机械基础实验教学改革的探索

2013-05-16钟东阶蒋国璋

实验室研究与探索 2013年2期

钟东阶，蒋国璋

（武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉 430081）

0 引言

实验教学是学生巩固和深化理论知识的重要途径，也是培养学生基本技能、发现和解决实际问题能力、自主学习能力、创新和工程能力的重要途径，有利于学生自身个性化发展和全面发展［1-4］。目前，我国工科院校的机械基础实验项目基本上还是按课程孤立设置，学生按照编好的实验指导书的要求，由教师指导按给定的步骤做，学生都是在“接受性学习”，缺乏“自主探究学习”，整个实验缺乏系统性、全面性以及创新性，实验效果很难提高，和学校专业人才培养计划中的期望与学生的实际水平尚存在较大差距［5-8］。因此，通过对原有的实验教学定位、教学理念、教学模式、教学方法和手段进行改革，对培养学生的工程实践能力、创新精神和创新能力等综合素质有着非常重要的意义。

1 教学先进性的定位

机械基础实验教学既要顺应机械专业通识教育基础上的宽口径专业培养模式，建立知识新、重心低、面向宽的创新性实验教学体系;又要遵循严格基本要求基础上引导学生个性发展的柔性化培养模式，实现以人为本和全面开放，突出因材施教和自主研学，个性化发展和全面发展，在教学理念、思路、方向，实验条件、实验内容、实验科目设置，以及实验技术、实验方法和手段、实验教学模式等方面具有较强的先进性。

2 教学改革理念的确定

机械基础教学实验坚持以人为本的理念，坚持知识、能力、素质协调发展，学习、实践、创新相互促进的实践教学理念和实践教学改革思路，根据学习过程的特点，分阶段、分层次、分类别对学生实践能力进行培养，启迪学生的扩散思维和创新思维、开发创新潜能、培养创新能力、强化机械工程训练、提高学生运用现代科学技术解决机械工程实际问题的能力和实践动手能力，构建集教与学为一体、理论教学与实践教学为一体、课内与课外教学为一体的实验基地;并通过校企合作的形式开展联合教学与培训，开展科学研究活动，不断提高教学水平和教学质量为目标，形成了自己具有鲜明特色的机械基础实验教学理念。

3 教学模式的改革

目前国内的大部分工科院校机械基础的实验教学还是依附于理论课教学，没有独立完整的体系，实验课时少，实验教学模式基本上是“实验指导书—课上实验—完成报告—教师批阅”的过程，其本质还是应试教育，实验只注重对理论知识的验证及基本方法与技能的训练，缺乏真正意义的综合和设计性实验，创新性实验基本上是空白［9-12］。

实验教学模式进行改革就是在实验教学中遵循学生为主体，教师为主导，学生自主实践的原则，引导学生在实验中发现问题、分析问题、解决问题，把对问题的认识逐渐引向更高层次。按照这种思路，我们对原有的实验进行整合，以减少验证性实验，加强综合性实验，增加设计性、创新性实验，由教师根据学生所学的知识和教学安排，分不同层次、由浅入深提出实验任务，学生自主选择实验内容、实验实验仪器设备、确定实验步骤及注意事项、经老师审核后完成实验内容、对实验结果进行分析判断、完成实验报告或实验论文的新模式。通过这种精心安排的有系统、有计划的实验教学，使学生达到由知识到技能，再由技能到素质的不断由量变到质变的转变。在时间安排上，课内课外并重，充分利用学生的课余时间，要求学生在课余时间完成一定的实验内容。另外，对相关的实验进行独立设课，改变原来的实验依托理论课的模式。进行独立设课使得学生通过一系列的实验，更进一步的加深对机械基础课的理解，同时将现有的课堂教学、专题研究、综合性大作业、课程实验、集中实践性环节向课外科技创新、科研训练、科技创新竞赛等活动延伸，不断丰富课内外一体化自主研学平台的内涵，使学生尽可能多地学做合一，扩大学生自主创新实践的内容，有效地启发学生的发散性思维。这样就可以推进学生做到真正意义上的自主研学，个性化发展、全面发展。

4 教学内容的改革

对机械基础实验教学内容和课程体系进行改革，我们进行了大量的调查研究，结合教学大纲和社会发展的需求，按照分层式实验教学的模式;增加实验内容和实验项目;增加实验的开放性，综合性、设计创新性的思维方式，对机械基础实验教学课程体系进行了改革［13-15］。机械设计基础实验课程体系设置见表1。

表1 机械基础实验课程设置表

分层次实验教学就是将机械基础实验课程设置为基础型、综合型、设计创新型实验层和课外科技创新实践活动层，每个层的实验要求不一样，这样对各门课程的内容进行综合应用，最大限度地提高学生的实践能力。

（1）基础型实验层。包括经典的传统实验和现代技术方法，熟悉常规仪器和设备的使用;系统强化学生基本技能训练，培养学生基本的实践能力，使学生具备宽广的基础理论知识。对于这类实验，为了取得更好效果，提高学生兴趣，我们作了一些改进。如机械原理实验中，在进行常用机构认知实验时，尽可能的介绍一些我们日常生活中用到的一些机构;在齿轮范成实验时，先进行计算机仿真进行齿轮模拟加工演示，然后让学生观察滚齿机、插齿机上真实齿轮加工过程，提高了学生学习的积极性，使学生较扎实系统地掌握机械工程各分支学科研究的基本实验方法和技术。

（2）综合型实验层。其内容包括通过各种现代技术实现对机械系统的设计、加工及性能检测等综合知识。例如在进行动平衡实验，我们在闪光式、硬支撑数字式动平衡机上，用各种不同的实际零件进行实验，让学生了解测试原理和方法，同时给学生介绍汽车轮胎不平衡会带来什么危害，以及如何校正轮胎平衡，这样就提高了学生解决实际问题的兴趣，以及学生认识工程问题、分析工程问题、解决工程问题的能力。

（3）设计创新型实验层。该类型实验由老师提出设计任务，学生自己设计实验方案，独立实施整个实验的过程，教师全程指导、启发和评价，使学生从科研选题、实验设计、实验操作、工程训练、结果分析、数据处理、文献查阅、撰写论文、报告与答辩等各个环节得到一次较为全面的创新能力和方法的训练，实施实验教学的人性化教育。实验的题材可来源于实际工程应用的典型结构，也可是最新的教学成果与科研成果，强调与实践结合，突出创新能力培养。例如“机构创意组合创新实验”以工程实物为原型，面向行业特色，特别以钢铁冶金企业生产中的典型机构，如用于钢板定尺剪切的飞剪机构、转炉倾动机构、颚式破碎机构等为实验对象，培养学生对专业的兴趣。此外，在实验中引入综合型创造技法以及连杆组合创新方法，激发了学生的创造激情，培养学生的创新设计能力;在部分实验中进行虚拟仿真，培养学生对现代工程软件的操作能力;实验中还融人传感器应用、数据采集与处理、运动控制等工程知识，进一步拓展了学生的知识面。

比如机械原理的“机构组合创新实验”，作为一个设计创新型实验，实验任务书：①要求学生熟悉各零部件之间的拼接，并按照给出的运动简图进行实际组装，并验证其相对运动情况是否与设计要求相符合;②由学生结合实际工程应用的结构，根据原始设计数据要求进行构思和设计机构运动方案（方案可以有多种），确定机构运动简图后;③学生运用基于ADA MS的机构虚拟设计和机构运动仿真对所设计的机构进行虚拟设计和运动仿真;④进行实际组装验证;最后进行结果分析，撰写实验论文。这样就达到启发学生强烈的发散思维的目的，在更高的层面上培养学生的创新能力、实际工程设计能力、及初步的科研能力，为培养创新型的复合人才打下良好的基础。

（4）课外研究创新型实验。学生课外研究创新的主要型式有：给定的有关题目;各种大学生科技活动;或者通过选拔一部分优秀学生直接参与老师科研子课题;产学研研究基地项目等，让学生从设计和组装开始，完成调试、测试及数据处理等一系列实验任务。面向全校所有本科生开放，通过学生课外科技创新活动不仅能够培养学生的创新精神、实践能力和工程意识，还对培养学生的团队精神、交流沟通能力、责任感和综合能力有很好的作用。

5 教学方法与手段的改革

（1）以学生为中心，实现自主实践为主的教学模式。将传统的实验指导书改为实验任务书，实验安排按照由浅到深，由验证、综合再到设计创新，以充分调动学生学习的主动性。学生通过实验教学掌握基本实验操作方法，正确地使用仪器设备，采集实验数据。并具有正确记录、处理数据和表达实验结果的能力;认真观察实验现象，并对实验数据及结果进行分析判断、逻辑处理、作出结论的能力;正确设计实验（选择实验方法、实验条件、仪器设备等），能通过查阅手册、工具书及其他信息源获得信息以解决实际问题的能力。

（2）提高实验教师素质。实验队伍是搞好实验室建设和提高实验教学质量的根本保证，进行实验教学改革要依靠实验教师，他们是进行实验改革的关键因素，无论是实验教材的编写还是改革传统的实验方式方法，引入新的实验阶段，哪一个环节都鲜明体现出实验教师的主导作用。因此，我校一方面对现有实验教师进行培训，提高他们的业务水平;另一方面选择实验能力较强，有一定科研能力的教师、研究生充实实验教师队伍，从而大大提高了实验教师素质。

（3）运用现代化技术及先进的实验教学手段。对传统仪器设备通过采用计算机虚拟、仿真技术、仪器设备测试分析等现代实验信息技术手段，把虚拟实验、仿真实验和现场实验检测相结合起来，使实验教学与科研及工程应用接轨，可有效提高了学生的学习兴趣，刺激学生参与实验的积极性。将实际操作和虚拟仿真、现场授课和多媒体课件、现场实验和网络化远程互动有机结合起来，充分利用网络、教学平台及各种实验教学媒体进行实验教学，激发学生的实验兴趣，提高实验结果的准确性和先进性，保证实验技术手段的实用性和新颖性，促进学生科学思维方法与创新能力的结合。同时让学生可以了解先进的科学技术及其应用，拓宽知识面，培养他们的实验技能和科研能力，起到了一举多得的教学效果。

（4）课外开放实验。在开放性实验室里，学生可以在任意支配的时间内从事规定的实验，也可以做课外的实验，以学生为主体，实验内容以学生自主设计、测试、制作为主。

（5）运用先进的实验教学考评方法。实验完成后要求每位学生写出实验报告或实验论文，要求既清楚陈述实验全过程，包括实验步骤的制定、操作技术、实验现象和实验结果，又能运用相关理论知识对实验数据和结果进行全面正确的分析。实验成绩采取平时成绩同实验报告或实验论文相结合的做法。平时成绩以学习态度、实验操作、实验能力为主要依据，占总成绩的20%。总评成绩按百分制综合评分。鼓励学生在实验中有所创新，对于有创新的学生，成绩从优。

6 结语

机械基础实验教学是工科院校学生学习的重要组成部分和人才培养的重要环节，是学生巩固和深化理论知识的重要途径，也是培养学生基本技能、发现和解决实际问题能力、自主学习能力、创新能力和全面素质的重要途径。因此我们要非常重视实验、实践教学环节，从实验室教学定位、教学理念、教学内容、教学方法与手段等诸多方面进行改革，保证实验教学的顺利开展，不断对实验教学进行改革以适应新形势下对人才培养的总体要求、提高实验教学的质量和水平。

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