机械原理课程实验教学研究

2021-09-10李永湘

内燃机与配件 2021年4期

李永湘

摘要：为适应新工科建设和OBE教学改革要求，对机械原理课程实验教学方法进行改进，完善教学内容，改革了机构认知实验、机构运动简图测绘实验和渐开线直齿圆柱齿轮参数测定实验，用机构创新设计实验代替了原来的回转构件的动平衡实验。将手工操作与软件建模仿真相结合，引入学科竞赛作品创作模式，充分发挥学校现有的实验室和工程实训中心教学条件和设备能力，综合培养学生的创新思维、机构设计、画图建模和加工制造等能力，教学实践证明所做实验教学改革发挥了积极作用，促进了学生专业知识的巩固和综合能力的提升。

关键词：机械原理;实验教学;3D打印;教学改革;OBE

0 引言

随着新工科建设和OBE教学改革的推进，大学逐渐意识到大学生培养中的实践教学环节的重要性，专业培养方案中的实践教学学时也逐渐得到提升。机械原理实验课程对巩固学生机械原理理论学习，培养学生动手能力具有重要作用。理论课堂教学一直把教学空间限制于教室，而机械原理实验课程则可以将机械基础实验室、工程实训中心充分利用起来，可以将机械模型和机械设备使用起来，使机械原理教学由抽象变得直观、具体。拉进了学生与机械的距离，学生可以直接解除机械模型和设备。本文主要研究了对机械原理课程实验的改进和教学实践。

1 机械类实验教学研究现状

由于硬件条件和软件条件的各不相同，许多高校教师从不同方面研究了实验教学工作。例如，汤赫男等研究了柔性空间结构试验教学[1]。郭红利等探讨了机械原理课程实验教学改革思路[2]。包海涛等研究了新工科条件下的机械基础实验教学方法[3]。蔣培等研究了结构与振动课程实验教学的新思路[4]。朱晓翠等研究了新工科前提下的机械专业课程实验教学改革工作[5]。刘晓波等探索了机械振动实验课程教学改革新方法[6]。熊建强研究了机械设计基础实验课程教改路径[7]。刘兰等探讨了机械类专业课实验教学改革思路[8]。王迪研究了非机械类专业中机械设计基础课实验教学改进方法和思路[9]。王大刚探索了机械原理课程实验教学与理论教学的一体化问题[10]。文成等提出了导学练研教学模式运用于机械类实践课程教学改革中[11]。夏斯伟等提出了机械原理实验课教改思路，将机械原理实验课与虚拟软件相结合，进行虚拟仿真实验，弥补实验器材的不足[12]。徐春明等研究了机械原理实验教改思路并进行了教学实践[13]。杨孟杰等研究了以卓越工程师为培养目标的机械原理实验教改工作，将慧鱼模型应用于实验课程教改活动中，通过慧鱼模型搭建完成实验内容[14]。

以上学者所做工作主要探讨了机械类专业课程实验教学改革思路，对实验教学的改进主要着重于传统实验设备的完善，对新工科实验教学研究方法进行了一定探讨，但实验教学方法的创新程度不够高，对实验教学改革实践工作涉及不多，针对现有实验教学中存在的问题，本文以机械原理课程实验教学为例，在新工科背景和OBE教学改革要求下，探讨实验教学方法的创新，并在机械类专业班级机械原理课程实验教学中进行实验教学改革实践，以“三全育人”指导，培养合格的应用型机械类本科大学生。

2 机械原理实验教学改革措施

根据我校机械制造及其自动化专业培养方案，机械原理课程有8个学时实验教学。按照每2个学时完成一个实验教学工作进行计算，可以安排4个实验。由于学校实验条件的限制，传统的实验教学主要设计了机械认知实验、机构运动简图的测绘、渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定和回转构件的动平衡共四个实验。这几个实验虽然具有一定代表意义，但传统要求过低，对学生创新思维能力的启发不足。根据新工科应用型人才培养和OBE教学改革要求，我们对几个实验进行了改进，提高了实验要求，将Matlab、3D建模软件等运用于实验教学中，提高实验分析能力，增强学生的软件应用能力和模型制作能力。

2.1 机构认知实验的改进

传统的机构认知实验主要是通过参观实验室已有机构模型，使学生对机械结构有一个直观认识。这样的实验课程具有较大的局限性，因为实验室里的机构模型都是单独陈列出来的，有一些还是理想化的模型，例如连杆机构等。学生对机械结构的认知容易局限在这种单独陈列出来的模式，与机构在不同设备不同场合的具体应用和表现形式脱节。实际工业应用场合中的机构结构是多种多样的。即使是同一种类型的机构，在不同的设备中表现出来的具体结构也有很大差异。为此，我们将机构认知实验的场所进行了改变，拓展了认知实验的参观范围。在机构认知实验中，不仅带领学生参观机械基础实验里的各种类型的机构模型，还将学生带到学校实训中心参观各种类型的机械加工设备，让学生了解不同类型的机构在不同机械设备上的应用。

2.2 机构运动简图测绘实验的改进

以往的机构运动简图测绘实验主要是要求学生测量机构模型的相关尺寸，分辨机构类型，绘制机构运动简图。针对此实验，我们提高了实验要求难度。要求学生动手拆解机械装置模型，如发动机气缸、机床走刀机构等，分析机械装置中存在的机构类型，探讨工作原理，然后用测量工具量出机构构件尺寸，绘制机构运动简图，计算机构自由度，并要求学生制作一个机构运动仿真视频。机构运动仿真视频的制作可以采用Adams、Solidworks、Pro/E等多种软件，学生可以根据自己所擅长的做出各自的选择。较多的同学是通过Solidworks软件和UG软件进行建模和仿真，还有部分同学是通过Matlab软件进行了机构运动仿真。通过实验要求难度的提高，使学生进一步巩固了对机构类型和自由度的认识，提高了机构运动简图测绘能力，熟悉了相关软件的操作和运用。

2.3 渐开线直齿圆柱齿轮参数测定实验的改进

渐开线直齿圆柱齿轮参数测定实验以往主要是要求学生通过游标卡尺等工具测量渐开线直齿圆柱齿轮的齿顶圆直径、齿根圆直径等基本参数，并运用公式计算出齿轮其它参数。我们主要是在这个基础上进一步要求学生通过自己所测定的和计算的齿轮参数，运用三维建模软件画出齿轮的三维模型，并制作一对齿轮啮合的运动仿真视频。学生主要采用了Solidworks软件和UG软件建立了齿轮的三维模型和录制了运动仿真。我们之所以增加了后面的实验要求主要是为了使学生进一步巩固对齿轮基本参数和计算公式的理解，让学生好好观察齿轮的啮合情况。在实验过程中，个别学生在测量或计算时候出现的错误在进行齿轮三维建模和运动仿真的时候暴露出来，检测了学生测量和计算的齿轮参数的正确性。

2.4 机构创新设计实验的设置

随着新工科建设和OBE教学改革的推进，大学对学生创新能力的培养越来越重视。高质量发展需要靠科技创新。每年举办的全国大学生机械创新设计比赛也激发了学生对机械创新设计的热情。我们在机械原理课程中为此特意设置了机构创新设计实验以培养学生的创新能力、设计能力、动手能力等。机构的类型不限，学生可以充分发挥自己的想象力。可以是一种机构的变异，也可以是几种机构的综合，也可以对已有机构进行改进。学生需要分析所设计机构的工作原理，画出机构运动简图，计算机构自由度，至少画出其中一个构件的三维模型并用3D打印机打印出来。通过这个实验过程，学生所学的专业知识得到综合应用，创新思维、机构分析计算、结构设计、画图、三维建模、3D打印等能力得到展现。同时，这个实验同时也为学生参加全国大学生机械创新设计比赛和贵州省3D打印比赛提供了锻炼的机会，通过机构创新设计实验，学生对制作参赛作品流程有了初步了解。

3 总结

在機械原理课程实验教学过程中，我们根据新工科背景和OBE教学改革要求，不断探索，改进实验教学方法，完善教学内容，主要改进了机构认知实验、机构运动简图测绘实验和渐开线直齿圆柱齿轮参数测定实验。用机构创新设计实验代替了原来的回转构件的动平衡实验。将手工操作与软件建模仿真相结合，引入机械创新设计比赛和3D打印比赛作品创作模式，综合培养学生的创新思维、机构分析计算、结构设计、画图、三维建模、3D打印等能力。学生的学习兴趣得到提高，参加学科竞赛的学生逐年增多，学生在比赛中也取得了10多项目省级以上荣誉。

参考文献：

[1]汤赫男，谢湘淼，钟绍武，等.“机械原理”课程实验教学中的空间机构与柔性机构拓展研究[J].工业和信息化教育，2019（10）：28-32，38.

[2]郭红利，张李娴，张军昌，等.机械原理课程实验教学环节改革思路的探索[J].教育教学论坛，2016（01）：164-165.

[3]包海涛，王殿龙，杨睿，等.面向新工科机械基础实验教学探索[J].实验室科学，2020，23（05）：120-123.

[4]蒋培，段卫东，陈浩，等.结构与振动实验课程教学改革探究[J].中国现代教育装备，2020（19）：79-81.

[5]朱晓翠，李春光，王继利，等.新工科建设背景下机械类课程实验教学探索[J].长春师范大学学报，2020，39（10）：153-155.

[6]刘晓波，洪连环.“机械振动学”实验教学创新与实践改革[J].南昌航空大学学报（自然科学版），2020，34（03）：106-110.

[7]熊建强.新工科背景下机械设计基础实验教学改革探索[J].造纸装备及材料，2020，49（04）：181-182.

[8]刘兰，何丽红.新工科背景下机械设计类课程实验教学改革[J].新课程研究，2020（21）：24-26.

[9]王迪.建环专业“机械设计基础”课程实验教学改革研究[J].中国新通信，2020，22（21）：197-198.

[10]王大刚，程志红，李艾民，等.《机械原理》理论课程-实验课程-上机实践课程一体化教学模式探究[J].教育教学论坛，2019（48）：167-168.

[11]文成，周传德.机械类实践性强课程“导学练研”教学模式探索[J].中国现代教育装备，2020（21）：70-72.