張月芹

[摘 要]為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和社會需求的日漸多樣化，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才，高等院校需要持續(xù)推進課程改革和建設(shè)。結(jié)合我院創(chuàng)新育人模式，對機械原理教學(xué)內(nèi)容進行精選和優(yōu)化，進一步改進教學(xué)方法和教學(xué)手段，改革實驗教學(xué)，強化實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，并對課外科技創(chuàng)新實踐進行一些改革嘗試和探索，取得了一定的成效。通過加強基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、改進教學(xué)方法和教學(xué)手段、強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、開展課外科技創(chuàng)新活動等教學(xué)改革措施，有效培養(yǎng)了學(xué)生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新實踐能力，增強了學(xué)生的社會競爭能力。

[關(guān)鍵詞]機械原理 課程改革 創(chuàng)新設(shè)計 實踐

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）05-0131-03

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展、社會競爭的日益加劇以及社會需求的日漸多樣化，探索并實踐集傳授知識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、鼓勵個性發(fā)展、全面提高學(xué)生素質(zhì)為一體的人才培養(yǎng)模式，是培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展的高素質(zhì)應(yīng)用型人才的一個基本思路。本文以南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院為例，進一步深化機械原理課程改革和創(chuàng)新設(shè)計實踐的探索。

機械原理課程作為機械類專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計能力的全局中，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生機械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計能力的任務(wù)，在機械設(shè)計系列課程體系中占有十分重要的地位。[1]本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)及課外創(chuàng)新設(shè)計實踐等方面進行改革和探索。

二、精選教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)方法和教學(xué)手段

機械原理是一門以機器和機構(gòu)為研究對象的學(xué)科。針對我院培養(yǎng)高級應(yīng)用型人才的目標(biāo)和要求，教學(xué)內(nèi)容以加強基礎(chǔ)，突出重點和工程應(yīng)用，加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新意識為目標(biāo)進行設(shè)置。課堂教學(xué)精選講授內(nèi)容[2] [3] [4]，根據(jù)每部分的特點，改進并靈活設(shè)置教學(xué)方法和教學(xué)手段，以工程設(shè)計實例引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂學(xué)習(xí)。

對于各種機構(gòu)的共性問題，要注重讓學(xué)生弄清基本概念，理解基本原理，掌握機構(gòu)分析和綜合的基本方法，以及這些原理和方法在工程實際中應(yīng)用的范圍和條件。機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析是合理設(shè)計機構(gòu)和創(chuàng)新機構(gòu)的重要途徑和方法，講授時結(jié)合實驗室中常見機構(gòu)的模型讓學(xué)生多觀察、多分析機構(gòu)的組成原理。機構(gòu)的運動分析與理論力學(xué)直接相關(guān)，是理論力學(xué)中運動學(xué)部分的延續(xù)和推廣，但研究對象從質(zhì)點和剛體轉(zhuǎn)換為構(gòu)件和機構(gòu)，要讓學(xué)生以工程的觀點分析和解決有關(guān)問題。如以學(xué)生熟悉的牛頭刨床為例，分析構(gòu)件的運動參數(shù)及機構(gòu)的運動特性。機械中的摩擦和效率，涉及理論力學(xué)中的受力分析，應(yīng)以習(xí)題課的形式分析工程實際問題。機械的運轉(zhuǎn)及其速度波動的調(diào)節(jié)和機械的平衡的學(xué)習(xí)放在實驗課環(huán)節(jié)，讓學(xué)生直觀的學(xué)習(xí)有關(guān)的基本原理和方法等。

在常用機構(gòu)及其設(shè)計的學(xué)習(xí)中，需要加強理論和實際的聯(lián)系。教師以課外作業(yè)的形式要求學(xué)生在每種機構(gòu)學(xué)習(xí)之前查找其應(yīng)用實例，并分析其工作原理等，讓學(xué)生提前了解機構(gòu)的應(yīng)用，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高了課堂學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率。教師在講授時，選擇一兩個典型的創(chuàng)新設(shè)計工程實例為切入點，引出講解內(nèi)容。為了增強教學(xué)的直觀性和形象性，常用機構(gòu)的部分講授內(nèi)容安排在機械原理模型室進行，即開展校內(nèi)情景式教學(xué)。情景式教學(xué)，可把抽象的理論和形象具體的實物聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生從理論與實踐的結(jié)合中去理解理論知識，進而去分析問題，解決問題。[5]借助機構(gòu)實物模型的運動，教師可方便地開展啟發(fā)式、探討式、引導(dǎo)式課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強師生間的課堂互動性，課堂效果良好。對其他常用機構(gòu)如間歇運動機構(gòu)、螺旋機構(gòu)等，要求學(xué)生自學(xué)，并開放機械原理陳列室，讓學(xué)生可通過課余時間分析這些機構(gòu)的實物模型仿真運動。針對不同的機構(gòu)，教師設(shè)置不同的問題，啟發(fā)學(xué)生討論這些機構(gòu)的工作原理、運動特點和用途，不僅提高了學(xué)生的觀察能力、分析能力，且擴展了學(xué)生的知識面，完善了學(xué)生的知識機構(gòu)。

在課程開始之初，教師要對課程的地位、任務(wù)及學(xué)習(xí)方法進行詳細介紹，強調(diào)機械原理與高等數(shù)學(xué)、物理、理論力學(xué)等課程之間的交叉滲透作用，讓學(xué)生提前為本課程的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。在課程學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將前面所學(xué)內(nèi)容和方法應(yīng)用到后續(xù)所學(xué)內(nèi)容中，如機架轉(zhuǎn)換法在平面連桿機構(gòu)的演化和設(shè)計、凸輪輪廓曲線的設(shè)計、周轉(zhuǎn)輪系傳動比的計算中都有應(yīng)用，包絡(luò)原理在滾子及平底凸輪輪廓曲線的設(shè)計、范成法加工齒輪齒廓曲線中都有應(yīng)用，應(yīng)前后聯(lián)系起來，學(xué)會融會貫通，為提高學(xué)生的應(yīng)用實踐能力和創(chuàng)新能力打下良好的基礎(chǔ)。

本課程實踐性強，為了增強教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，在講授時，要合理地利用計算機輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，CAI）課件。如在學(xué)習(xí)平面連桿機構(gòu)的各種演化形式時，通過演示構(gòu)件形狀及相對尺寸的漸變，加以教師的啟發(fā)，讓學(xué)生形象直觀地掌握各類平面連桿機構(gòu)之間的區(qū)別和聯(lián)系；在學(xué)習(xí)凸輪輪廓曲線的設(shè)計原理時，推桿的反轉(zhuǎn)演示動畫可形象地展示出凸輪輪廓曲線的形成過程。這樣，通過動畫演示，讓學(xué)生易于掌握抽象、難懂的理論知識。探索制作交互式課件，將課程教學(xué)內(nèi)容、交互式設(shè)計方案以及豐富的教學(xué)參考資料形象、生動、直觀地展示出來，提高課堂教學(xué)的有效性和互動性[6]，是對現(xiàn)有教學(xué)課件進行優(yōu)化的一個新思路。因課堂教學(xué)課時的限制，可增加學(xué)生的課外自學(xué)課時，開放網(wǎng)絡(luò)課件及實驗室，豐富學(xué)生自學(xué)資源。

三、改革實驗課，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

為了進一步提高學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新設(shè)計能力，在原有6學(xué)時課內(nèi)實驗課的基礎(chǔ)上，增設(shè)了機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設(shè)計綜合實驗課。本實驗課安排在機械原理課程結(jié)束之后的下一個學(xué)期，由機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設(shè)計搭建和Pro / E上機兩個實踐環(huán)節(jié)組成。本實驗旨在讓學(xué)生掌握機械傳動系統(tǒng)方案擬訂及機構(gòu)選型、變異的基本知識，掌握常見機構(gòu)的組合方式及機械各執(zhí)行構(gòu)件間的協(xié)調(diào)運動設(shè)計方法，了解機構(gòu)選型的評價體系，逐步樹立工程設(shè)計的觀點。同時，運用計算機三維輔助設(shè)計軟件Pro / E對所設(shè)計的方案進行運動分析和優(yōu)化，不僅增強了學(xué)生的軟件應(yīng)用能力，更讓學(xué)生掌握了現(xiàn)代設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計的特點，并把現(xiàn)代設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計的思想融合在本課程實踐之中，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新設(shè)計意識。

根據(jù)教師布置的任務(wù)要求，每個學(xué)生至少自行設(shè)計5個結(jié)合實際應(yīng)用的機械傳動系統(tǒng)方案。在上機環(huán)節(jié)，按照設(shè)計的方案，結(jié)合機構(gòu)運動方案搭建實驗平臺提供的功能零部件的參數(shù)和尺寸，在Pro / E軟件中對方案中使用的零部件進行三維建模、虛擬裝配和運動仿真，從而直觀形象地分析機構(gòu)運動的可行性和構(gòu)件布局的合理性，并對機構(gòu)進行運動學(xué)分析。利用Pro / E軟件的“測量”功能，可對機構(gòu)各部分的運動特性進行測量，分析機構(gòu)在整個運動過程中的各個運動參數(shù)，如從動件上指定點的位移、速度、加速度等，而利用運動仿真結(jié)果輸出的運動參數(shù)圖表，可實現(xiàn)對設(shè)計方案的調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計。在實物模型搭建環(huán)節(jié)，參與實驗學(xué)生3個人一組，利用機構(gòu)運動方案創(chuàng)新搭建和仿真實驗平臺，對所設(shè)計的方案進行實物模型的拼裝和運動演示，利用平面機構(gòu)創(chuàng)意組合，可對所設(shè)計的方案進一步優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計。對于搭建后的機構(gòu)，根據(jù)對某個從動件的運動要求，組建測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對位移、速度、加速度等參數(shù)的測試，進而對機構(gòu)的運動性能進行分析和優(yōu)化。

在本實驗課程開設(shè)過程中，學(xué)生表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣和積極性，每組同學(xué)協(xié)作互助，共同完成每一個設(shè)計方案的搭建。學(xué)生設(shè)計的方案新穎多樣，切合工程實際，如工業(yè)機械手、自動打標(biāo)機、精壓機、無鏈條杠桿式自行車等。小組內(nèi)各成員間對不同方案的對比和探討，不僅深化了自己對理論知識基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，更提升了自己的創(chuàng)新思維能力，增強了團隊協(xié)作能力。

四、建立大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計實踐平臺，開展課外科技創(chuàng)新活動

機械創(chuàng)新設(shè)計是充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造力，利用人類已有的相關(guān)科學(xué)技術(shù)知識進行創(chuàng)新構(gòu)思，設(shè)計出具有新穎性、創(chuàng)造性及實用性的機構(gòu)或機械產(chǎn)品（裝置）的一種實踐活動[7]，是激發(fā)大學(xué)生潛能，培養(yǎng)機械類大學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的重要手段。我院建立了開放性的機電工程系大學(xué)生創(chuàng)新實驗室。該實驗室主要面向機電工程系學(xué)生開展各類課外科技活動，旨在提高我系學(xué)生的科技創(chuàng)新意識，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能，增強學(xué)生實踐動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作精神，促進學(xué)生理論與實踐相結(jié)合，是提升學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計綜合素質(zhì)和能力的重要平臺。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，實驗室具備了進行機械創(chuàng)新設(shè)計的各種設(shè)備，包含車床、銑床、鉆床等加工制造設(shè)備，25臺智能兩輪車，兩臺電腦鼠及IEEE標(biāo)準(zhǔn)迷宮板，各種電子元器件及制作工具和調(diào)試設(shè)備等，配備了專用電腦和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并聘請了一位機械加工技術(shù)人員協(xié)助學(xué)生進行各種機床、工具等的操作使用，為對機械創(chuàng)新設(shè)計有興趣有潛能的學(xué)生提供了科技創(chuàng)新實踐的良好條件。

為了開闊學(xué)生的視野，增強學(xué)生對科技創(chuàng)新活動的興趣，實驗室選擇機器人作為課外創(chuàng)新設(shè)計和科技制作的載體之一，成立了機器人興趣小組，并為機器人興趣小組配備了指導(dǎo)教師，為學(xué)生進行結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計指點迷津。我院每年舉辦一次面向全院學(xué)生的機器人創(chuàng)新設(shè)計大賽，每次比賽都吸引了不少學(xué)生參加，部分學(xué)生制作的機器人結(jié)構(gòu)新穎、功能多樣，總體設(shè)計和制作水平逐年提高。通過比賽，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣和潛能，豐富了他們的課外生活，增加了同學(xué)間的互動性，使學(xué)生所學(xué)的理論知識和實踐有效結(jié)合起來。

依托江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新基金項目，創(chuàng)新實驗室小組成員依次順利完成了多足爬壁機器人和自動化立體停車庫等機電一體化作品的設(shè)計及制作。實驗室小組成員還成功設(shè)計制作了航空模型飛機、旋翼飛行器、遙控模型車、跳高機器人等科技作品。這些科技作品又可以應(yīng)用到課堂教學(xué)之中，豐富課堂內(nèi)容。

實驗室齊全的實驗設(shè)備和良好的學(xué)習(xí)氛圍，吸引了越來越多的優(yōu)秀學(xué)生參與到科技創(chuàng)新的實踐中來。實驗室由學(xué)生自行管理，要求學(xué)生遵守實驗室的使用管理規(guī)范，滿足了學(xué)生課外科技創(chuàng)新訓(xùn)練要求，提高了實驗室的利用率，已逐步形成可持續(xù)發(fā)展的課外科技創(chuàng)新活動機制。

五、結(jié)論

為適應(yīng)當(dāng)前高科技的快速發(fā)展和社會形勢對高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求，結(jié)合我院創(chuàng)新育人模式，本文闡述了對機械原理理論及其實踐教學(xué)進行的一系列改革嘗試和探索。通過加強基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、改進教學(xué)方法和教學(xué)手段、強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、開展課外科技創(chuàng)新活動等教學(xué)改革措施，有效培養(yǎng)了學(xué)生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新實踐能力，增強了學(xué)生的社會競爭能力。

[ 注 釋 ]

[1] 鄭文緯，吳克堅.機械原理[M].北京：高等教育出版社，1996：1-8.

[2] 朱如鵬.機械原理[M].北京：航空工業(yè)出版社，1998：1-5.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2013：1-4.

[4] 潘存云.機械原理[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2012：1-16.

[5] 朱煥勤.開展情景式教學(xué)實踐活動，提高職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量[J].中國教育發(fā)展研究，2007（4）：67-69.

[6] 羅繼曼，鄭夕健，侯祥林.機械原理課程多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)的研究與實踐[J].高等建筑教育，2013（5）：148-150.

[7] 張春林.機械創(chuàng)新設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：5.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]