改革课程实践环节 培养学生创新意识

张军昌+张李娴+郭红利+尤芳

摘要：机械原理课程实践教学对于培养学生的独立学习能力、科研工作能力、创造性思维能力、实验动手能力和表达能力等方面具有十分重要的作用。本文结合长期的教学经验，阐述了该课程教学实践环节改革的方向及其在创新意识和创新设计的能力培养过程中所起到的作用。

关键词：实践环节;机械原理;改革;创新意识

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）43-0091-03

随着社会的发展和教育体制的不断改革，培养学生适应社会的能力和提高学生的综合素质已成为高等教育的根本。在工科专业的整个课程体系设置中，机械原理是培养学生创新意识和创新能力的一门主干技术基础课程。为了能够真正通过扎实的实践环节来提高学生的创新意识和创新能力，我校借助学校和学院的各种条件和保证措施，对该门课的实践教学环节——课程设计、课程实验和创新设计大赛等不同的实践内容主要采取了以下不同的改革措施和方法。

一、机械原理课程设计教学环节的改革

从内容上讲，整个机械原理的课程包括课堂教学（包括实验教学）和课程设计两部分，其在时间安排上是相互独立的。课堂教学主要是以机构的分析为主要内容，重点是机构的结构分析、运动和动力分析以及参数的计算;作为课程中一个重要的实践环节，机械原理课程设计在培养学生的创新思维和动手能力方面具有重要的作用，所以在进行机械原理课程设计实践环节改革时，首先应当关注的是创新能力的培养。近几年来，为了满足教学发展的需求，我校机械原理课程设计先后经历了利用图解法实现机构的分析与设计，利用解析法实现机构的分析与设计和机械传动系统方案的设计三个阶段。在课程设计改革的过程中，我们始终坚持把培养学生的创新意识和创新能力作为改革的宗旨。

（一）机构图解法的分析与设计

在早期的机械原理的课程设计中，我们采用的是利用图解法实现机构的分析与设计。这种方法要求学生利用所学的基本理论知识，根据分配的设计题目，按照课程设计教学指南，一步一步地完成每一项设计任务。比如我们前期所进行的课程设计主要是要求大家利用课堂上所学过的机构理论分析方法、反转设计方法以及齿轮齿廓曲线的设计方法，通过手工绘图完成平面六杆机构的运动和动力分析，凸轮轮廓曲线的设计和渐开线齿轮齿廓曲线的设计。在整个设计过程中，虽然可以进一步巩固和加深学生在课堂上所学的理论知识以及增强学生的制图能力，对学生后续专业课和研究生入学考试可以奠定一个良好的基础，但由于在整个设计过程中设计题目、设计方法以及具体的设计步骤都是一定的，学生按照老师所编写的课程设计教学指南，“照猫画虎”很轻松地就可以完成所要求的各项设计任务。这样既不能充分发挥学生的空间想象力，又限制了学生运用理论知识解决工程实际问题的能力，更谈不上什么创新思维和创造性设计了。

（二）机构解析法的分析与设计

随着机械产品的设计逐渐向高速、高效和精密等方向的不断发展，使用者对机器的工作性能提出了更高的要求，同时系统的结构也变得更加复杂。由于图解法进行机构的分析与综合时，较大的误差积累可能使得所设计的机器或者机构不能很好地满足预定的设计要求，这也就限制了图解法的是应用场合。与图解法相比，解析法由于是通过数学方程的求解来获取机构或机器的结构、运动以及动力参数，所以其计算精度更能够满足现代化产品的设计需求。

利用解析法实现机构的分析与设计，首先要建立机构所需要的数学模型，然后再利用计算机编程来进行数学模型的求解，最终获得相应的机构或机器的结构参数以及运动和动力参数。常用的方法有矢量法、杆组法和三角形法等。

以平面连杆机构为例，采用矢量法进行运动和动力分析的步骤主要包括：

1.通过机构的机构分析，在选定机构比例尺和原动件初始位置的基础上绘制研究对象的机构运动简图;

2.通过引入的杆矢量，建立机构或机器对应的位置矢量方程;

3.通过位置方程的逐次求导，建立机构或机器对应的运动矢量方程，进一步求解获得杆件上各点的运动参量;

4.建立机构力的矢量方程，求解平衡力及运动副反力。

解析法可以在提高设计精度的同时避免出现“同一个问题，百人百解”的现象，也可以实现在满足精度要求的基础上对空间机构的分析。但分析和设计过程中所需要的数学模型的建立和求解具有一定的难度，同时对于结构比较复杂的机构，分析计算过程比较复杂。同时，在分析和设计的过程中，仍然是按照固定的思路和要求来完成所给定每一项设计任务，对学生的设计能力仍不能进行培养和锻炼。

（三）机械传动系统方案的创新设计

为了实现通过机械原理课程设计培养学生创新意识和创新能力的宗旨，为了强调理论与工程实际，创新设计有机结合的必要性，在进行课堂理论教学时我们借助于实例讲解，使学生掌握机构方案设计的基本和方法。然后在课程设计这一环节，要求学生根据自己在课堂上所学过的知识来完成一个具体的机械传动系统的方案设计。整个设计过程包括：确定设计题目、查阅文献资料、确定设计方案、撰写设计说明书以及设计交流汇报等5个环节，我们从每一个环节都进行了一系列的改革。

1.确定设计题目。不管是图解法的课程设计，还是解析法的课程设计，设计题目一般是由教师指定的。为了真正充分调动学生学习的兴趣，在进行机械系统方案设计时，设计题目是在不脱离机械原理课程内容的基础上来进行自由选择的。通过近几年的实践证明，有很多学生的设计题目极具研究和应用价值。

2.查阅参考文献调研。为了培养学生收集和运用信息的能力，学生在确定了设计题目以后，根据题目和设计任务的需要，可以通过查资料、上网等途径来获取一些与设计任务相关的参考资料。通过对所查得的参考资料的分析和研究，可以为后续的分析设计提供必要的帮助。为了避免学生在查阅文献时漫无目的，走更多弯路，教师应根据不同题目、不同的设计需要给予必要的提示。

3.确定设计方案。设计方案的确定是机械传动系统方案设计中较为重要的一个环节，为了发挥学生的主观能动性，在整个方案确定的过程中始终应以“学生为中心”。同时，教师在指导过程中，还要做到不同层次的学生，不同难易程度的题目能够区别对待。

机械系统方案设计中，我们关注的是方案的创新点，要获得具有一定创新意义的设计方案，可以从以下两个方面入手：根据设计任务的需求，通过查阅相关的文献资料发明新的机构;通过对现有机构的分析和总结借助于机构的改造来获得能够实现设计目的的机器或机构。

为了能够充分发挥学生的空间想象能力，在进行方案设计时，对于一个确定的设计目标，要求每一组学生至少要提出三种不同的可行方案，然后通过对所提出的方案的分析、比较，最后确定出最优的设计方案。针对于最优的设计方案，可以从机构的结构设计、运动和动力分析与设计、机器和机构的强度设计和计算仿真以及加工制作样机（这一部分要求在近几年的实践过程中，多数是通过学生的毕业设计来完成的）等几方面来完成。

4.撰写设计说明书。为了对整个设计过程做一个好的归纳总结，在完成了机构的分析与设计以后，还要求学生书写完整的设计说明书。设计说明书的主要内容包括：确定设计题目的依据、意义和必要性;方案设计、分析以及计算过程;课程设计的收获。

5.交流总结。设计交流总结这个环节主要是为了给学生表达能力的锻炼提供一个机会。而机械传动系统方案设计最终的成绩则可以通过设计方案的创新性、方案分析的全面性、设计说明书书写的规范性以及绘图质量等多方面来进行综合衡量。

机械原理课程设计的教学改革中，作为参与教师，最大的感受就是没有想到学生会有如此大的适应性和潜力，他们都具有很强的语言表达，材料运用及分析的能力。在教师的启发和引导下，他们敢于想象，思维敏捷，设计过程中学生甚至提出一些连指导教师都不太了解和不能直接解决的问题，所以这也是对教师的一种挑战。而作为学生，大家都认为新的课程设计方法更能够激发大家学习的兴趣和创新意识。

通过近几年机制专业和其他专业部分学生的课程设计的改革，基本上可以锻炼学生的创新意识，可以培养学生的创新能力，效果可以从每年的机械创新设计大赛以及工程训练大赛等比赛中可以得到验证。但存在的主要问题是由于部分专业的时间安排过于紧张，导致许多同学很难在课程设计过程中发挥自己的优势。

二、机械原理课程实验教学环节的改革

机械原理实验教学是理论教学的巩固、补充、升华和提高，也是为了培养学生观察、分析、判断、综合和推理的基本能力，提高学生的实际操作能力，加强对所学知识的理解和对实验结果及规律的感性认识，促使学生运用所学理论分析问题，找出解决问题的方法的一个重要环节。

早期的机械原理课程实验教学由于受实验条件的限制，所开设的实验内容大部分属于验证性的实验。因此，从根本上讲，它并未真正起到培养学生创新意识和创新能力的作用。为了改变这种状况，加强实验环节对学生创新能力的培养，我们逐步减小了验证性实验在总实验中所占的比例，而逐步地开设一些设计型和综合性的实验。为了给学生提供的更多的锻炼机会。对于实验室管理，也由原来的定期、定时开放逐步变为开放式管理，学生可在实验室内对自己的设计进行模型装配与制作，将自己的设计从图纸转变为实物模型，从而真正达到提高创新设计能力的目的。经过近几年的改革实践，证明这一种实验模式是适应《机械原理》课程体系教改的模式和需要，其具有鲜明的特点和独特的作用。

（一）利用典型的机构来反映机构的结构特点

由于学生缺乏生产实践知识，感性认识有很大差异，对于其没见过的东西仅靠教师用语言去描述很难理解和接受。借助于教学展柜中典型机构的运动演示可帮助学生解决一些难点，对学生学习本课程有很大的启发。如利用展柜中的蒸汽机模型既可以使他们看到该模型采用了曲柄滑块机构，又可以进一步了解其具体的工作原理和工作过程。这一种实验，利用一些典型的机构可以把较为抽象的概念变为直观的现象，这样更有利于学生理解和接受所学的知识和内容。

（二）利用动态的机构演示直观地反映机构的特性

机械原理课主要讲述的是各种机构的运动过程和运动原理，但是其运动过程在课堂很难达到“直观”的效果。为了使学生掌握机构具有确定运动的条件，掌握机构运动和动力分析的方法和原理，我们通过开设了机构运动测绘实验。学生通过对具体机器模型的分析，可以加深学生对运动过程和运动原理的理解和认识。比如在进行拖拉机前轮导向系统的测绘和运动分析实验时，通过让学生亲自动手控制和操作拖拉机的导向系统，他们不仅可以清晰地看到系统的结构组成，还可以进一步了解各执行构件间的运动和协调关系，这样他们就很容易学会和掌握对所研究的系统进行运动分析和计算并绘制出传动系统图。

（三）利用透明可见的演示教具清晰地反映机构的原理

机械中机构的运动原理所涉及到的要素、参数及其变化在实际产品中有一些是不可见的。如渐开线齿廓啮合点的轨迹即啮合线是一条定直线，在实际齿轮传动中是看不见的一条线，从而使学生学习时感到很抽象。此时通过齿轮啮合的电动模型，可清晰地看见啮合过程中轮廓啮合点在透明的有机玻璃底板上留下的轨迹是一条定直线，使得啮合点的运动一目了然，从而帮助学生加深对这部分内容的理解，并为后面学习齿轮的正确啮合条件、连续传动条件等内容打下基础。

（四）利用动态的参数变化提高实验教学效果

为了加深学生在机构的原动件按给定的运动规律运动时对其余运动构件上各点的轨迹、位移、速度和加速度，以及这些运动构件的位置、角位移、角速度和角加速度等运动参数的影响进行计算和分析过程的理解，我们开设了机构运动参数的测定实验。通过该实验可以使学生了解一些运动参量的测试方法，为设计方案的检验提供必要的数据;也可以使学生借助实验手段直接看到机构在运动过程中位移、速度、加速度的测试以及和理论分析结果互相对比的结果;同时还可以使学生在短时间内加深课堂讲授知识的理解，增强学习效果。

（五）利用第二课堂提高学生的动手能力

为了帮助学生把学到的理论知识应用于实践，提高学生的实践动手能力，我们开设了各种综合性实验。它主要是利用第二课堂的形式，学生利用业余时间在实验室通过各种机构、电机、电线以及测量传感器等原材料，充分发挥自己的想象力与创造力，借助于机构搭接实验平台来搭接出各种会动的机器模型。这些实验富有趣味性、科学性、实用性和挑战性。

三、积极参与机械创新设计大赛和工程训练大赛，培养学生的综合设计能力

为了更好地满足社会对综合设计能力、工程实践能力的需求，开拓学生的知识面、培养创新精神、团队合作意识、磨炼意志，推动创新教育的开展和教学改革，加强高等院校与企业之间的联系，吸引学生投身到机械工业振兴的事业之中，我们还实施了理论联系实际的实践教学模式。实践证明，这一教学模式不仅可以激发学生的学习兴趣，还可以提高学生的创造性思维，锻炼他们的实践动手能力，强化他们的工程意识，促使他们将理论设计与工程实践结合起来，以更好地解决实际问题。同时，这一种教学模式还可以引导学生在实验室里搞自己的小发明参与科技竞赛，因为通过模型制作，可以检验学生设计的正确性，从而极大地推动了学校的创新教育。

比如，近几年，在学校、学院和工程训练中心等各级单位的大力支持下，专业各年级的学生参与到全国大学生机械创新设计大赛和全国大学生工程训练综合能力竞赛的人数和作品数量在逐年的递增，并且在省赛和国赛中多次取得好的成绩。比赛中学生所提的想法往往都能够很好地解决在日常生活中所遇到的各种问题，并且都具有较大的创新性。

总之，经过上述改革措施的实施，在强化了学生理论知识的同时，真正达到了理论联系实际和培养创新意识的教学目的，为后续课程体系的更新和发展提供了好的基础和内容。

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