基于“身边教学法”的机械设计基础课程实验设计

薛铜龙, 姚亚昔, 张晓辉

(河南理工大学 机械与动力工程学院, 河南 焦作 454000)

新工科建设对我国新时代工科专业人才培养提出了更高的要求,机械设计基础课程作为大学工科机类或非机类各专业开设的一门重要的技术基础课程,直接影响到许多工科专业学生的发展潜能。该课程是一门工程性、实践性很强的课程,其实验教学是一个十分重要的实践环节,不仅起到使学生理解教学内容中理论知识的目的,更重要的是培养学生工程意识、工程实践动手能力、理论联系实际能力,启迪其创新思维[1-2]。但由于我国高校的学生绝大多数学习经历都是连续的,都是从高中直接进入大学的,接触社会实践的机会很少,对机械的了解只限于生活中接触的范围,缺少工程观念,无法将课程理论知识和工程实际相结合,工程实践动手能力也比较薄弱,特别是低年级非机类专业的大学生，因此在日常实验课程教学中有必要研究一种能快速将工程实际引入实验教学,实现实验项目与其工程背景交融的实验教学方法。为此，我们尝试采用“身边教学法”工程教育理念,通过挖掘大学生身边的机械工程问题来设计实验项目,以调动学生对课程学习的积极性。

1 “身边教学法”工程教育理念的含义

“身边教学法”是指教学参与者(包括教师和学生)结合教学内容和要求,将日常学习和生活环境中的一些相关事物作为教学对象,对其进行分析、研究和设计,使学生养成关注身边事物、将抽象的理论知识与形象的工程实物联系起来的习惯,实现由科学知识到工程知识的迁移和跨越,形成感性认识,最终凝练成观察、分析和解决工程实际问题的能力[3]。

现代社会里,人们工作、学习和生活都已经脱离纯自然的环境,身边“抬头不见低头见”的都是人造机械工程的产物。对于学生,日常学习和生活的“衣食住行用”都离不开不同机械工程领域各种类型的机械产品,在这5大生活必需品中,“衣”处于5者之首,说明了“衣”的重要性,我们就来简单说说用于“衣”的常用身边机械,首先我们要穿衣服,就要有做衣服的机器,那就是缝纫机；衣服脏了,就需要洗衣服的机器,那就是洗衣机。用缝纫机做衣服学生可能做得不多,但大多数学生一定见过缝纫机；而洗脏衣服,可以说,每个学生都有用洗衣机洗衣服的经历,学生可能接触、使用过各种类型的洗衣机,如双缸洗衣机、波轮式洗衣机和滚筒式洗衣机等。所以,采用“身边教学法”进行实验教学,展示课程理论知识,由于身边的机器我见过、用过,学生进入学习的状态就会快,学生的感性认识会更强烈,也会对实验项目更感兴趣,起到“事半功倍”的效果。

2 构建基于身边的机构与零部件实验课程教学体系

2.1 理论与实践相融合的实验教学体系的规划

一些工科大学在尝试利用身边简单的机械去做机械设计基础课程实验。例如西安交通大学的“缝纫机机构分析实验”[4]等,但系统、完整地建立身边的机构与零部件实验室,就要认真地收集、整理、分析及规划。

为使“身边教学法”工程教育理念在机械设计基础课程实验教学中得以系统体现,将机械设计基础课程根据机械功能和应用属性划分为5个子模块；以学生身边熟悉的日常生活“衣食住行用”为主题,以培养学生利用工程基础理论解决工程实际问题为宗旨,坚持理论联系实际地构建基于身边的机构与零部件实验课程教学体系。

在选择身边机器时,即使有“衣食住行用”的主题,那么相关的机械设备也很多,我们要选用一些涵盖机械设计基础课程基本理论知识比较多的机器,例如用于“衣”的家用滚筒式洗衣机,它大体由洗涤脱水系统、传动系统、进排水系统、减振支承系统、水加热和烘干装置系统、控制系统6大系统构成[5],就与课程知识关联度比较高。

2.1.1 划分课程子模块

将机械设计基础课程根据机械功能和应用属性划分为5个子模块。

(1) 常用机构子模块,主要有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、机构的平衡与调速。

(2) 连接子模块,主要有螺纹连接、键连接、销连接。

(3) 机械传动子模块,主要有带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动。

(4) 支承零部件子模块,主要有轴、滚动轴承、滑动轴承、联轴器、离合器。

(5) 其他零部件子模块,主要有弹簧、箱体、密封件。

2.1.2 确定与课程内容相关的身边机构与零部件项目

以日常生活“衣食住行用”为主题,确定与机械设计基础课程内容相关的实验项目。例如用于“衣”的常用机械有缝纫机、洗衣机等,用于“食”的常用机械有搅面机、面条机等,用于“住”的常用机械有电梯、空调等,用于“行”的常用机械有自行车、汽车等,用于“用”的常用机械有电风扇、电冰箱等。为了节约成本,可以到二手市场购买旧的，甚至报废的机器用于实验[6]。

2.1.3 实现课程子模块与身边项目对接

对身边项目具体的机械构成、工作原理进行解剖与分析,将涉及机械设计基础课程内容部分,与课程子模块对照分析,选择并调用与本课程相关联的课程子模块,确定课程子模块与身边项目对接。例如“衣”的常用机械有洗衣机,涉及机械设计基础课程中的机械传动子模块,可以调用带传动、齿轮传动教学资源；涉及支承零部件子模块,可以调用轴、轴承、联轴器教学资源；涉及连接子模块,可以调用螺纹连接、键连接教学资源。实施有针对性、有重点的身边项目与课程子模块对接,展开关联教学,实现学用结合、知行统一。

2.2 “三层次递进式”实验项目的设计

下面,以用于“衣”的常用机械——家用滚筒式洗衣机为例,具体介绍实验项目的设计,滚筒式洗衣机是比较典型的机电一体化家用电器产品,实验所需器材成本低,取之容易。

滚筒式洗衣机实验项目的设计与实现,采用“三层次递进式”分为三个层次来完成,一是基础验证型实验项目,使学生验证、理解、巩固并掌握基本教学内容,培养学生对关联知识的理解;二是以综合设计“任务”为驱动,引导学生理清问题实质,确定结构和解决问题的方法,注重理论知识和技术的综合运用,培养学生对关联知识的综合运用能力；三是以实际问题为背景,引导学生自主创新研究,通过需求分析,全面培养学生的创新思维能力,同时促进实践探索精神[7-9],如表1所示。

表1 滚筒式洗衣机三层次实验项目的设计

2.2.1 基础验证型实验的设计

在实验课程教学过程中,以基础验证型实验项目为载体,引导学生自主地、循序渐进地学习、理解、巩固并掌握基本教学内容,通过对滚筒式洗衣机拆卸、安装,认识洗衣机的机构与零部件,并与课程子模块关联教学内容的基本理论知识对接。

例如,首先在认识、拆装滚筒式洗衣机时,要接触到螺纹联接件、螺纹联接的4种基本类型、螺纹联接的防松方式等,相应地要用到螺纹连接的基本理论知识,特别是滚筒式洗衣机的底座调平装置要用细牙螺栓调整,这一点要给学生指出来,因为细牙螺栓学生接触得比较少,可能不太注意；在拆装滚筒式洗衣机的传动系统时,要接触到小皮带轮、传动V带、大皮带轮,相应地要用到带传动的基本理论知识；在拆装滚筒式洗衣机的洗涤脱水系统(滚筒主轴装置)时,要接触到滚筒主轴,相应地要用到轴的基本理论知识,特别要指出滚筒主轴在洗衣工作时,要频繁地正反双向旋转,当学生按弯扭合成强度方法校核滚筒主轴强度时,其折合系数a值要取1(即a=1)；在拆装滚筒式洗衣机的外滚筒时,要接触到滚筒配重块[10],相应地要用到机构平衡的基本理论知识。

通过洗衣机零部件的拆装实验,让学生绘制洗衣机的机构运动简图和滚筒主轴结构装配图,使学生感受到教学内容基本理论知识的真实感和亲切感,认识到所学的知识都是有工程实际用处的,进一步让学生明白这个理论知识可以“如此”用到“这样”的实际工程问题中,今后类似的问题就可以迎刃而解了。

2.2.2 综合设计型实验的设计

以综合设计型实验为突破口,引导学生结合滚筒式洗衣机的实际问题,从选题开始、综合设计到制作调试完成,使学生将所学基本知识贯穿起来,提高学生的实战能力,进一步增强学生学习基本教学内容的兴趣和实践探索精神。

例如,滚筒式洗衣机的传动系统主要有以下部分组成:电动机、小带轮、大带轮、传动皮带、内滚筒以及外滚筒。小皮带轮装在电动机的转轴上,大皮带轮与洗衣机内筒连接在一起,电动机通过小皮带轮带动大皮带轮以及内筒旋转,也就是说,滚筒式洗衣机是通过皮带进行动力传动的,如图1所示。

图1 滚筒式洗衣机的传动系统原理图

带传动是一种古老而简单的传动方式,带传动按带横截面形状可分为平带、V带、多楔带、圆形带等,在老式滚筒式洗衣机中使用的是V带传动。从机械设计基础课程的带传动基本知识，我们知道多楔带传动相对于V带传动有一大优点:因多楔带本身带体较薄,运转时所承受的离心应力和弯曲应力均小于V带,因此多楔带传动可配置较小的传动带轮,运行时耗费较少的电能并可获得较高的传动比,节能降耗的效果明显。基于此,可以让学生进行用多楔带传动取代V带传动的综合设计实验,同时也可以让学生进一步理解传动带从平带到V带,再到多楔带的结构创新历程。

通过洗衣机零部件重构的设计计算,并绘制出有关的零件图,进行购买或3D打印零件,再安装重构洗衣机,调试与运行,并进行节电效果实验测试比较,学生感到自己也能设计出比别人更好的机器,成就感油然而生,同时学生也会进行深入思考“如何通过设计使得产品的性能不断改进?”等问题。

2.2.3 研究创新型实验的设计

以研究创新型实验为导向,引导学生自主研究,通过滚筒式洗衣机的需求分析构思,全面培养学生扩展运用基本教学内容的能力,激发学生发明创造的兴趣,同时促进实践创新精神的发展[11-12]。滚筒式洗衣机甩干脱水过程中振动噪音大,一直是困扰滚筒式洗衣机用户的问题,因此可以让学生开展降低滚筒振动噪音的研究创新型实验。

例如,滚筒式洗衣机的内滚筒由于洗涤的需要,在内滚筒壁均布了3个水平等高的提升筋,如图2所示。由于提升筋的存在,滚筒式洗衣机在甩干脱水过程中，洗涤衣物(负载)不可能完全在内滚筒壁周围均衡分布,即在内滚筒壁内洗涤衣物(负载)分布是不平衡的,这是引起滚筒式洗衣机高速甩干脱水振动噪音的一个重要原因。

图2 内滚筒结构

结合机械设计基础课程支承零部件的基本知识,对于悬臂支承的内滚筒,可以把筒壁均布的3个水平等高提升筋,改造创新为3个倾斜不等高的提升筋结构,即改造创新为离传动装置远的提升筋比离传动装置近的提升筋高,这样在滚筒式洗衣机内滚筒高速甩干脱水运行过程中,倾斜的提升筋将洗涤衣物(负载)推向靠近传动装置方向,所以当内滚筒转动时,由于洗涤衣物(负载)悬臂的缩短,洗涤衣物(负载)的旋转力矩将降低,由洗涤衣物(负载)分布不均引起的振动噪音也相应减小，如图3所示。

图3 内滚筒提升筋改造后结构

根据这一原理,可以做几个不同斜度的提升筋,分别安装在原来水平的提升筋上面,进行洗衣机振动测试对比实验研究。

也可以结合机械设计基础课程连杆机构的基本知识,把3个固定提升筋改造创新为可升降式四连杆提升筋,洗衣机洗涤时内滚筒均布的3个提升筋升起,起到与固定提升筋相同的作用,甩干脱水时,3个可升降式提升筋落下,不影响被洗涤衣物在内滚筒内的均匀分布,也能较好地解决滚筒洗衣机的甩干脱水振动噪音大的问题。

通过洗衣机研究创新实验,学生体会到,发明创造离我们并不遥远,学生的课程学习兴趣和求知欲会更加高昂,由此促进学生形成主动思考、自我创新的意识。

3 结语

从“身边教学法”工程教育理念为基础,构建了基于身边的机构与零部件实验课程快速教学体系,包含“三层次递进式”实验教学的机械设计基础课程实验的设计,把“高大上”的理论知识与“接地气”的身边机械工程相结合,通过不同形式的身边机械工程实验教学训练,培养学生逐渐形成工程意识,有效地解决了课程理论知识和工程实际脱节以及低年级非机类专业的学生工程实践能力薄弱的问题,体现了应用型人才的培养宗旨,提高了学生解决现场工程问题的能力,对培养学生工程意识和工程创新能力起到积极的推动作用。