周曉玲, 汪中厚, 徐名聰

?

機(jī)械系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的構(gòu)思與實(shí)踐

周曉玲, 汪中厚, 徐名聰

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 上海200093)

論述了影響我國(guó)機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的存在問題,構(gòu)思了機(jī)械系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)方案試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)思想,分析了該試驗(yàn)臺(tái)的組成原理,介紹了試驗(yàn)臺(tái)的功能以及開設(shè)該實(shí)驗(yàn)后的實(shí)際教學(xué)效果。

機(jī)械系統(tǒng); 集成; 實(shí)驗(yàn)

機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)是我國(guó)各高校機(jī)械類專業(yè)所有學(xué)生必修的具有實(shí)踐性的課程環(huán)節(jié),不僅從短期看,為后續(xù)專業(yè)課程以及畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ),而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看,在培養(yǎng)學(xué)生良好的觀察與動(dòng)手能力、一定的科研基礎(chǔ),以及應(yīng)有的創(chuàng)新能力方面起著舉足輕重的作用。

一、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

建國(guó)以來,由于我國(guó)的大學(xué)教育課程沿襲了前蘇聯(lián)的課程體系,對(duì)于當(dāng)時(shí)的中國(guó)來說,應(yīng)該說是取得了很大的成功。但是,隨著時(shí)代的發(fā)展,我國(guó)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與那些制造業(yè)強(qiáng)國(guó),如美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的重視就顯得明顯不夠。盡管經(jīng)過近年來遍布全國(guó)的本科評(píng)估,各校的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平有了顯著的提高,但仍存在不足之處,具體主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.重理論輕實(shí)驗(yàn)

重理論輕實(shí)驗(yàn),不利于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。自上世紀(jì)50年代以來,我國(guó)各工科高校機(jī)械工程專業(yè)普遍都是重視專業(yè)理論教學(xué),在師資力量的配備方面,也是將優(yōu)秀教師幾乎都集中到理論課教學(xué)領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)課的師資力量相對(duì)較弱,且有相當(dāng)數(shù)量的實(shí)驗(yàn)教師上課時(shí)講解和演示過細(xì),對(duì)學(xué)生們的理解能力差異與可能性重視不足,僅著眼于準(zhǔn)時(shí)、快速地完成實(shí)驗(yàn),而沒有著眼于在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi),如何使學(xué)生盡可能掌握實(shí)驗(yàn)原理和儀器的使用方法,進(jìn)而培養(yǎng)好學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。

2.方法與手段陳舊

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與手段陳舊,不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生每人都有一本類似于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)過程的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告書。一般來說,學(xué)生只要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上提供的實(shí)驗(yàn)要求、方法、步驟,就可以基本完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自己不需要多動(dòng)腦筋,最后導(dǎo)致不求甚解,實(shí)驗(yàn)效果不盡如人意。在很多情況下,只有一部分同學(xué)能夠操作一下實(shí)驗(yàn)儀器。這些都會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、分析問題的能力以及解決問題的能力不能得到充分培養(yǎng),更談不上探索精神和創(chuàng)造力的培養(yǎng)。

3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一,缺乏連貫性和系統(tǒng)性,不利于學(xué)生系統(tǒng)性學(xué)習(xí)。專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課大多是單純?yōu)橐婚T課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn),而且基本上都是理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),這對(duì)于某一個(gè)理論與概念的理解進(jìn)行加強(qiáng)鞏固是非常有幫助的。但由于這些實(shí)驗(yàn)課都附屬于相應(yīng)理論課部分,很多實(shí)驗(yàn)課程相互獨(dú)立,綜合性不強(qiáng),學(xué)生可操作性項(xiàng)目也不多。這不僅不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng),也不利于學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)理論,更無法達(dá)到理論與實(shí)驗(yàn)相互融會(huì)貫通的目的。

二、機(jī)械系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的及設(shè)計(jì)思想

針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的不足,基于兩個(gè)思路來考慮實(shí)驗(yàn)裝置：a.機(jī)械系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)力求為大學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)問題提供了一個(gè)實(shí)踐的平臺(tái),即集設(shè)計(jì)、拼裝、控制、動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)、檢測(cè)于一體。學(xué)生可通過設(shè)計(jì)和組裝實(shí)踐加深對(duì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合認(rèn)識(shí),在更高層次上啟迪創(chuàng)新思維。b. 努力使機(jī)械系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)臺(tái)成為開放性平臺(tái),它為學(xué)生們提供了開放式的機(jī)械平臺(tái)、基本零部件庫(kù)以及開放式的軟件平臺(tái)等。學(xué)生可根據(jù)平臺(tái)自行設(shè)計(jì)確定實(shí)驗(yàn)方式。因此,按照以下幾個(gè)目的構(gòu)思并設(shè)計(jì)了本試驗(yàn)臺(tái)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法。

1.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

學(xué)生自主構(gòu)思實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量方法,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)多數(shù)是老師動(dòng)手,學(xué)生看,或者是按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)來操作,或者是僅僅記錄一下儀表數(shù)據(jù)而已,無法達(dá)到融會(huì)貫通的目的。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置只是提供一個(gè)拓?fù)涔潭?gòu)架,以及相應(yīng)的元件庫(kù)(見下頁(yè)表1),由學(xué)生自己構(gòu)思實(shí)驗(yàn)裝置方案與測(cè)量方法,從而達(dá)到良好的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力

學(xué)生能夠直接裝拆組合實(shí)驗(yàn)設(shè)備,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。學(xué)生根據(jù)需要和功能設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系 統(tǒng),確定機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置方案,在實(shí)驗(yàn)裝置方案確定好以后,根據(jù)方案選擇傳動(dòng)零部件,并進(jìn)行安裝、連接、調(diào)試,直至運(yùn)轉(zhuǎn)(可參考產(chǎn)品的裝配圖)。這些過程,對(duì)于一直沒有機(jī)會(huì)動(dòng)手安裝與調(diào)試儀器設(shè)備的學(xué)生來說,是一個(gè)很好的機(jī)會(huì),可以極大地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

3.具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方案

比如在實(shí)際實(shí)驗(yàn)方案處理中,主要有3個(gè)方面具體內(nèi)容來讓學(xué)生考慮：a. 利用給定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及零部件庫(kù),組合出滿足一定要求的機(jī)械系統(tǒng); b. 通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,分析機(jī)械系統(tǒng)的性能,評(píng)價(jià)傳動(dòng)方案的優(yōu)劣; c. 通過實(shí)驗(yàn)了解機(jī)械系統(tǒng)輸入端轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與輸出端轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。

三、實(shí)驗(yàn)構(gòu)成

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械的重要組成部分,其作用不僅是為了實(shí)現(xiàn)減速(或增速)、變速、轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式以及使各執(zhí)行構(gòu)件協(xié)調(diào)配合工作等運(yùn)動(dòng)要求,同時(shí)還將原動(dòng)機(jī)輸出的功率和轉(zhuǎn)矩傳遞到執(zhí)行構(gòu)件上去,以克服生產(chǎn)阻力。實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)和傳遞動(dòng)力是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的兩個(gè)基本任務(wù),也是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所需解決的兩個(gè)主要問題。為了使學(xué)生深刻理解與掌握這些基本原理,采用了以下傳動(dòng)方案。

1.采用相同的減速器組建傳動(dòng)方案

該類方案是在選定一種減速器(擺線針輪減速器或圓柱齒輪減速器)的條件下,通過設(shè)計(jì),選擇合適的電機(jī)、帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng)與減速器共同構(gòu)成滿足要求的傳動(dòng)方案。在構(gòu)成傳動(dòng)方案時(shí)傳動(dòng)路線各不相同,即帶、鏈以及減速器在方案中的位置可任意設(shè)置。

表1 元件庫(kù)

Tab.1 The units and parts

2.采用不同的減速器組建傳動(dòng)方案

該類方案是在選用兩種不同的減速器時(shí)(即比較采用擺線針輪減速器或圓柱齒輪減速器時(shí)的方案),通過設(shè)計(jì),選擇合適的電機(jī),采用相同的傳動(dòng)路線、相同的傳動(dòng)元件(帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng))與不同的減速器共同構(gòu)成滿足要求的傳動(dòng)方案。

可見,在采用相同的減速器、不同的傳動(dòng)元件與傳動(dòng)路線時(shí),有很多種機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案構(gòu)成方式;在采用不同的減速器、相同的傳動(dòng)元件與傳動(dòng)路線時(shí),也會(huì)有很多種機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案構(gòu)成方式。在實(shí)驗(yàn)時(shí),要求學(xué)生根據(jù)給定的條件,設(shè)計(jì)出所有可能的機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案(即進(jìn)行傳動(dòng)方案的綜合設(shè)計(jì)),從元件庫(kù)中選用適當(dāng)元件,在實(shí)驗(yàn)臺(tái)平板上用所選的元件來依次搭建所有傳動(dòng)方案所對(duì)應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng),并進(jìn)行裝配、調(diào)試,然后對(duì)這些搭建好的機(jī)械系統(tǒng)分別進(jìn)行傳動(dòng)效率測(cè)試。通過對(duì)效率、成本、噪聲及振動(dòng)等因素的比較,比出傳動(dòng)方案的優(yōu)劣,從而找出最優(yōu)的機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案。

四、實(shí)施方法

首先,由教師介紹實(shí)驗(yàn)的基本原理及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,將機(jī)械設(shè)計(jì)里關(guān)于減速器、帶、鏈以及聯(lián)接件等內(nèi)容同實(shí)驗(yàn)室的元件實(shí)物聯(lián)系起來進(jìn)行講解,讓學(xué)生通過對(duì)實(shí)物的認(rèn)知來加深對(duì)書本上知識(shí)的認(rèn)識(shí),由想象到形象,對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容有了更加直觀的了解。

其次,提出實(shí)驗(yàn)要求,讓學(xué)生按一定的實(shí)驗(yàn)規(guī)范,設(shè)計(jì)并搭建一個(gè)符合特定要求的機(jī)械系統(tǒng)。學(xué)生以3~4人為一組,自由組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與以往老師做實(shí)驗(yàn)給學(xué)生看的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式相比,學(xué)生積極性明顯提高。大家形成一種競(jìng)爭(zhēng)氣氛,參與性很高,都希望自己所在小組可以做得更快更好。

實(shí)驗(yàn)完成后,學(xué)生需提交以下實(shí)驗(yàn)成果。

1. 在所提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建一套符合要求的機(jī)械系統(tǒng)。

2. 設(shè)計(jì)報(bào)告,包括：

1) 最終方案的CAD圖;

2) 方案設(shè)計(jì)階段各種方案的手繪設(shè)計(jì)草圖;

3) 佐證設(shè)計(jì)方案的各種分析。

3. 口頭答辯。

最后進(jìn)行分組答辯,每個(gè)小組成員都要參加。學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況見表2。

圖1是一例學(xué)生自己搭建的實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)學(xué)生的反饋信息,他們的積極性提高了很多,少了過去濫竽充數(shù)的狀況。存在的不足一點(diǎn)是,極少數(shù)同學(xué)不愿意動(dòng)手,只是在旁邊觀看,缺少積極性和參與意識(shí)。

圖1 學(xué)生自主搭建的實(shí)驗(yàn)裝置

表2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況

Tab.2 Experimental conditions of students

五、結(jié)論

通過開設(shè)機(jī)械系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn),使學(xué)生進(jìn)一步加深了解了機(jī)械設(shè)計(jì)中有關(guān)通用化、系列化的知識(shí),了解了現(xiàn)代測(cè)試儀器及測(cè)試手段,拓寬了學(xué)生的視野和知識(shí)面,對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力以及動(dòng)手能力起到了很好的推動(dòng)作用,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和從事生產(chǎn)技術(shù)工作打好基礎(chǔ)。同時(shí),培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神,鍛煉了科研隊(duì)伍,為今后的實(shí)驗(yàn)上水平、上臺(tái)階積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 郭鐘寧, 駱潔嫦, 陳新. 機(jī)械工程類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的改革與創(chuàng)新[J]. 中國(guó)高教研究, 2001, (11): 85-86.

[2] 趙晴, 方開榮. 機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合改革[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2005, 24(7): 9-10.

[3] 吳天星, 汪進(jìn), 許林, 等. 機(jī)械基礎(chǔ)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2007, 21(5): 15-18.

[4] 朱瑞. 機(jī)械系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研究與二次開發(fā)[J]. 機(jī)械工程師, 2008, (8): 101-103.

[5] 朱長(zhǎng)順, 楊超君, 陸杰. 基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)械傳動(dòng)方案綜合設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的研究與開發(fā)[J]. 中國(guó)制造業(yè)信息化, 2003, 2(10): 104-106.

The Practice the Idea of Teaching Methods for Mechanical System Integration Test

Zhou Xiaoling, Wang Zhonghou, Xu Mingcong

(,,,)

Foundation courses experiment is a compulsory course for every mechanical major. In the short term, it can lay a good foundation for the students’ subsequent specialized courses and graduation design, and in the long term, it plays a pivotal role in cultivating the students' observation and manipulative ability, scientific research ability and innovation ability. This paper mainly discusses some problems that influence foundation experiment teaching in our country, summarizes the design aim and design thought of the test stand of Mechanical system integration experiment scheme, introduces the theory of constitution and function of the test stand in detail, above all it shows some good teaching results after opening experimental courses.

;;

TH112

A

1009-895X(2011)01-0072-04

2010-11-10

上海市第三期本科教育高地建設(shè)資助項(xiàng)目

周曉玲(1966-),女,工程師。研究方向：機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)。E-mail: wangzhonghou@yahoo.com