基于应用型人才培养的机械设计类课程实验改革研究

刘 兰，何丽红，高为国

(湖南工程学院 机械工程学院，湖南 湘潭 411104)

基于应用型人才培养的机械设计类课程实验改革研究

刘 兰，何丽红，高为国

(湖南工程学院 机械工程学院，湖南 湘潭 411104)

我校作为应用型普通本科院校，定位为培养高素质的工程技术应用型人才。通过分析机械设计类课程实验教学中存在的问题，按照应用型人才培养的要求提出实验教学改革思路，并从实验教学体系、内容、方法、手段等多方面进行具体实践改革，有效地提高了实验教学效果，增强了学生的实际应用能力和创新素质。

实验教学；能力培养；机械设计类课程；实际应用

随着国家社会经济建设的快速发展，科学技术的日新月异以及“互联网+”时代和工业4.0时代的到来，对工程技术人才的培养提出越来越高的要求。而高等教育规模的扩大，学生就业形势的严峻以及社会对人才综合素质和实际应用能力要求的提高，使得工科院校的实验教学改革显得尤为迫切。这些都要求实验教学观念必须与时俱进，实验教学的课程体系和内容必须不断充实、提高，而且教学手段和方法也应该加以改进。

“机械原理”“机械设计”“机械设计基础”是设计性、综合性和实践性很强的课程，在培养综合素质高、构思与表达能力、设计与创新能力、分析与综合能力强的机械工程人才方面起着重要的作用。机械设计类课程的实验教学是课程教学的重要组成部分，与理论教学互为依托、相辅相成；实验教学不仅向学生传授知识、验证理论、培养实验技能，而且在引导学生掌握科学的思维方法、提高分析和解决问题的能力、培养创新精神、形成优良的工作作风和协作精神等方面，具有不可替代的育人作用。如何开发、改进富有启发性、综合性、实践性的实验教学内容及教学模式来提高教学效果和学生综合素质，是我们探索全面改进机械设计类课程实验教学的目的。

一 实验教学中存在的问题

机械设计实验室自2005年被评为湖南省基础课示范实验室以来，实验教学模式和内容、手段一直没有改革，已经无法满足应用型人才培养的要求，存在的问题主要体现在以下几个方面：

1.课程实验体系和实验教学大纲较陈旧，十多年来一成不变，受以前学校硬件投入所限，不能充分保证机械设计类课程实验内容的系统性和完整性(例如，缺乏“轮系”和“机械平衡”方面的实验内容)。

2.现有实验教学内容中验证性实验内容仍然偏多，单个实验项目所涉猎的知识点比较单一，实验中学生对知识点的掌握上只限于几个相对孤立的知识点，缺乏对各知识点之间的融会贯通。

3.拘泥于传统的教学理念，以老师讲授指导为主，学生自己动脑思考的机会仍显不足，没有突出学生的学习主体地位，学生在实验过程中的学习积极性和主动性不足。

4.在部分知识点的选择和安排上脱离工程实际要求，存在“教的没用，有用的没教”现象。大部分实验对象都是模型或实验专用仪器，针对具体实际机器的实验较少，使学生经常完成实验后还“一头雾水”，不能清楚了解实验的工程意义和实际应用。

二 实验教学改革的技术路线

针对实验教学中存在的问题，机械设计实验室按照大力加强应用型本科人才培养的教学思路，贯彻“以学生为主体”的教育理念，整合、完善实验教学知识体系，对教学模式和内容、手段等方面进行改革研究，来提高学生实验学习的积极性和主观能动性，着力培养学生的动手能力和分析、解决实际问题的能力，具体改革技术路线图如图1所示。

图1 实验教学改革技术路线图

三 实验教学改革的具体实践

(一)实验教学体系与内容的改革实践

通过与机械设计类课程理论教学任课教师进行深入细致地研讨，详细了解其对实验教学内容的要求，广泛地调研国内多所同类院校本课程实验室或实验中心，结合本校实验室的具体情况，重新编写实验教学大纲，完善、优化实验教学体系，合理安排实验教学内容。

加强实验项目的研究、开发，设计全新实验项目2项，改进、更新实验项目3项，淘汰陈旧实验项目2项，实验项目的更新率达50%以上，注重实验教学内容与科研、工程、社会应用实践密切联系，形成良性互动。

1.新开“轮系机构分析”实验项目。轮系机构的分析、设计与应用是机械原理课程教学中的一个重要内容。但是，一直以来，我们实验室并未开设相关实验项目，使得学生无法直观清晰地了解轮系内部结构、运动形式，也使我室的实验教学在机械原理课程内容体系中不够完整，缺少轮系这重要的一环。

通过研究理论课程中关于“轮系”章节的具体要求，合理设置实验课的教学内容，让学生在实验课上从简单到复杂依次分析两个轮系机构(包括规范绘制机构运动简图、计算自由度、确定轮系类型、计算传动比、实测传动比、分析主、从动轮旋向和增、减速等)。机械设计1401-1403班学生完成实验后，普遍反映：对轮系的基本概念、分类方式、组成结构和具体功用有了非常清晰的理解，传动比的计算也更加熟练，取得良好的实验效果。

2.新设计开发“机械的平衡实验”。“机械的平衡”是机械原理课程中的重要组成部分，但我们实验室一直没有设置相关的实验教学内容。新开“机械的平衡实验”的目的：通过实验，使学生巩固和验证刚性回转体平衡理论和方法，明确动平衡和静平衡概念、分别适用的场合、相互之间的区别与联系；掌握动平衡实验机的工作原理和方法，掌握机构惯性力在机架上的平衡概念和方法。将回转体的静平衡、动平衡、机构的动平衡放在一个实验项目中，互相比较，又互有联系，是一个综合性的独创实验项目。

3.改进扩充“机构分析与机构运动简图测绘”实验项目。本实验室开设有实验项目“机构测绘、分析及设计”。为了拉近实验教学内容与实际生产实践的距离，我们特别构思将四冲程汽车发动机、小型牛头刨床 、手摇式印刷机、圆盘凸版印刷机、按压式可充电手电筒等实际机器(如图2所示)作为研究对象，提供给同学们进行具体机械的工作原理和运动情况分析，并绘制机构运动简图。

通过将实验内容与工程实践、具体机械、日常生活相联系，学生更好的体会机械之美，学会运用所学知识分析实际机械、解决实际问题，并大大提高学生学习兴趣和积极性。

4.改进“轴系结构装拆”实验项目。本实验室原开设有实验项目“轴系结构装拆”，课时安排1个学时，其开设方案是：老师先讲解实验原理、步骤，然后，学生根据装配图拼装轴系部件，再重新测绘出轴系结构装配图。一方面，学生操作思考时间不够，另一方面，实验内容按图索骥、呆板枯燥，故实验效果差强人意。

图2 机构分析与机构运动简图测绘实验中的典型机器

这次教学改革中，实验课时增加到2学时，对实验课流程安排进行了优化，实验内容大大增加。考虑到原实验没有充分体现实验的设计性特点，特别设计了轴系结构设计题目(如图3所示)让学生们在实验中思考、实践，将课堂所学理论知识具体运用去解决设计问题。

图3 轴系结构装拆实验设计题目

通过改革，学生不再是照着装配图拼装，而是老师只提出设计题目，学生根据传动零件、轴上载荷大小、轴的转速高低等不同要求，合理选择轴承类型、牌号、密封润滑方式、轴承安装方式，再拼装轴系结构，这样就突显出实验的设计性，对学生设计能力、合理运用理论知识的能力、动手能力都大有裨益。

5.改进“减速器结构分析”实验项目。这个实验原来的计划学时是1学时。由于时间不够，学生只能对减速器的结构有一个大致了解，浅尝辄止。现在增加到2学时，提供更多时间给学生观察、分析、研究。要求学生在实验室完成实验记录(包括一张减速器传动示意图，两个计算减速器参数的表格，29个简答题)。

另外，实验的时间安排上也尽量靠近机械设计课程设计周，学生在课程设计过程中，遇到的关于减速器结构细节等方面的疑难问题，通过具体实验，可以有的放矢地对照实物，提高感性认识，明了各零件的内部构成、设计原理及其视图表达，从而提高学生课程设计的学习效率。

6.取消“机构运动参数与机构动平衡综合实验”和“机械系统性能研究及参数可视化分析实验”。这两个实验所用设备完好率较低，保养不便，屡修屡坏，使用极其不便，完好可用设备少，致使每组学生数较多，实验教学效果差，且实验内容与其他项目有所重复。经过教研室和实验室充分讨论，这两个实验予以取消。

(二)实验室管理、教材及实验教学方法、手段等方面的改革实践

1.努力开展学生科技创新，将全开放模式引向深入。充分利用实验室资源，为学生的科技创新提供良好的硬件条件。鼓励和指导学生参加各类科创新活动，建立了两个学生课外创新实践小组，结合学生专业知识和实验室具体实际开展研究性学习和创新性实验。

申请校级课题2项(批准立项了1项)——基于声光电等多种手段的机械陈列柜的研究与应用、基于单片机技术对机械创新展示柜电控系统的改良与创新。这两个项目都是对我实验室上世纪八十年代所购陈列柜(目前已老旧不堪)进行合理的升级改造、电控系统设计、制作与调试等等。这些项目与学生所学机电专业知识结合紧密，难易适中。一方面，学生能学以致用，用自己所学的专业知识去具体实践中发现问题，解决问题，从而提高学生的求知欲望、实践能力和创新能力；另一方面，这些项目是针对学校老旧设备的升级改造，通过项目研究，既可以为学校节约新购设备经费，也可为我校的老旧设备改造升级探索一种新的途径。

2.新编实验教材注意内容的先进性、科学性、实用性和启发性，贯彻理论与实践相结合的原则。内容由易到难，由浅入深，着重培养学生分析问题能力和独立思考能力。主要在以下三个方面进行扩充调整：

(1)对于综合性、设计性实验，着重阐述基本思路、研究方法和实验技能的综合训练，而不是如以前实验教材那样强调实验的具体步骤和操作方法，留给学生更多的思考、探究空间，以培养学生的实验设计能力和独立思考能力。

(2)每一个实验项目前加入“实验问题的提出”，作为实验项目的引子，强调实验的具体实践意义和工程背景何在。

(3)更新部分实验思考题，编写与日常生活、工程实践密切联系的思考题，使学生能将实验所学不断扩展、思考、提升，以解决实际问题，从而提高学生学习兴趣和积极性。

例如，在“机构分析与机构运动简图测绘”中思考题是“自行找一把折叠雨伞，绘制实现伞面收放机构的运动简图，计算自由度，并分析其运动情况”，以及 “分析电风扇摇头装置的工作原理和运动情况，画出机构运动示意图”要求学生课后完成。

3.使用多媒体课件和计算机辅助实验教学软件进行实验教学。重新编写、修改多个实验多媒体课件用于实验讲解。实验室还充分利用计算机技术和虚拟仿真技术，在基本平面机构设计及运动学实验、轮系机构分析、轴系结构装拆等3个实验中模拟各种零件、部件和机构运动，更加立体、生动、逼真地展示轴系零部件的装配情况和各种轮系的运转情况、各种基本平面机构的运动等等，学生将虚拟软件和具体仪器设备相结合，操作简单，结果准确直观，做到“虚、实”结合，优势互补，达到事半功倍的教学效果。

4.积极开展提问启发式教学和小组讨论式学习。严格控制实验课堂中老师讲授基础理论的时间(要求同学课前认真预习相关理论知识)，留出充足的时间给学生动手操作和思考讨论。实验过程中，老师多启发，多引导，尽量让学生带着问题去实践，去解开谜团。针对课程特点,注重在实验教学中强化工程实践思维的培养，强调实验项目的工程背景是什么，实际问题的解决方法是什么等内容。

实验操作后，老师认真组织学生对实验结果进行有效分析和积极讨论。对于符合预期的实验结果，分析总结经验、原理；尤其重视不符合预期的实验结果，找出原因，提出改进方法，强调工程实践的多因素影响和复杂性，以培养学生作为未来工程师的工程实践思维。

四 结 语

机械设计实验室建设经过不断改革与实践，已经取得了阶段性的成果：建立了具有应用型本科人才培养特色的实验教学体系；践行了以学生为主体，培养学生的实践能力和创新能力为核心的教学理念；对实验教学内容、教学方法、教学手段和实验室教学管理进行了全方位的改革。学生的学习积极性和主动性不断提高，学生在机械设计方面的综合分析问题、解决问题的能力大大加强，取得了良好的教学效果。今后实验室将进一步完善各方面教学工作，并通过优化整合实验室资源，大力提高教学质量，努力培养更多优秀的应用型专业技术人才。

[1] 冯 敏，王猛猛，李 宁．机械基础实验教学与管理体系改革的探讨[J].中国现代教育装备，2013(15)：39-40、53.

[2] 卢艳军．开放式实验教学模式的探讨[J].实验室科学，2009(1)：23-26.

[3] 高为国，董丽君，吴安如．基于卓越工程师培养的“机械工程材料”课程建设[J].湖南工程学院学报(社会科学版)，2010,20(3)：74-77.

[4] 赖雄鸣．机械原理与设计实验教学中心建设的研究与实践[J].实验室科学，2014,17(5)： 203-205.

[5] 郑蓓蓉，周 晨，谢晓文，等．构建机械基础实验教学体系培养大学生创新能力[J].实验室研究与探索,2009，28(11)：137-139，200.

ResearchonPracticeTeachingReformofMechanicalDesignCoursesfortheCultivationofApplication-orientedTalents

LIU Lan，HE Lihong，GAO Weiguo

(College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104,China)

As an application-oriented undergraduate university, Hunan Institute of Engineering aims at training high-quality talents in engineering technology. By analyzing the problems existing in practice teaching of mechanical design courses, according to the requirements of applied talents’ cultivation，we put forward the thought of practice teaching reform, and carry on the concrete practice teaching system, content, method and other aspects, which effectively enhance the effect of practice teaching, strengthen the students’ practical ability and the innovative quality.

practice teaching; ability training; mechanical design courses; the practical application

2016-10-26

湖南省教改课题“以专业认证为导向的机械设计制造及其自动化专业课程体系的研究与实践”(湘教通〔2016〕400号)。

刘 兰(1976-)，女，湖南湘潭人，实验师，研究方向：机械设计理论与实验。

G642

A

1671-1181(2017)04-0093-05