“机械原理”实验课程教学的改革

司 慧 王猛猛

(北京林业大学工学院，北京 100083)

“机械原理”实验课程教学的改革

司 慧 王猛猛

(北京林业大学工学院，北京 100083)

通过开展研究性学习活动，修正教学理念，强化认知实习教学模式。为了增强学生动手实践机会，采取了以下几方面的措施：增加了机械基础认知实习、单独开设了“机械原理”实验课、向学生全天开放实验室、与课程设计和机械创新设计大赛相结合开展教学活动等。这些措施促进了学生个性化的发展，培养了一批深造于国内外知名高校和院所的创新型人才。

研究性学习；机械原理；实验教学；创新型人才

自20世纪80年代以来，以在认知主义基础上发展起来的建构主义学习理论为基础的研究性学习方式，已被人们普遍认为更适合于信息时代高级知识的学习。这个理论强调学习的主动性、社会性和情境性，认为知识不仅是通过教师传授获得的，也是学习者在一定的情境中，利用他人的帮助和必要的学习资料，通过意义建构的方式获得。对于工科专业的学生，这个“情境”就是将学生置于接近真实的、复杂的任务或问题中，通过亲身实践完成学习任务。而实验室从功能到设施，恰到好处地提供了这样的条件。因此，笔者认为在开展研究性学习活动和建设实验室的同时，有必要对“机械原理”实验课程的实践教学模式做一些改革。

一、“机械原理”实验课程教学的现状和存在的问题

一直以来，高等林业院校工科专业的基础教学活动相对较弱，实践教学环节的教学工作存在很多问题，具体表现如下。

(一)忽视实践环节

传统教学模式过分注重理论课的教学工作，课程设置大都以理论课程为主，对实验课教学的重视程度不够。实验课的主要目的是为了验证、巩固和加深理论知识的内容，而不是对理论知识进行深入的研究与创新，这严重影响了实验课的教学质量。

(二)实验内容陈旧、重复

传统的“机械原理”实验课一般是孤立的、缺乏系统性的，而且实验内容是单一、不变的。由于传统的“机械原理”实验课程缺少让学生设计的设计性实验，所以学生的创新能力、动手能力得不到提高。另外，由于“机械原理”实验课程没有一套完整的课程体系，致使实验课程内容缺乏系统性和综合性，不利于学生对综合知识的学习和掌握。

(三)实验设备陈旧、数量少

由于多年来积累的经费短缺、对实验教学工作重视不足等问题，致使高等林业院校工科专业实验室的一些设备没有得到及时的更新，使得实验设备陈旧、落后，种类和数量也都有限，不能满足“机械原理”实验课程教学的要求。

(四)实验课教学力量薄弱

随着招生规模和实验室发展规模的扩大，实验课教师严重不足，导致实验课教师忙于实验，没有时间和精力开展科研工作，致使实验课教师队伍力量薄弱。另外，很多高校对实验课教师重视程度不够，很多高学历的教师不愿承担实验课的教学工作，也导致实验课教师队伍力量薄弱。

(五)实验室资源没有得到合理的利用

实验室仅仅在学生做实验的时候开放使用，其他时间空闲，这使得本来就稀缺的实验室资源没有得到充分、有效的利用。这样的现状和问题制约了学生研究性学习活动的开展，不利于创新型人才的培养。

二、“机械原理”实验课程教学改革的措施

(一)加强机械基础认知实习

为了能够早日使学生对所研究对象有感性的认识，热爱所学专业，开拓眼界，增长见识，了解更多的机构和零部件，笔者让学生在实验室开展为期3天的认知实验活动。学生通过开展机械基础认知实习活动，增强了感性认识，调动了学习机械类课程的积极性。

(二)增加实验教学比重，单独开设实验课

自2007年以来，北京林业大学工学院陆续增加了实验课的教学比重，将机械类专业学生的实验合并为“机械基础实验”课程，并单独作为一门课程开设。而机械、车辆、自动化、木材科学、包装工程等专业的16个班的学生都要参与“机械基础实验”课程的学习。

(三)分层开设实验

结合北京林业大学现有实验教学条件，笔者将“机械原理”实验课程按实验类型和实验方式分层开设，其实验体系构架见图1。

图1 “机械原理”实验课实验体系框架

认知和验证实验是让学生对理论知识有更深刻的认识和理解。学生通过认知实验，认识课堂所学的理论知识，主要包括对机构类型、简单机器各个组成部分、主要结构的认知；验证实验主要包括机构运动简图测绘、机构运动参数测试实验、齿轮参数测量实验、齿轮范成加工实验、转子动平衡实验等。认知和验证实验是机械类和近机类专业的基础层面实验，是学生的必修实验。综合性实验是让学生进一步掌握机械系统的工作原理、承载特性等内容的实验，目的是培养学生的动手能力、数据采集能力、分析与解决问题的综合能力。其主要包括典型机构运动规律测试实验、平面连杆机构创意设计实验、凸轮机构的设计实验、机构系统的自主创新搭接实验。这部分实验主要针对机械类专业开设，可以作为学生的选修实验。创新设计实验旨在培养学生的创新意识和创新能力，将其设为开放性实验，主要是以创新为目的的各类科技活动制作实验，是为学有余力的学生提供的个性化实验，目的是使学生得到更好的锻炼和个性化的发展。

(四)实验室全天开放

实验室全天开放，不仅能保证学生随时到实验室开展动手实验活动，而且有利于调动学生学习的积极性和主动性，提高学生的实验技能和动手能力。虽然实验教师人数相对较少，但可通过吸引研究生，甚至优秀的本科生参与实验室的管理工作和实验的指导工作，确保实验室晚上及全天向学生开放。

为了保证实验室全天开放工作的顺利进行，学校制定了开放实验室的具体实施办法。①明确宣布实验室开放的时间，规定好学生必做实验和选做实验的最少实验个数；②制定了学生应遵守的规章制度；③分阶段公布实验室开出的实验项目；④限定学生完成实验的日期。实验室全天开放，使学生能根据自己的情况，随时到实验室预约实验；也吸引了有兴趣参加相关竞赛、需要动手设计实验的学生根据需要到实验室工作。

实验室全天开放还能促使指导教师改革实验教学方法，做到少讲、精讲，并将重点放在实验前的准备工作上及对学生实验过程的巡视上。另外，实验室全天开放解决了仪器设备利用率不高的状况，不仅充分发挥了设备在实验教学中的作用，也促进了实验室管理和建设工作的开展。因此，实验室的全天开放不仅是时间的开放、人员的开放，更是功能的开放。

(五)尽可能提供真实的学习情境

研究性学习强调在教学过程中创设丰富的学习情境，并以此作为载体开展教学活动。学习情境可以由教师通过精心的构建来获得，也可以由学生在实际的环境或模拟的环境中去实现知识的建构。而实验室恰当地营造了这一真实的学习情境。教师可以在实验室对相关内容的理论知识进行讲授，并结合实验室随处可见的机构、机器和模型等物体开展生动、具体的提问活动，让学生理论联系实际、有的放矢地讨论和学习。

(六)增加学生动手实践的机会

除了实验外，教师可以在每个章节都设置相应的实践内容，比如在平面连杆机构这一章节，教师可以让学生以小组为单位动手制作连杆机构。连杆的长度可以任意选择，但要记录每个连杆的运动情况，并说明连杆机构的类型、特点，以及取不同长度连杆为机架时其相对运动的情况。这样会使学生自然感受到杆的长度和曲柄连杆机构的存在关系，进而导出平面连杆机构的其他特性，如死点位置等特性。

另外，教师还可以利用实验室现有条件，让学生以研究小组的形式对简单机械的零部件进行解剖，如学生拆装实验室的缝纫机、自行车、金相镶嵌机及一些常用的机械产品等。学生通过拆装产品，了解机器的组成、结构、工作原理及构件的运动情况，并提交一份完整的实习报告。

(七)与机械创新设计大赛相结合

“机械原理”课程实验室可以作为机械创新设计大赛参赛学生研讨问题、手工操作、修配的工作地点，学生利用这个工作地点边设计、边讨论、边动手、边修改。学生在宽松的氛围、身临其境的实际工作环境中培养灵感和创新精神。同时，之前的参赛获奖作品也陈列在此，增强了学生对赛事的了解，开阔了眼界，并为学生提供了积极向上的力量。另外，这里的有些作品学生还可以继续完善和深入研究，并作为其课程设计、毕业设计等的课题。

通过以上措施，构建了“机械原理”实验课教学新体系，使得实验不再是辅助环节，而是教学必须具备的认识基础。另外，让学生身处这样的环境之中，可以让学生模拟、创设问题的情境，提高学生的动手能力和团队合作精神，并培养学生的创新意识，这对于开展研究性学习活动，激发学生学习兴趣，对于探索、讨论问题等至关重要。

三、“机械原理”实验课程教学改革的效果

第一，在实验室开展的研究性学习活动，突破了传统实验室的功能，对实验课教师提出了更高的要求，也扩展了实验教学体系的范围，增强了学生动手实践的机会。

第二，构建了新的实验教学体系，为学生提供了开放式的教学环境，促进了学生个性化的发展。

第三，扩展了学生的知识面。在实验室中开展的各类实践活动通常要求学生设计、搭建、制作实物装置，包括原动机、工作机、控制器等部分的设计，而这些设计涉及机械设计、驱动技术、CAD绘图、运动学仿真及控制原理等方面的知识。

第四，取得了好的培养成绩。学生在参加教学研究项目、大学生创新实验计划项目、机械创新设计大赛等活动时，取得了一些成果。比如在2010、2012年的大学生“机械创新设计大赛”中获得国家级一等奖、二等奖各1项，北京市一等奖3项、二等奖7项、三等奖2项。另外，学生在参加这些活动中，培养了科学素养，2009级有4名学生进入了美国哥伦比亚大学、匹兹堡大学和德国的高校读研，同时还有多名学生保送到国内知名高校和院所读研。

[1] 司慧，于文华，田野，等.开展研究性学习 促进创新型人才培养[J].辽宁师范大学学报，2009(增刊)：104-106.

[2] 杨叔子，吴昌林，张福润.四论创新之根在实践[J].高等工程教育研究，2006(2)：3-6.

[3] 杨昂岳，毛笠泓，夏宏玉.实用机械原理与机械设计实验技术[D].长沙：国防科技大学，2009：1-20.

[4] 杨叔子，张福润.创新之根在实践[J].高等工程教育，2001(2)：9-12.

[5] 司慧，王海明，钱桦，等.指导学科竞赛 促进创新型人才的培养[J]，中国林业教育，2009，27(增刊)：90-92.

(责任编辑 孙艳玲)

北京林业大学2013年教学研究项目“面向创新能力培养的机械原理实验教学体系建设”，项目编号BJFU2013JG034。