自制教具在本科生机械实验课中的应用

唐明祥， 杨旭光， 王 成， 丁雪梅， 董桂军

（1.吉林大学植物科学学院，吉林 长春 130062； 2.吉林大学动物科学学院，吉林 长春 130062）

0 引言

吉林大学植物科学学院农学、植物保护、园艺、资源与环境4 个专业均开设唯一的一门机械课程，每门课程32 学时，实验6 学时。受学时、学科、经费等限制，该课程的实验设备陈旧老化、台套数少，学生均为非机械涉农专业，无机械基础，教学质量低。针对这一现状，笔者着手研制相关教具，针对性地研制了电控排种器实训装置、喷头工作状态实验装置、柴油机启动系统实验装置3 套教具，并将这些教具有效地融入到机械课程的实验教学及校开放性创新实验，教学效果明显提高。

1 自制教具概述

1.1 自制教具概念

自制教具主要是针对现有教学问题，有目的地对现有仪器进行改装重组或者利用生活中的器材，结合新的制作工艺或者设计新的原理制作而成的教具[1]。

自制教具能够体现教育思想、教学方法；能够完成教学目标、教学内容；具有科学性、教育性、直观性和趣味性[2-3]。

1.2 自制教具意义

1.2.1 补充教学设备不足

由于植物科学学院的机械学科不招生，以致学科不占优势，很难申请足够的经费购买教学设备，现存设备陈旧老化、数量不足、针对性不强，为缓解这一突出矛盾，笔者研制了3 套典型教具，实践证明，自制教具对弥补教学仪器不足是行之有效的[4-6]。

1.2.2 激发学生上实验课的兴趣，开阔学生视野

常言道，兴趣是最好的老师，好奇心是成功的起点。通过自制教具可以设置一些情景模式，激发学生学习的兴趣与求知欲。研制的教具均为基于计算机控制技术的机械，学生特别感兴趣，都想亲手操作，探个究竟，这些教具又是学生没有见过的，由此开阔了学生的视野。

1.2.3 可有效缩短实验时间，见效快

自制教具便于观察与操作，在短时间内就能完成实验。电控排种器实训装置可以随时为学生演示或学生亲自动手操作，在室内可以模拟播种机的工作过程，以及播种量的检查与调整，不受白天、晚上、天气等因素的限制，如果用拖拉机挂接播种机到田间进行试验，费时费力，同时还受学时数、天气、季节等客观因素的影响，在授课过程中利用自制教具可有效缩短实验时间。

2 自制教具应用及教学效果评价

2.1 背景

植物科学学院农学、植物保护等4 个涉农专业都开设1 门机械课程，其中农学和资源与环境两个专业开设的机械课程是“农业机械与应用”，植物保护专业开设的机械课程是“植保机械与应用”，园艺专业开设的是“园艺机械与应用”，这3 门课程均为32 学时，其中实验课6 学时，设有3 个实验（表1），每个实验2 学时。不难看出，这3 门课程的实验学时少，学生没有机械基础知识，而且在授课时受客观因素限制，只能采取对照实物讲解示范，学生没有实际动手操作的机会，同时现有实验设备针对性不强，致使学生理解理论课所讲内容困难。为此，从2013 年开始，历时6 年，研制了3 套教具，分别是电控排种器实训装置（图1）、喷头工作状态实验装置（图2）、柴油机启动系统实验装置（图3）。

图1 电控指夹式排种器实训装置Fig.1 Training device for electric control finger clip seed metering device

图2 喷头工作状态实验装置Fig.2 Experimental device for nozzle working state

图3 柴油机启动系统实验装置Fig.3 Experimental device for diesel engine starting system

表1 3 门机械课开设的实验Tab.1 Experiment of three mechanical courses

2.2 自制教具具体功能

2.2.1 电控排种器实训装置

电控排种器实训装置由播种单体、环形轨道、行走控制器、遥控器等组成，其中播种单体由电控排种器、种子箱、行走电机、行走传感器、播种控制器、自动清种器等组成（图4）。工作时，首先接通电源，操作遥控器上的“C”键，可以控制播种单体在环形轨道上行走的启动、停止，通过遥控器上的“A” “B”键可以改变播种单体在环形轨道上行走的快慢，只要将播种单体上的播种控制器开关置于开的位置，播种单体在环形轨道上行走，电控排种器就会将种子按一定株距排到环形轨道的沙子上，自动清种器安装在播种单体的前方，在行进过程中将种子自动收纳到撮子里面，预设程序使播种单体约转1.5 圈撮子在电机的作用下抬起，沙子被筛掉，种子滚到撮子的根部，同时风机启动，将种子吸入种箱，种子被循环利用。操作遥控器上的“D”键可实时清种，即按一次“D”键，无论播种单体是否行走自动清种器工作一次。播种单体正常工作中按下遥控器上的“C”键使播种单体停止行走，即可测量株距，如果实测株距与理论株距（农艺要求）不一致，通过播种控制器上的“+”、“-”键调整，长按播种控制器上的“+”键持续大约10 s，屏幕上显示对应的驱动轮直径（因为行走传感器是根据指定拖拉机驱动轮的直径设计的），此时操作播种控制器上的“+”、“-”键改变驱动轮直径进行微调，接着再试验，直至调试到实测株距与农艺要求的株距最接近为止[4]。

图4 电控排种器实训装置结构Fig.4 Structure of training device for electric seed metering device

装置特点：利用环形轨道代替播种机播种作业的直线轨迹；通过自动清种器实现自动清种；可以直观地观察播种机核心工作部件-排种器的工作情况，可以测量株距与调试株距；该装置完全可以模拟播种机的工作过程及株距的调试，实验装置可以全天候使用。

2.2.2 喷头工作状态实验装置

喷头工作状态实验装置由电机水泵总成、液晶显示屏、喷头等组成（图5）。工作时，首先插上电源，合上空气开关，红色指示灯亮，然后按下指示灯下面的开关，红色指示灯熄灭，绿色指示灯亮，说明系统内已经通电，液晶显示屏亮起并进入开机画面，用手指触摸屏幕上任意位置便进入到主页面，通过主页面可以浏览各种典型喷头的相关知识。实验时，只需点击进入相关喷头的实验画面（图6），通过调节供电频率（0～50 Hz），电机水泵总成的转速就发生变化，实验装置系统内的压力随之改变，可观察喷头在不同压力下的工作情况，以及测量喷头在一定条件下的喷射距离或喷射半径等参数，利用相关软件分析所测数据，观察喷头的喷射距离或喷射半径随频率和压力的变化规律[5]。

图5 喷头工作状态实训装置结构Fig.5 Structure of sprinkler working state training device

图6 喷头工作状态实验装置实验画面Fig.6 Experimental picture of nozzle working state experimental device

装置特点：可直观展现不易观察和理解的各种喷头，学生通过对实验装置的亲手操作来提高其实践动手能力；通过改变供电频率调节电机水泵总成的转速，进而实现改变实验装置系统内的水压，满足实验各种喷头喷雾所需压力；触摸屏不但可以直观显示实时水压和频率，还可以人机交互，操作简便。

2.2.3 柴油机启动系统实验装置

自制教具柴油机启动系统实验装置由单缸柴油机、机油压力传感器、蓄电池等组成（图7）。工作时，按下液晶显示屏右侧电源按钮，微控制器由电源转换模块供电，AD 采集模块通过转速传感器、水温传感器、机油压力传感器将采集到单缸柴油机的转速、水温、机油压力传给微控制器，由微控制器处理之后通过显示模块传给液晶显示屏（图8），并由液晶显示屏的实验画面显示（图9）。在实验画面上操作电启动的两种模式，操作屏幕上的“适时启动”或者“一键启动”按钮启动柴油机，当驱动模块接到启动指令时，启动电路接通，起动机带动单缸柴油机转动并实现启动[6]。用手指按住“适时启动”按钮启动电路接通，柴油机在起动机带动下运转，当手指离开“适时启动”按钮启动电路立即断开；操作一键启动时，当手指点一下“一键启动”启动电路便接通，起动机带动柴油机运行3 s 启动电路立即断开，无特殊情况，柴油机被启动。

图7 柴油机启动系统实验装置结构Fig.7 Structure of experimental device for diesel engine starting system

图8 柴油机启动系统工作原理Fig.8 Working principle of diesel engine starting system

图9 柴油机启动系统实验装置实验画面Fig.9 Experimental picture of diesel engine starting system experimental device

柴油机启动系统实验装置以一个单缸柴油机代表内燃机，既可人力启动，也可电力启动。电力启动中的“适时启动”和“一键启动”两种模式通过液晶显示屏进行操作完全可以模拟汽车的无钥匙进入启动。

2.3 自制教具应用及教学效果评价

为了改变实验课的教学模式，提高学生上课的积极性，提高教学效果，笔者多年来一直在机械实验课中使用研制的教具，收到了良好的效果。

2.3.1 自制教具应用

（1）机械实验课的传统教学模式。

由于授课时、设备台套数等的限制，只能按传统模式（图10）进行授课：课前，通知学生预习实验课的相关内容；课中，教师只能依托现有陈旧设备给学生讲解，然后留出少许时间和学生进行互动，由于学生是涉农专业，没有机械基础，课堂上讲解的内容学生理解非常困难，在互动环节，学生很难提出问题；课后，学生按老师要求完成作业。实践证明该传统教学模式无法激起学生上课的积极性和主动性，难以掌握所学内容，课堂效率较低[7]。

图10 传统教学模式Fig.10 Traditional teaching mode

（2）基于自制教具的混合教学模式。

基于传统教学模式的缺陷，将研制的教具融入到机械实验课，并构建了“引入自制教具的混合教学模式”（图11）。

图11 引入自制教具的混合教学模式Fig.11 Mixed teaching mode of introducing self-made teaching aids

课前，教师将自制教具的基本结构、工作原理及使用操作等录制成小视频，根据自制教具的数量及特点设计出合理的分组方案，设计思考题，提前3～7 d 将准备好的自制教具小视频、自制教具说明书、分组方案、思考题及相关电子版的资料等通过QQ 群传给学生。学生根据教师上传在QQ 群上的材料认真预习，并按要求完成分组和思考题，对不会的思考题做上标记，在这个期间师生通过QQ 群可以随时交流。

课中，教师的角色主要是针对实验内容进行提问，检查学生预习情况，同时回答学生提出的疑问，指导学生实际动手操作自制教具，最后总结实验情况，同时对关键点给学生进行指导；学生的角色主要是回答教师的提问，对不会的地方向教师请教，实际动手操作自制教具，同学之间交流助力有效掌握实验内容。

课后，教师的主要任务是批改实验报告，总结实验过程并结合学生提出的合理化建议进行下次实验课的改进[8-11]。

2.3.2 教学效果评价

为了比较准确地评价自制教具在机械实验课中进行应用的教学效果评价，设计了调查问卷，涉及7 个问题，分别是教学模式的认可度、提高学习兴趣的程度、提高自学能力的程度、提高创新思维能力的程度、自制教具的适用性、自制教学的可靠性、自制教具的可操作性[12]。笔者抽选2018 级农学专业29 名本科生进行了调查，调查结果如图12 所示。

图12 自制教具应用满意度调查情况Fig.12 Satisfaction survey of self-made teaching aids

从图12 可以看出，在机械实验课中融入自制教具之后的新教学模式，学生的认可度达96%、提高学生学习兴趣的程度达95%、学生自学能力的提高程度达97%，同时对自制教具的适用性、可靠性和可操作性的认可度均在90%以上。由此说明自制教具的应用是成功的。

除此之外，还将研制的教具应用在学校的开放性创新实验。将电控指夹式排种器实训装置应用在开放性创新实验“精量播种的控制与调试”，学生可通过该实验装置模拟播种机的工作、调试。将喷头工作状态实验装置应用在开放性创新实验“喷头工作状态的试验与分析”，同样学生可以通过该实验装置来实验各种典型喷头在不同压力下的工作情况，还可以通过改变电机水泵的供电频率达到改变电机水泵的转速，从而改变系统内的压力，测试喷头的喷射距离、半径、高度等参数。将柴油机启动系统实验装置应用在开放性创新实验“基于柴油发动机的启动逆向研究其主要结构及工作原理”，学生通过实验装置可以浏览内燃机的结构、工作原理等基本知识，还可以通过实验装置练习内燃机的启动，包括人力启动和电力启动，尤其是通过实验装置“适时启动”和“一键启动”启动内燃机，完全能够模拟当今汽车无钥匙进入启动。这3个教具在开放性创新实验中的成功应用，同样得到了学生极大地认可，学生实验的积极性与主动性持续高涨，对实验课的兴趣浓厚，学生创新思维能力得到了提高，学生对自制教具的认可度非常高，尤其是对学生实践动手能力的培养效果明显，教学质量显著提高。

3 结束语

多学科交叉的3 套自制教具在本科生机械实验课中多年的应用实践证明，自制教具不仅具有针对性强和弥补实验设备不足的特点，还能提高学生上课的积极性，培养学生观察问题、分析问题、解决问题、创新思维、实践动手等诸多能力；同时研制教具可以锻炼师资队伍。在实验教学中构建的“引入自制教具的混合教学模式”在非机械涉农专业的机械实验教学中应用效果显著，是提高教学质量的有效途径。