進行采集和處理，圖2為進行振動實驗的實驗操作臺。之后再進行工種互換彼此交流學(xué)習(xí)。通過這種方式，能有效培養(yǎng)小組的協(xié)作能力、實現(xiàn)學(xué)習(xí)資源共享、促進小組內(nèi)“教學(xué)相長”，提高學(xué)習(xí)效率。

綜述撰寫要求學(xué)生查閱大量相關(guān)文獻及各類資源，了解行業(yè)及該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并將收集到的資料進行系統(tǒng)地歸類和總結(jié)撰寫綜述報告。教師提前給出綜述撰寫的一般思路，并要求學(xué)生自主查閱文獻，利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源初步撰寫報告。再給出2～3篇范文，并幫助學(xué)生修改報告的格式錯誤及內(nèi)容偏差、理解綜述撰寫的意義。通過這種方式，讓學(xué)生初步體會項目或研究開展的“第一步”，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維、網(wǎng)絡(luò)資源檢索能力及綜述報告撰寫能力。

值得一提的是，對于齒輪振動設(shè)計實驗，在綜述撰寫前，教師先帶領(lǐng)學(xué)生使用測試儀器采集設(shè)備振動信號，由“后處理”小組對信號分析出圖，圖3為通過某LMS測試分析軟件得到軸承振動加速度時頻圖，圖4為齒輪振動分析得到的齒輪振動信號的時頻圖。教師再進行相關(guān)知識的講解，以便學(xué)生查閱文獻資料時對該領(lǐng)域知識的學(xué)習(xí)與綜述撰寫時對實驗內(nèi)容及預(yù)期成果的定位。

建模要求學(xué)生對實驗設(shè)備各類零件通過看、測、繪的方式進行全面感知，結(jié)合實驗設(shè)備說明書上的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用三維軟件對實驗設(shè)備建模，圖5為學(xué)生通過建模軟件建立的三維模型。學(xué)生在建模的過程中需要學(xué)習(xí)齒輪及其配件的相關(guān)知識，理解實際零件在整體設(shè)計中的安裝和作用，在此基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)KISSsoft等專業(yè)的機械設(shè)計軟件。學(xué)生利用KISSsoft生成齒輪模型進一步校驗自己用三維軟件構(gòu)建的齒輪零件，并在接下來的仿真分析模塊中，分別對兩種模型進行仿真分析處理，將仿真結(jié)果與KISSsoft的計算結(jié)果進行對比驗證。通過這樣的學(xué)習(xí)方式，引起學(xué)生對參數(shù)化建模和批量化處理等輔助設(shè)計處理方法的重視。并結(jié)合ADAMS等動力學(xué)仿真分析軟件對實驗測試過程和實驗響應(yīng)結(jié)果進行理論分析，提高學(xué)生的理論建模能力與創(chuàng)新思維。

仿真分析是將構(gòu)建出的設(shè)備模型導(dǎo)入仿真分析軟件，對齒輪系統(tǒng)進行動力學(xué)仿真。這要求學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)仿真軟件的使用，同時需要對所建模型的合理性進行驗證。在確定模型運動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要進一步學(xué)習(xí)了解齒輪及其配件的材料屬性，在教師的指導(dǎo)下設(shè)定參數(shù)、設(shè)計變量進行仿真分析并優(yōu)化設(shè)計。

建模與仿真分析都要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)新軟件，旨在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識、新技術(shù)去解決問題的能力。在此過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)實驗設(shè)備的運行結(jié)構(gòu)及材料屬性，并進一步驗證其合理性，旨在擴展學(xué)生的專業(yè)知識并加深對所學(xué)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識及實驗驗證能力，為其以后自主設(shè)計奠定基礎(chǔ)，以達成培養(yǎng)其自主創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

2.3落實以學(xué)生為中心的教學(xué)方法

基于以上實驗教學(xué)內(nèi)容，落實以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)方法，能夠更有效地實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力及創(chuàng)新能力的目標(biāo)。在建構(gòu)主義教學(xué)中，教師的角色是引導(dǎo)者和協(xié)助者，教師通過創(chuàng)建一個充滿挑戰(zhàn)和支持的學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生提出問題、積極參與討論和合作，鼓勵學(xué)生發(fā)表自己的見解，并在必要時提供指導(dǎo)和支持。這就要求教師在實驗教學(xué)過程中需要注意以下幾點：

（1）采用“先問題再學(xué)習(xí)”的方式。例如，建模環(huán)節(jié)直接給定目標(biāo)，學(xué)生在觀察實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)、測量相應(yīng)零件數(shù)據(jù)后進行建模軟件的學(xué)習(xí)時，能明確意識到所學(xué)內(nèi)容的實際應(yīng)用，且能及時應(yīng)用于實驗。通過這種方式能有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)習(xí)效率，且對學(xué)生以后解決現(xiàn)有問題具有重要意義。

（2）實驗過程中學(xué)生遇到的重點問題或具有典型教學(xué)意義的問題不直接給出答案，而是引導(dǎo)學(xué)生思考探究解決方法并進行驗證，幫助其塑造解決問題的思維模式。

（3）對于實際存在但并未解決的問題，教師給予學(xué)生方向指導(dǎo)的同時鼓勵學(xué)生積極探索并提出自己的觀點。

2.4設(shè)立評價標(biāo)準(zhǔn)

新經(jīng)濟發(fā)展背景下，工程實驗教學(xué)的評價標(biāo)準(zhǔn)需對照新工科建設(shè)目標(biāo)去設(shè)定。傳統(tǒng)教學(xué)的評價標(biāo)準(zhǔn)注重理論知識的考核，實驗教學(xué)的評價同時注重能力、過程及實驗項目的難度和意義的考核。

（1）對理論的考核以考試為主，實驗教學(xué)也為考查理論知識的應(yīng)用提供了條件。

（2）對能力的考核在定量的同時也應(yīng)進行定質(zhì)評估。例如，對建模軟件的使用能力評價，一般通過考查建模的時間及其正確度和完整度，參照建模的難度進行評價。

（3）對過程的考核需對學(xué)生在實驗過程的貢獻進行定量評估，同時考查學(xué)生實驗過程中的學(xué)習(xí)積極性及個人品德等。

（4）對實驗項目的難度和意義的評價應(yīng)基于實驗的內(nèi)容和方向?qū)ι鐣l(fā)展的意義，同時對實驗教學(xué)的最終成果進行客觀評價。

3實驗反饋

為了進一步了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，優(yōu)化教學(xué)方案，在實驗結(jié)束后各組指導(dǎo)教師和各組學(xué)生代表開展實驗調(diào)研會，通過各個教師對其組學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題和采用的解決方法進行討論，通過集思廣益，得出一套適合大部分學(xué)生的教學(xué)方法。在這次會議中，不少學(xué)生代表表示通過在做實驗和解決工程問題中學(xué)習(xí)要比在課本中學(xué)習(xí)要有興趣得多，對學(xué)科知識的理解和記憶也更加深刻，還提出了小組分工不夠明確等問題，根據(jù)以上學(xué)生反饋的信息，為完善教學(xué)體系提供了明確的方向，基于學(xué)生代表提出的問題，老師們認真記錄并深入探討解決方案。他們決定在后續(xù)教學(xué)中更加注重小組分工的明確性，同時進一步增加實驗和工程問題的比重，讓學(xué)生在實踐中更好地掌握知識。相信通過不斷優(yōu)化，教學(xué)體系將更加完善，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也會顯著提升。

結(jié)語

在國家要求大力培養(yǎng)復(fù)合型人才的背景下，實驗教學(xué)模式應(yīng)調(diào)整為拓寬學(xué)生專業(yè)知識，深化學(xué)生學(xué)科思維，提高學(xué)生的認知和實踐能力，通過把理論知識和實際問題相結(jié)合，讓學(xué)生對自己所學(xué)的知識真正做到“學(xué)以致用”，讓教學(xué)成果得以更加具體化、直觀化地展現(xiàn)出來。在改革后的齒輪振動設(shè)計實驗中，學(xué)生通過自主搭建試驗臺并進行數(shù)據(jù)測試、設(shè)計建模、仿真分析和討論總結(jié)，不僅讓學(xué)生了解了齒輪振動的相關(guān)理論知識和分析方法，還在無形中培養(yǎng)了學(xué)生的團隊協(xié)作能力和解決問題的能力。這些為后續(xù)學(xué)生參加相關(guān)專業(yè)競賽（如挑戰(zhàn)杯等）打下了堅實的基礎(chǔ)。這種實驗教學(xué)模式的重要性和意義重大，它不僅能滿足國家對復(fù)合型人才的培養(yǎng)需求，還為學(xué)生的未來發(fā)展開辟廣闊道路。通過實踐，學(xué)生將理論與實踐應(yīng)用緊密結(jié)合，提升綜合能力。這不僅有助于他們在專業(yè)競賽中脫穎而出，更能為他們未來步入社會、投入工作做好充分準(zhǔn)備。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金青年項目（52302521）；廣東省教育廳青年創(chuàng)新人才項目（2022KQNCX099）

*通訊作者：魯文佳（1989—），男，河北承德人，博士研究生，副教授，主要從事機械動力學(xué)、機械可靠性方面的科研與教學(xué)工作。