多层次机械原理实验教学改革与实践

林隆荣 黄 鸣 李实懿 吴郑思

（1.厦门城市职业学院，厦门 361008；2.集美大学诚毅学院，厦门 361021）

随着我国机械制造业的不断进步发展，为适应新形势下的发展需要，社会和企业对就业人才选用提出了更高要求[1]。学生不仅要具有扎实的理论基础，而且要具有一定的自主创新能力，以通过理论和技术手段实现项目目标[2-3]。

机械原理课程是机械类专业的基础技术课程之一，主要研究机械运动中的一些共性问题，包括机构的组成原理、运动学、机器动力学、常用机构的分析与设计以及机械传动系统方案设计等问题。将机械原理实验教学服务于机械原理课程，是加深和巩固机械原理知识体系的关键环节，也是提高学生分析问题和培养学生实践动手能力的重要手段[4-5]。

本研究以集美大学诚毅学院为例，分析了现阶段机械原理实验教学中存在的不足，并在此基础上根据课程教学要求和实验教学目的，结合学生能力和爱好，将机械原理实验教学划分成3 个层次设立实验教学，在实验管理中探索开放性管理与考核等措施，以便于学校更好地培养具有创新能力的工程应用人才。

1 机械原理实验教学现状分析

以诚毅学院为例，该学院机械原理实验教学组成如图1 所示。教师在教学中大多以学生观察和拆装简单机构、测绘机构运动简图、测量齿轮参数以及分析与设计机构运动方案等基础认知验证性实验为主。这种教学方式虽然具有思路清晰、教学简单等优势，但是随着企业要求不断提高，现有实验教学项目已不能满足现代企业对工程应用人才能力的要求。

图1 机械原理实验教学组成

现有教学方式主要存在以下不足之处。

（1）机械原理实验模式单一，主要以教师讲授和演示为主，学生只需按照实验要求与实验步骤操作，最后撰写实验报告。实验教学题目固定以验证原理知识为主，学生缺少自主设计和创新空间，无法拓展学生的创新思维和创新能力。

（2）随着信息科学技术的飞速发展，各种辅助设计工程技术软件日益成熟，传统的设计方法（图解法、查表法、挂图法）已经明显不能满足现代企业对工程应用人才的要求。

（3）实验管理考核方式简单，对学生的安全教育需要进一步加强。

由于教学内容和现代企业对于工程型应用人才的要求存在较大差距，因此迫切需要对机械原理实验教学模式进行改革与创新。

2 机械原理实验教学改革实践

针对原有机械原理实验教学内容简单、过程相对枯燥乏味等问题，整合提升机械原理实验教学内容，将其划分成课内基础实验、独立综合实验和竞赛开放实验3 个层次[6-7]。各层次之间的关系如图2 所示。

图2 机械基础实验层次设置

2.1 分层开设实验

2.1.1 课内基础实验

基于目前机械原理实验教学现状，将基础认知、验证实验作为第一层课内基础实验。该实验中设置的实验项目有机构运动认知实验、机构运动简图测绘与分析[8]、渐开线齿轮参数测定及啮合传动机实验等，目的是使学生通过完成这些基本实验熟悉常用的机械零件、掌握基础的机械原理知识与基本概念，从而培养学生注重分析机械工作原理的意识，同时使学生能够熟练绘制机械原理简图，分析机构自由度，熟悉常用的传动机构，并掌握齿轮各个参数对齿轮作用效果及常用的传动方式。

2.1.2 独立综合实验

在该实验中，学生需要使用慧鱼创意组合模型自己完成机械结构设计、零部件组装（模型）、控制方式选择等设计内容，掌握机构设计、运动、控制等过程的原理，逐步培养利用已有知识解决问题的能力，同时探索培养学生的创新思维和实践能力。学生完成设计构思后，可利用慧鱼模型中常见的基本构件（齿轮齿条、涡轮蜗杆、皮带、凸轮、杆件）搭建各式各样的机械原理模型，之后结合辅助传感器、控制器、执行元件和控制程序验证其技术过程能否实现，从而为实验教学、创新设计和工业生产线原理可行性提供依据。搭建的慧鱼起重机模型如图3 所示。慧鱼创意组合模型除了机械元件外，还包含电气元件、气动元件、机械手和夹具等丰富的元器件，学生可根据设计意图随意组合扩展。另外，同学除了自行搭建外，也可以结合机电、机制、机设以及车辆专业的不同特点并参考实际工程案例进行延伸拓展创新。

图3 慧鱼起重机模型

2.1.3 竞赛开放性实验

竞赛开放性实验属于课余开放性选修实验，竞赛项目主要包括3D 大赛、机械创新设计大赛以及大学生工程训练竞赛等。该教学模式依托机械类竞赛进行教学改革，是培养机械专业学生创新和工程实践能力的重要途径。学生通过实验项目立项和研讨分析，借助各种辅助设计软件能够完成机械几何零件的参数设计和机械机构运动仿真分析。可以根据需要逐步动手制作完成整个作品，在整个过程中学生可以学习到工程应用软件的相关知识和技能，教师在此基础上可以进一步引导学生利用这些软件进行机械原理仿真和实验结果分析。

以全国大学生机械创新设计大赛为例，在主题为“智能家居、幸福家庭”的第九届“中铁工业杯”竞赛中，集美大学诚毅学院共有5 组作品从福建省省赛中脱颖而出，占据了福建省推荐参加国赛总数（14项）1/3。由此成绩可以看出，学生的竞赛成绩一方面是依托学校的精心筹划与组织，另一方面也是学生机械创新设计能力和动手实践能力提升的体现。在最后的国赛中，5 件作品获得了2 项国家一等奖，3 项国家二等奖的好成绩。其中，“智能折叠多功能一体桌”这件作品是学生在实际上课过程中通过观察桌子结构，并利用所学知识设计而成的。在设计过程中，学生以独立综合实验逐步的验证自己想法的可行性，然后利用课余时间学习单片机和实物模型制作等知识，并结合减速电机、同步带传动机构等知识完成了实物样机制作。可以看出，结合竞赛开放性实验能够调动学生的自主探索学习兴趣，进一步锻炼学生利用所学知识分析问题和解决问题的能力。

通过3 年的实践发现，这种模式的教学不但激发了学生主动学习的兴趣，提高了学生的设计效率，而且拓展了学生创新设计思维能力，培养了学生的动手能力。通过相关企业的学生满意度问卷调查，结果如图4 所示，发现在这种模式下培养的3 批学生在就业市场中更受企业的青睐，且能够更好地适应现代企业对工程型应用人才的要求，运用所学原理知识解决实际问题的能力较强。

图4 企业满意度调查结果

2.2 开放性管理与考核

实验考核是对学生整个实验过程的综合考评。科学合理的考核管理制度有利于激发学生的学习兴趣，根据不同层次的实验要求，具体应采用不同的考评管理办法，如图5 所示。

图5 考评管理办法

2.2.1 课内基础实验考核

第一层次的课内基础实验需要以班级为单位进行实验教学，考评时需要按照实验考勤、实验表现和实验报告情况评定实验成绩，并将其作为机械原理课程总成绩的一部分。

2.2.2 独立综合实验考核

独立综合实验考核除了要学习实验涉及的基础机械原理外，还有机械设计、机电一体化、可编程控制、液压与气动等多门课程，因此独立综合实验经常在学生选课课程中出现，完成后才能获得选修学分。独立综合实验由教师预先布置实验主题，然后分小组完成实验项目。每个小组根据主题内容，在规定的期限内完成查找资料、自由发挥设计和完成慧鱼模块搭建等实验项目。最后在实验考试考察阶段，学生需要总结汇报自己的设计意图、完成情况及作品演示，以锻炼提升学生自身的表达与沟通能力，教师根据综合表现给小组成员评定成绩。在评定成绩时，平常成绩（10%＋40%）和最后实验考试考察（50%）的比重相当，减少了学生只重视期末考试而忽略平时积累的情况。

2.2.3 竞赛开放性实验考核

竞赛开放性实验只面向对机械类学科竞赛感兴趣的学生。参与学科竞赛是激发学生主动探索兴趣和提升综合实践能力的重要方式，学生在此期间往往会在实验室中单独学习，所以一定要考虑实验安全问题。结合企业培训考核合格上岗制度，学校也可实行实验室准入制度，学生要预先通过实验室考试才能在实验里学习。实验室准入培训包含了实验室准则、安全操作规范、应急避险方案、急救操作等模块的培训与考试。在使用具体实验台时还要参与具体机台操作学习并通过考核，才能将相应机台刷卡上电，否则无使用权限。使用权限可与校园卡绑定，当学生没有遵守安全使用规则时，管理教师可以取消学生的使用权限，学生只有再次学习合格后方可再次进入实验室。实验室应定期组织学生进行安全培训和安全应急预案演练，以培养学生的安全职业意识。在整个实验过程中师生全程共同参与方案可行性论证、方案实施和竞赛组织，避免学生在此期间遇到问题时无人指导。学生完成整个竞赛开放性实验可根据学院管理办法，由实验中心统一认定获得相应的奖励性学分。

3 结语

本文针对学校现阶段机械原理实验教学中存在的不足，提出课内基础实验、独立综合实验、竞赛开放实验的3 个层次实验教学。其中，第一层可使学生掌握基础知识，第二层次注重学生动手实践能力和设计创新能力的培养，第三层次注重职业安全意识和自主探索能力的培养。针对3 个层次实验教学设计了合理的考评机制进行科学考评，能够提升学生学习的主动性，也为后续机械原理实验教学提供了借鉴。