葛培琪， 畢文波， 朱振杰， 楊春鳳

(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

0 引 言

自“為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才？”提出以來，研究創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為了教育界關(guān)注的熱點，研究型、教學(xué)研究型大學(xué)正致力于從應(yīng)試型、知識型、技能型人才培養(yǎng)模式向綜合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變。清華大學(xué)最先借鑒美國麻省理工學(xué)院等大學(xué)經(jīng)驗，于1996年開始實施了大學(xué)生科研訓(xùn)練(SRT)計劃[1]，各高?；凇敖虒W(xué)與研究相統(tǒng)一”的研究型教學(xué)原則，開展了大學(xué)生科技創(chuàng)新活動、Seminar研討、Team Project等大學(xué)生科研能力培養(yǎng)模式的探索[2-8]。但是，上述大學(xué)生研究創(chuàng)新能力的培養(yǎng)主要是通過第二課堂來實現(xiàn)，游離于教學(xué)體制之外，參與創(chuàng)新活動人數(shù)較少，學(xué)生受益面有限[9]。在實驗教學(xué)中通過支持學(xué)生自主實驗，搞創(chuàng)新設(shè)計和實驗項目，可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)[11-13]。課題組借鑒美國大學(xué)Team Project綜合實踐教學(xué)模式[14-15]，自2005年起開展了團(tuán)隊教學(xué)方法研究[16]，依托山東大學(xué)國家級機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)示范中心，基于機(jī)械綜合實驗，從教學(xué)組織、教學(xué)內(nèi)容、考核方式等對大學(xué)生科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力進(jìn)行了培養(yǎng)模式的改革與實踐。

1 團(tuán)隊教學(xué)培養(yǎng)模式

為克服體制外第二課堂科技創(chuàng)新活動參與學(xué)生人數(shù)少的問題，結(jié)合山東大學(xué)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)教學(xué)實際情況，在大三教學(xué)計劃中設(shè)置了“機(jī)械綜合實驗與創(chuàng)新設(shè)計”必修課，將大學(xué)生科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)納入到體制內(nèi)第一課堂，并完善了研究性教學(xué)的條件和環(huán)境，形成了學(xué)生團(tuán)隊為主體的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。

1.1 教學(xué)組織

教學(xué)組織形式以綜合實驗教學(xué)項目為載體，以學(xué)生團(tuán)隊為單位進(jìn)行管理和考核，形成以學(xué)生為中心、以學(xué)生自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練為主、教師啟發(fā)和指導(dǎo)為輔的團(tuán)隊教學(xué)方法。

學(xué)生團(tuán)隊類似于高校教師的創(chuàng)新群體，但其構(gòu)建不依學(xué)生個體意愿而產(chǎn)生，而是由教師按學(xué)生前期相關(guān)課程的學(xué)習(xí)成績確定。團(tuán)隊成員之間能力應(yīng)有差異，通過共同完成項目任務(wù)，在實踐中教學(xué)相長，互相學(xué)習(xí)和幫助，形成團(tuán)結(jié)協(xié)作的一個團(tuán)隊，并在完成項目任務(wù)的過程中體會互相合作帶來的益處。由教師指定團(tuán)隊是為了模擬企業(yè)實際，因為大學(xué)生畢業(yè)后到企業(yè)或公司中工作時，他們沒有選擇所要加入團(tuán)隊的權(quán)利，一般是由主管人員指定他們到需要的工作團(tuán)隊，而他們的工作業(yè)績?nèi)Q于他們能否與團(tuán)隊成員團(tuán)結(jié)協(xié)作，發(fā)揮各自的特長，共同完成工作任務(wù)。為便于教學(xué)，學(xué)生團(tuán)隊的規(guī)模一般由3或4人組成，并制定完善的動態(tài)管理制度，授權(quán)團(tuán)隊有權(quán)解雇不合作團(tuán)隊成員，也允許個別團(tuán)隊成員從團(tuán)隊中辭職并轉(zhuǎn)投其他團(tuán)隊。

完善的團(tuán)隊運行機(jī)制是學(xué)生團(tuán)隊有效運行的保證。團(tuán)隊不同于小組，對于一個小組來說，整體等于或小于各個個體之和。對于團(tuán)隊來說，整體總是大于個體之和。要把小組轉(zhuǎn)變成有效的團(tuán)隊，首先要明確團(tuán)隊工作方針和形成共同的預(yù)期目標(biāo)。為此，需先簽訂團(tuán)隊政策聲明和團(tuán)隊預(yù)期目標(biāo)協(xié)議。團(tuán)隊政策聲明用于指導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊有效運作、規(guī)定成員的角色和責(zé)任、明確完成和提交作業(yè)的程序、處理不合作成員的策略。簽定團(tuán)隊預(yù)期目標(biāo)協(xié)議有兩個目的：① 使團(tuán)隊全體成員確定可實現(xiàn)的共同預(yù)期目標(biāo)；② 作為團(tuán)隊的法律文件，避免成員相互抱怨。

1.2 培養(yǎng)環(huán)節(jié)

機(jī)械綜合實驗與創(chuàng)新設(shè)計課程的理論教學(xué)為16學(xué)時，綜合實驗32學(xué)時，但不局限于32學(xué)時，可以通過在智能管理的開放實驗室預(yù)約實驗。課堂內(nèi)教學(xué)要詳細(xì)介紹課程的實施方案，布置可供學(xué)生團(tuán)隊選擇的綜合實驗項目，講解團(tuán)隊政策聲明和團(tuán)隊預(yù)期目標(biāo)協(xié)議、開題報告、進(jìn)展報告、工作日志、技術(shù)總結(jié)報告的撰寫和要求。通過項目的確定和實施，實踐科研工作的全過程。學(xué)生團(tuán)隊按照課程要求，分3個階段完成以下工作。

(1) 第一階段，撰寫開題報告。圍繞選定的綜合實驗項目，通過資料搜集、閱讀和調(diào)研，撰寫開題報告，指導(dǎo)教師對各團(tuán)隊進(jìn)行具體的質(zhì)詢和指導(dǎo)。開題報告的主要內(nèi)容應(yīng)包括：立論依據(jù)、主要工作內(nèi)容、研究方案、技術(shù)路線、主要特色及創(chuàng)新點、計劃進(jìn)度等。指導(dǎo)教師對團(tuán)隊提交的開題報告進(jìn)行評閱，判斷項目的可行性，指出不足之處，寫成具體的評閱意見，學(xué)生團(tuán)隊根據(jù)指導(dǎo)教師的評閱意見對開題報告進(jìn)行修改、補(bǔ)充和完善。

(2) 第二階段，項目實施。學(xué)生團(tuán)隊按照開題報告提出的內(nèi)容和工作計劃，完成項目的工作內(nèi)容。在項目實施過程中需關(guān)注以下工作：①按照所確定綜合實驗項目的需要，進(jìn)行預(yù)約實驗；②期中撰寫項目的中期進(jìn)展報告，分層次、列標(biāo)題表述所開展的工作、取得的進(jìn)展或遇到的問題，給出必要的數(shù)據(jù)圖表，對照開題報告的工作計劃和內(nèi)容，闡明對內(nèi)容和計劃要點的修改情況；③在項目執(zhí)行過程中，要作詳細(xì)的工作日志。工作日志應(yīng)包括學(xué)生團(tuán)隊組織項目討論會的時間、地點、參加人員、研討議題、意見分歧和最終形成的決議。通過工作日志一方面對工作進(jìn)展及時總結(jié)、思考，并記錄對解決問題過程中所學(xué)新知識與項目的結(jié)合，有助于學(xué)生理論與實踐結(jié)合，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度并將這種方法形成一種專業(yè)素養(yǎng)應(yīng)用于將來的工作中。工作日志應(yīng)撰寫規(guī)范，隨時備查，并作為成績考核依據(jù)之一。

(3) 第三階段，總結(jié)與答辯。在綜合實驗項目實施完成后，要根據(jù)所完成的工作撰寫技術(shù)總結(jié)報告。技術(shù)總結(jié)報告要求寫作規(guī)范、層次分明、條目清晰、內(nèi)容準(zhǔn)確、邏輯性強(qiáng)、數(shù)據(jù)可信，主要結(jié)果要能夠合理解釋，自圓其說。技術(shù)總結(jié)報告的主要內(nèi)容包括背景意義、綜合實驗工作的具體內(nèi)容及結(jié)論、市場前景、社會經(jīng)濟(jì)效益、推廣應(yīng)用策略、參考文獻(xiàn)、工作體會、意見建議等。

在答辯過程中要求制作PPT，語言流暢，邏輯性強(qiáng)，團(tuán)隊中全體成員集體參加，分階段輪流講解。

1.3 考核方式

指導(dǎo)教師按照學(xué)生團(tuán)隊綜合實驗項目完成情況以團(tuán)隊為單位確定成績，團(tuán)隊項目的成績由5部分組成：開題報告(15%)，期中檢查報告(10%)，工作日志(10%)，技術(shù)總結(jié)報告(40%)，答辯(25%)。

團(tuán)隊項目成績確定以后，通過團(tuán)隊成員間的相互評議，決定團(tuán)隊每個成員的具體成績。為培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和團(tuán)隊協(xié)作能力，互評重點為團(tuán)隊成員在團(tuán)隊項目完成中團(tuán)結(jié)協(xié)作、互相幫助、承擔(dān)團(tuán)隊責(zé)任與義務(wù)方面的情況。團(tuán)隊成員相互評議后，按評議結(jié)果，調(diào)整團(tuán)隊成員間的成績差異。

2 基于機(jī)械綜合實驗的團(tuán)隊項目設(shè)計

為達(dá)到研究創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的，課題組以國家級機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)示范中心為依托，提出了系列的機(jī)械綜合實驗項目供學(xué)生團(tuán)隊選擇。由于教學(xué)對象是大三第六學(xué)期的學(xué)生，而且必須在一個學(xué)期內(nèi)完成全部工作，綜合實驗項目以機(jī)械基礎(chǔ)類為主，并在項目設(shè)計時充分考慮項目難度和工作量的大小。

2.1 研究性綜合實驗

該類項目要求學(xué)生團(tuán)隊根據(jù)項目要求進(jìn)行建模、理論計算和仿真分析，并通過綜合實驗結(jié)果，驗證仿真分析結(jié)果和修改完善理論模型，全面培養(yǎng)學(xué)生的課題研究和創(chuàng)新能力。該類實驗項目包括：滑動軸承綜合實驗，螺栓組聯(lián)接實驗，滾動軸承受載測量實驗，潤滑油粘度及粘溫特性實驗，機(jī)構(gòu)運動參數(shù)測量實驗等。

2.2 創(chuàng)新設(shè)計實驗

該類項目結(jié)合工程實際，實現(xiàn)對已有機(jī)器設(shè)備的消化吸收及創(chuàng)新設(shè)計。學(xué)生團(tuán)隊需根據(jù)示范中心來自于工程實際的機(jī)器設(shè)備，在對機(jī)器設(shè)備的認(rèn)識、測繪、設(shè)計、計算和仿真分析的基礎(chǔ)上，完成整機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計并繪制圖紙，實現(xiàn)原有機(jī)器設(shè)備的功能。該類實驗項目包括：提斗上料機(jī)設(shè)計，間歇送料及沖壓機(jī)設(shè)計，曲柄壓力機(jī)及送料裝置設(shè)計，步進(jìn)輸送機(jī)設(shè)計，轉(zhuǎn)位及輸送裝置設(shè)計，機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新設(shè)計，機(jī)構(gòu)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計，光機(jī)電氣液壓一體化全自動裝配生產(chǎn)線功能模塊設(shè)計等。

2.3 機(jī)械系統(tǒng)的搭建及檢測實驗

學(xué)生團(tuán)隊根據(jù)機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)示范中心提供的設(shè)備條件，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計，自主搭建機(jī)械系統(tǒng)，完成機(jī)械系統(tǒng)搭建過程中的裝調(diào)、檢測，并進(jìn)行所搭建機(jī)械系統(tǒng)性能實驗。該類實驗項目包括：受翻轉(zhuǎn)力矩螺栓組聯(lián)接螺栓受力分布測量實驗臺搭建，機(jī)械傳動系統(tǒng)創(chuàng)意組合搭建實驗等。

3 教學(xué)實踐及效果

經(jīng)過多年的團(tuán)隊教學(xué)改革與實踐，對團(tuán)隊組成、團(tuán)隊項目設(shè)計、教學(xué)過程管理和成績考核等逐步完善，構(gòu)建了系統(tǒng)的教學(xué)體系。參與本課程的大學(xué)生積極性很高，大多數(shù)學(xué)生團(tuán)隊都能按課程很好的完成各環(huán)節(jié)，現(xiàn)舉例說明課程的實施情況。

3.1 滑動軸承綜合實驗

由3人組成的一學(xué)生團(tuán)隊根據(jù)圖1所示的滑動軸承油膜壓力測量實驗臺，掌握了滑動軸承流體動壓潤滑油膜的實測原理，自學(xué)了Matlab、Fortran語言和數(shù)值計算方法，按照有限長滑動軸承流體動壓潤滑問題，編寫了滑動軸承流體動壓油膜的數(shù)值計算程序。通過數(shù)值計算獲得了實驗滑動軸承的三維油膜壓力分布(見圖2)。圖2所示油膜壓力分布的具體參數(shù)為：軸承寬度125 mm，軸頸半徑35 mm，軸承半徑間隙0.02 mm，軸頸轉(zhuǎn)速100 r/min，潤滑油粘度為0.34 Pa·s，軸承所受徑向載荷200 N。根據(jù)圖2所示的三維油膜壓力分布，可獲得軸承對稱面周向壓力分布和軸承軸向壓力分布，并與實驗結(jié)果比較，分析誤差產(chǎn)生原因，修改完善理論分析和實驗方案。在此基礎(chǔ)上，該學(xué)生團(tuán)隊進(jìn)一步在較大參數(shù)范圍內(nèi)對實驗滑動軸承潤滑性能進(jìn)行了數(shù)值分析，計算了滑動軸承的流體動壓潤滑油膜厚度、油膜溫度場分布等，計算分析了滑動軸承寬徑比、偏心率等結(jié)構(gòu)參數(shù)對滑動軸承潤滑性能的影響。

圖1 滑動軸承油膜壓力測量實驗臺

圖2 數(shù)值求解滑動軸承油膜壓力分布

3.2 步進(jìn)輸送機(jī)創(chuàng)新設(shè)計

步進(jìn)輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線。某4人組成的學(xué)生團(tuán)隊選擇對圖3所示步進(jìn)輸送進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。通過對圖3所示的已有設(shè)備原型功能認(rèn)知和了解，并基于Labview虛擬儀器軟件，采用加速度傳感器、電荷放大器、NI數(shù)據(jù)采集卡、筆記本電腦等，實測步進(jìn)輸送機(jī)工作臺的加速度特性。通過對設(shè)備原型測繪和機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行方案設(shè)計、關(guān)鍵零件設(shè)計計算和有限元分析，并對關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的性能分析和Adams仿真，采用Solidworks設(shè)計圖4所示的步進(jìn)輸送機(jī)的三維模型，并形成二維工程圖紙。學(xué)生團(tuán)隊在對原設(shè)備中曲柄搖桿與搖桿滑塊組成的六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析時，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)存在的不足，創(chuàng)新性地提出采用曲柄導(dǎo)桿與搖桿滑塊組成的六桿機(jī)構(gòu)代替，并對兩種機(jī)構(gòu)的性能特點進(jìn)行了對比研究。

圖3 步進(jìn)輸送機(jī)原型

圖4 步進(jìn)輸送機(jī)Solidworks三維設(shè)計

4 結(jié) 語

實踐出真知，創(chuàng)新無止境。課題組借鑒國際先進(jìn)經(jīng)驗，利用山東大學(xué)國家級機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)示范中心的設(shè)備條件，進(jìn)行了基于機(jī)械綜合實驗的團(tuán)隊教學(xué)改革與實踐。機(jī)械綜合實驗既強(qiáng)調(diào)理論研究，又突出工程應(yīng)用，充分發(fā)揮了示范中心的設(shè)備優(yōu)勢，盤活了設(shè)備資源。對學(xué)生團(tuán)隊，既要強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊協(xié)作，又需要發(fā)揮個體的主動性和創(chuàng)新意識，不僅需要綜合運用前期課程的基礎(chǔ)知識，還需要自學(xué)必要的新知識。從效果來看，經(jīng)過此環(huán)節(jié)，學(xué)生團(tuán)隊的科研素養(yǎng)、主動學(xué)習(xí)能力、書面表達(dá)和語言表達(dá)能力、分析問題和解決問題的能力得到明顯提高。鑒于此，我們將進(jìn)一步完善教學(xué)體系，更新、拓展綜合實驗項目，培養(yǎng)具有更強(qiáng)競爭力的創(chuàng)新人才。

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