机械基础一体化实验环境研究与建设

江勋林，熊春友，廖飞，刘琦峰

(陆军步兵学院，江西 南昌)

一 引言

传统的机械基础实验偏重验证性实验，各实验彼此关联性较少，实验教学相对单一，无法激发学生的学习动机[1]。因此，在机械基础室建设过程中应当充分考虑到该因素，将实际工业背景结合到实验教学中去，强化综合类实验，增强实验教学应用价值。在实验课程的教学过程中，也不能只是针对学生的基础实验能力进行训练，而应该更多地考虑综合设计能力和创新实践能力[2]。这些能力的生成需要有科学的实验课程和实训内容支撑，当然也需要有机械实验室良好的实验环境支撑。

机械基础实验内容一般在理论内容教学结束后及时通过相应的实验内容加以验证，加深印象，深化理解。机械基础课程通常还安排课程的实训内容来提升创新实践能力，例如设计一个实用机械产品[3]。或通过设计项目的方式，将特定机器拆解成不同的子项目，通过项目将理论知识和创新实践结合起来[4]。在这个过程中，需要完成原理方案设计、可行性分析、结构设计和零件设计等工作。这个过程也是学生综合和创新能力的生成过程。

机械基础课程的特点要求强化学生的创新实践能力培养，从而提高学生分析问题、解决问题的能力[5]。实验教学，特别是开放实验可以高效地发挥实验室设备的价值，同时更好培养学生的创新实践能力，让学生融入到实验管理中去[6]。在实验教学和实训教学的过程中，学生可以体会“学中做，做中学” 的乐趣，通过实验成果的成就感提升学习兴趣[7]。

省时、高效的课程体系改革是当前教育改革的方向[8]，课内的理论学时在逐步减少，知识体系却在不断拓展，课后的工程实践在逐步增多，原来的灌输式教学模式将被自主学习型教学模式取代[9]。课程教学不能只是关注课内的有限学时，而应该关注学生课后的实践学习，注重学生的工程意识、工程实践动手能力及创新精神的培养[10]。

二 实验内容框架

实验教学，可使学生更好地掌握机械系统的工作原理、承载特性、影响因素分析方法，了解典型机械零部件的实验方法以及力学、机械量的测定原理与方法，进一步了解机械性能指标的重要性，促进学生在机械设计过程中能力的生成，有利于培养学生的动手能力、数据采集能力、分析与解决问题能力以及创新意识和创新能力。

一般来说，从实验类型角度，可以将实验内容区分为认知实验、验证实验、研究实验以及创新实验等类型[11]。从实验方式角度，可以将实验内容区分为必修、选修和开放等方式。根据实验类型和实验方式的二维结构模型如图1所示。机械基础实验中，认知实验主要是对课程内容中涉及到机构、零部件、模型、工具、仪器设备等的感性认知。在理论开课之前完成认知实验，可以补足部分学生的想象力短板，有利于理论教学。而理论课后的再认知，有利于理论知识的消化吸收。因此，认知实验应设置为必修实验，且部分项目可作为开放实验。验证实验主要是对理论学习中一些关键环节进行实际验证，一方面加强对理论知识的理解，一方面加强锻炼学生的动手实践能力。在理论教学过程中，可根据学生的认知程度和实际的教学效果，设置验证实验内容。验证实验大部分项目应为必修，部分项目可为选修。研究与创新实验主要是针对一些学有余力的学生设计的，教学中因材施教，使学生得到更多的锻炼和个性化发展。研究与创新实验应设置为开放实验，由学生提出实验需求，在第二课堂时间组织学生展开实验活动。

图1 实验内容体系框架

依据机械基础课程的实践要求，并结合实验室的教学条件建设情况，根据以上实验内容体系框架，构设了13项基本实验项目，具体见表1所示。

表1 基本实验项目

以上实验项目包括了机械基础实验教学的大部分内容。但是，要使学生的综合能力以及创新能力得到提升，还需要综合实践类内容做支撑。综合实践类内容不仅仅是对理论原理的验证，更让学生带着发现的眼光去完成实验，也能让学生从实验的自主行为中取得更多的获得感，激励学习动机。而要高效地完成综合类实验，就需要有一体化实验环境做支撑。

三 一体化实验环境

现代实验室的发展趋势体现出形态的开放性、内容的综合性，基础实验的一体化集成可以得到更好的管理实效[12]。实验室不仅是对课程理论进行验证的场所，而且是学生动手实践能力生成的基地。现代实验环境应该是开放性的，更多地支持学生对机械科学的探索活动。因此，实验室需要在功能上高度集成，将包含有机械原理、机械设计、机械材料、机械制造等相关的实验与实训设备集成为一体，支撑学生从理论学习到机械设计实践，再从机械设计实践到机械制造实践的全过程。学生可以从理论学习中体验机械设计原理，在机械产品设计过程强化理论基础，实现知识与技能的同步提升。

图2 一体化实验环境

随着教学改革的逐步推进，机械基础的学时有逐步递减的趋势。在少学时的情况下，学生综合实验技能的提升，需要有一体化实验环境做支撑。通过若干个环节，将机械基础涉及到的实验和实训项目串联起来，构成一个闭环系统。在这个系统中，学生可以参与某个环节的实验项目，锻炼基本能力，也可以通过团队合作的方式有效地完成简单的机械产品设计。

设计环节：设计是整个课程教学的核心，是能力素质的综合体现，是将实验与实际应用结合起来。

原理验证环节：既包括对基本理论原理的验证，也包括设计产品原理方案的可进行验证。在该环节中可利用创新实验的相关设备。

制造与装配环节：让学生参与加工制造工艺要求不高的小型机械零件，体验制造与装配过程。

检验与测试环节：对加工出来的机械样品的力学性能等进行检验，测试其功能是否满足要求，让学生体验机械设备的检验环节，理解测试原理。

改进与再创新环节：根据检验与测试过程中发现的问题，对改进设计方案，集中集体智慧，对方案进行再创新。

此外，依托实验室条件建设，还设计部分课外活动项目，为学生参加第二课堂和机械创新设计俱乐部等活动提供场所和设备支撑，为学生参加相关的创新设计大赛提供学习和训练的平台。

四 实验布局链路

由于机械基础实验设备种类较多，设备大小规格难于统一。当实验教学任务不是很饱满的情况下，需要充分考虑各实验设备的功能和大小，合理布局，以便科学组织实验教学活动。

实验室布局总的要求是：功能区分，空间共享。在功能上，将实验室区分为机构零件认知实验区、机械基础验证实验区、金属材料力学性能及金属工艺实验区、机械创新设计实验区等四个区域。各区域之间通过学生的学习过程形成一个闭环链路，各区彼此独立又相互支撑。

图3 实验室布局功能链路

基础认知实验区：通过陈列柜语音播报、模型展示等方式，完成机械原理和机械设计的基本认知，通过模型将生活实例与理论设计结合起来，实现感性认知向理性认知的升华。

验证实验区：主要用于机械基础课程实验教学，对相应机构原理和零件设计进行理论认证。通过实验，让学生从基本认知进入到深度认知。

金属材料实验区：在学时少的背景下，金属材料的实验主要是弥补知识链路的不足，在掌握机械设计基本理论的基础上，能够实现材料性能的测试和小型零件的加工制造。包括数控多轴加工和三维快速成型等多种先进制造技术。

创新设计实验区：创新设计是整个链路的终点和核心，区域内主要通过一些辅助创新设计设备来帮助学生实现创意、改进创意。比如平面机构创意组合和轴系结构创意设备辅助学生进行创意设计。

五 结语

机械基础课程在培养机械类学生的创新设计能力以及工程实践能力方面具有重要作用[13]。实验教学，在工科基础类课程教学中必不可少的重要环节，也是课程建设以及学科专业建设的重要组成部分。开展好实验教学的前提，是建设好实验室。而实验室的建设则需要以学生的综合实践素质提升为根本任务，科学规划，合理布局。机械基础课内实验教学解决的是强化基本理论的理解，动手实践能力的培养，而综合能力和创新能力的提升则需要有一体化实验环境的支撑。