申?duì)D，李平正，王明強(qiáng)，袁明新

（江蘇科技大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，江蘇張家港 215600）

0 引言

《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程是工科院校機(jī)械類專業(yè)的主干課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題，尤其是機(jī)械綜合設(shè)計(jì)能力起著至關(guān)重要的作用。機(jī)械原理和設(shè)計(jì)課程具有實(shí)踐性強(qiáng)、與工程實(shí)際結(jié)合緊密的特點(diǎn)，因此這兩門課程的實(shí)踐教學(xué)一直是機(jī)械類專業(yè)教學(xué)體系中的重要一環(huán)。實(shí)踐教學(xué)的好與壞不僅影響學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的理解程度，而且直接決定了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，解決實(shí)際工程問題的能力。目前，機(jī)械原理與設(shè)計(jì)課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)絕大部分是以演示型和驗(yàn)證型為主。如《機(jī)械原理》課程的“漸開線齒輪范成原理”實(shí)驗(yàn)，《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程的“測(cè)定帶傳動(dòng)的效率和滑動(dòng)率”實(shí)驗(yàn)。在這些實(shí)驗(yàn)中，很少有學(xué)生能發(fā)揮主動(dòng)性去將實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工程相結(jié)合進(jìn)行探索，更多的是扮演一個(gè)被動(dòng)角色，按照既定實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行簡(jiǎn)單操作。加之部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)數(shù)又少，每組人數(shù)又多，很多同學(xué)在實(shí)驗(yàn)時(shí)只是走馬觀花地應(yīng)付了事，這大大降低了實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)起到的效果［1］，達(dá)不到對(duì)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，改革機(jī)械原理與設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)，提高實(shí)踐教學(xué)效果是刻不容緩的大事。

1 機(jī)械原理與設(shè)計(jì)的實(shí)踐改革

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革

根據(jù)機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)，并結(jié)合我院的實(shí)際情況，課題組首先對(duì)兩門課程的實(shí)驗(yàn)形式進(jìn)行改革，將原課內(nèi)實(shí)驗(yàn)改為實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)獨(dú)立設(shè)置形式，并進(jìn)行單獨(dú)考核和計(jì)學(xué)分;其次對(duì)這兩門課程的實(shí)驗(yàn)課時(shí)進(jìn)行調(diào)整，由原來的16學(xué)時(shí)調(diào)整到目前的22學(xué)時(shí)，主要用來增開綜合設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，從而提供培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維能力的機(jī)會(huì);再次對(duì)這兩門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系［2-3］進(jìn)行改革。按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律，以對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)而完整的方法和技能訓(xùn)練為目的，在保持實(shí)驗(yàn)內(nèi)容新穎和有特色的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和項(xiàng)目進(jìn)行改革和組合，分類設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，構(gòu)建完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系，使實(shí)踐教學(xué)效果最佳化。為此，課題組將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容劃分為如表1所示的三個(gè)模塊共11個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中綜合性和創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目6項(xiàng)，占所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的54.5%，是改革前的4.4倍，這為培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)解決工程實(shí)際問題奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

表1 改革前后機(jī)械原理與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)體系對(duì)比

1.2 綜合性課程設(shè)計(jì)的改革

目前，多數(shù)高?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)”的課程設(shè)計(jì)［4-5］題目是二級(jí)齒輪減速器。設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括電動(dòng)機(jī)的選擇、減速器的設(shè)計(jì)和聯(lián)軸器的選擇等。設(shè)計(jì)的工作量主要有減速器裝配圖一張、重要齒輪和軸的零件圖，以及一份設(shè)計(jì)說明書。通過課程設(shè)計(jì)，大多數(shù)學(xué)生感到收獲較大，認(rèn)為“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)是課堂學(xué)習(xí)代替不了的，能夠鍛煉自己設(shè)計(jì)和分析問題能力的極好機(jī)會(huì)。但從“機(jī)械設(shè)計(jì)”的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和效果來看，目前還存在如下問題:1）學(xué)生不能將作品與工程實(shí)際相結(jié)合;2）設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品性價(jià)比很低，甚至無法加工;3）無法發(fā)揮自身主動(dòng)性和創(chuàng)造性，更多是按圖索驥式設(shè)計(jì)，積極性不高。因此，引入一些新的課程設(shè)計(jì)題目是當(dāng)務(wù)之急。課題組在綜合性課程設(shè)計(jì)改革方面，一方面將課程設(shè)計(jì)題目與我校的辦學(xué)特色相結(jié)合，提出了比如海洋起重機(jī)、船用夾板起重機(jī)和船用夾板機(jī)械等設(shè)計(jì)題目;另一方面結(jié)合教師科研項(xiàng)目，從中提煉出課程設(shè)計(jì)題目。通過這些改革使課程設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐結(jié)合更緊密，進(jìn)而更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1.3 開展第二課堂，提升創(chuàng)新能力

為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，課題組根據(jù)機(jī)械原理與設(shè)計(jì)的課程教學(xué)內(nèi)容，聯(lián)合一些學(xué)有余力的同學(xué)積極開展第二課堂活動(dòng)。首先，連續(xù)兩年成功申報(bào)到學(xué)校本科創(chuàng)新項(xiàng)目，其中服務(wù)機(jī)器人及其導(dǎo)航系統(tǒng)在2011年受到江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃的支持，這些項(xiàng)目基本上都是以機(jī)械設(shè)計(jì)為主，里面涉及到了方案設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)計(jì)算和選用等知識(shí)點(diǎn)，涵蓋了機(jī)械原理和設(shè)計(jì)的主要知識(shí)點(diǎn)，通過工程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)來提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力;其次，積極指導(dǎo)學(xué)生參與兩年一度的機(jī)械創(chuàng)新比賽。2010年的“四軸飛行器”和2012年的“智能家居中服務(wù)機(jī)器人及其導(dǎo)航系統(tǒng)”作品分別榮獲江蘇省機(jī)械創(chuàng)新二等獎(jiǎng)。2012還指導(dǎo)學(xué)生參加了全國(guó)機(jī)械創(chuàng)新慧魚組的比賽，三項(xiàng)機(jī)械作品皆榮獲三等獎(jiǎng)。通過這些比賽，學(xué)生們?cè)讷@得榮譽(yù)的同時(shí)，更為關(guān)鍵的是通過項(xiàng)目提升了自身的科研能力，提升了自信心，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

2 綜合性實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)與實(shí)踐

為了進(jìn)一步闡述課題組在實(shí)踐教學(xué)改革方面的內(nèi)容和效果，本節(jié)給出表1中模塊二的綜合實(shí)踐二教學(xué)案例。已知如圖1所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，假設(shè)曲柄轉(zhuǎn)角α=α0～（α0+1800），要求滑塊按照H（α）=H0×sin2（α －α0）輸出，α0和h0分別為曲柄在最左端時(shí)，曲柄初始角和滑塊初始位置［6］。

該綜合實(shí)驗(yàn)的要求:以滑塊實(shí)際輸出值與期望值的波動(dòng)最小為目標(biāo)，根據(jù)機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)室的曲柄導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)測(cè)試及設(shè)計(jì)平臺(tái)（圖2），進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)（即r，l，e）的優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)過程包括以下幾個(gè)步驟:

1）學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選取x=［r，l，e］T為設(shè)計(jì)變量，將曲柄轉(zhuǎn)角范圍劃分100等份，然后建立如下目標(biāo)函數(shù):

建立約束條件:

2）根據(jù)圖2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量出設(shè)計(jì)變量范圍:r∈［0.45，0.58］，l∈［0.28，0.34］，e∈［0，0.15］，單位為 m。

3）將式（1）作為適應(yīng)度函數(shù)，利用遺傳算法，按照?qǐng)D3優(yōu)化流程獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)變量:r=0.576 m，l=0.28 m，e=0.055 m。

圖3 基于遺傳算術(shù)的變量?jī)?yōu)化流程

4）根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)圖2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整設(shè)計(jì)，并結(jié)合動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)獲得滑塊最終運(yùn)動(dòng)曲線，如圖4所示。圖中給出了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的滑塊位移、速度和加速度曲線。

圖4 滑塊測(cè)試結(jié)果

該綜合性實(shí)驗(yàn)一改以往單純按照要求進(jìn)行驗(yàn)證性構(gòu)件測(cè)試，而是根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行有目的性優(yōu)化、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。該綜合性實(shí)驗(yàn)涉及到了數(shù)學(xué)建模、優(yōu)化、人工智能、機(jī)械、測(cè)試等知識(shí)，較好地實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的知識(shí)貫通，在加強(qiáng)動(dòng)手能力同時(shí)，也提高了學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié)語(yǔ)

《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程是機(jī)械類專業(yè)非常重要的主干課，為了提高實(shí)踐效果，對(duì)這兩門課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)體系進(jìn)行了改革。將原實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化、組合，并增設(shè)新的設(shè)計(jì)性、綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使實(shí)驗(yàn)水平由淺入深，實(shí)驗(yàn)過程從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從單點(diǎn)到多點(diǎn)，循序漸進(jìn)，較好地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，達(dá)到了改革目的。

［1］任金波，張翔.《機(jī)械原理》與《機(jī)械設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐［J］.福建農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，14（3）:108-111.

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