劉 蘭 何麗紅 董麗君 王高升

湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 湖南湘潭 411101

機(jī)械設(shè)計(jì)類課程包括機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。其中，機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械類專業(yè)的主干學(xué)科基礎(chǔ)課。學(xué)生在學(xué)習(xí)工程制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)和機(jī)械工程材料等課程后，進(jìn)入機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)，主要了解、掌握相關(guān)機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。實(shí)際上，機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)課程是綜合應(yīng)用前四門課程所學(xué)知識(shí)，為后續(xù)的專業(yè)課打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。所以，這兩門課程是承前啟后的重要課程。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

機(jī)械設(shè)計(jì)類課程具有鮮明的特點(diǎn)：較強(qiáng)的理論性、鮮明的工程性、嚴(yán)密的邏輯性、完整的系統(tǒng)性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為課程教學(xué)的重要組成部分，其內(nèi)容與理論教學(xué)內(nèi)容相輔相成、互為依托。實(shí)驗(yàn)教學(xué)既可驗(yàn)證理論、闡述知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生技能，更可引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的思維方法，提高分析和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)，形成優(yōu)良的工作作風(fēng)和協(xié)作精神[1]。目前，湖南工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室在機(jī)械原理課程中開設(shè)7個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括從各種機(jī)構(gòu)測(cè)繪、分析、設(shè)計(jì)到典型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能研究等內(nèi)容；在機(jī)械設(shè)計(jì)課程中開設(shè)5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括從各種典型零件到機(jī)械系統(tǒng)的性能分析，以及軸系和減速器結(jié)構(gòu)分析等內(nèi)容。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

湖南工程學(xué)院作為一所地方二本院校，始終堅(jiān)持應(yīng)用型辦學(xué)定位，以培養(yǎng)為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才為辦學(xué)目標(biāo)。明確的機(jī)械類專業(yè)育人目標(biāo)決定了各課程的教學(xué)目標(biāo)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)始終服務(wù)于專業(yè)育人目標(biāo)和課程教學(xué)目標(biāo)。

機(jī)械設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)所設(shè)定的目標(biāo)可分為知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。這三個(gè)層次環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)。

其中，知識(shí)目標(biāo)包括四個(gè)方面：(1)了解機(jī)械領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)的常用工具、儀器、設(shè)備系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方法。掌握使用相關(guān)工具、設(shè)備的基本技能。(2)掌握對(duì)機(jī)構(gòu)和簡(jiǎn)單機(jī)械工作原理、運(yùn)動(dòng)情況、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析的方法。(3)熟悉各種典型零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用。(4)掌握機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則。

能力目標(biāo)包括三個(gè)方面：(1)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法分析研究各種機(jī)構(gòu)與具體機(jī)械的能力。(2)培養(yǎng)學(xué)生合理設(shè)計(jì)各類機(jī)構(gòu)和常用機(jī)械零部件的能力。(3)培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)一般機(jī)械系統(tǒng)的能力。

素質(zhì)目標(biāo)包括四個(gè)方面：(1)培養(yǎng)學(xué)生樂于動(dòng)手、勇于實(shí)踐的探索精神。(2)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。(3)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。(4)培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神和溝通協(xié)調(diào)能力。

2 學(xué)情分析與應(yīng)對(duì)策略

2.1 學(xué)生情況分析

為了完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)首先實(shí)事求是地評(píng)估學(xué)生的具體情況。在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度和水平參差不齊，在實(shí)驗(yàn)課上或多或少存在以下問題：(1)習(xí)慣于聽講，不習(xí)慣于動(dòng)手，也不樂于動(dòng)手；(2)想動(dòng)手，卻找不到合理方法，以至于無從下手；(3)盲目動(dòng)手，不總結(jié)，不思考；(4)知道基本理論知識(shí)，不擅于將所學(xué)知識(shí)消化遷移、靈活運(yùn)用解決實(shí)際問題。

2.2 主要應(yīng)對(duì)策略

針對(duì)這些問題，采取的應(yīng)對(duì)策略大致分為三步。

第一步：多鼓勵(lì)，激發(fā)興趣，提高動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)課上，在保證安全的前提下，給學(xué)生提供盡量寬松的動(dòng)手環(huán)境，放手讓學(xué)生大膽去試、去闖，不怕失敗。即使實(shí)驗(yàn)不成功，也將是學(xué)生記憶深刻的寶貴教訓(xùn)。

第二步：多啟發(fā)引導(dǎo)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中有所收獲。除了詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作規(guī)程和安全注意事項(xiàng)外，不再“手把手”教授實(shí)驗(yàn)步驟。提出實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，啟發(fā)學(xué)生自己構(gòu)思、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路徑，完成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

第三步：培養(yǎng)學(xué)生樂于動(dòng)手，勤于思索，肯干、實(shí)干、會(huì)干的精神。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中有所收獲，將激發(fā)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣，在實(shí)驗(yàn)中投入更多的精力，從而形成良性循環(huán)，使學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰途C合素質(zhì)不斷提高。

3 教學(xué)方法與教學(xué)手段

明確了教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生情況，為了更好地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，近三年，實(shí)驗(yàn)室積極開展了兩個(gè)關(guān)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教改項(xiàng)目，進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐。針對(duì)課程特點(diǎn)，總結(jié)出一些行之有效的教學(xué)方法：案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、討論教學(xué)法；運(yùn)用各種教學(xué)手段，例如，大量機(jī)械實(shí)物展示、多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)板書相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式采用全開放實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)踐小組?？傊?，所有的教學(xué)方法和教學(xué)手段都貫徹“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，著力提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和分析、解決實(shí)際問題的能力[2](如圖1所示)。

圖1 機(jī)械設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教育理念與教學(xué)方法

3.1 案例教學(xué)法

在實(shí)驗(yàn)中大量引入工程背景的案例，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與各種機(jī)械、生活用具、工業(yè)裝備等具體工程實(shí)際結(jié)合起來，增強(qiáng)對(duì)機(jī)構(gòu)、機(jī)器的直觀感性認(rèn)識(shí)[3]，突出體現(xiàn)專業(yè)特色，使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)的工程目的和意義，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。例如，機(jī)構(gòu)分析與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)，以前是讓學(xué)生分析簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)模型并測(cè)繪；現(xiàn)在，在實(shí)驗(yàn)中引入機(jī)械實(shí)物作為典型案例進(jìn)行具體的測(cè)試、分析，這些實(shí)物包括汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、小型牛頭刨床、手搖式印刷機(jī)、圓盤凸版印刷機(jī)等(如圖2所示)，都是平時(shí)在企業(yè)參觀時(shí)看到被淘汰棄置后留意收集整理的。圖2中左二為按壓式手電筒，是普通家庭中兒童的常見玩具，其中包含二級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)和棘輪機(jī)構(gòu)，既生活化又貼近實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是不可多得的分析案例。圖2中右二所示圓盤凸版印刷機(jī)雖然生產(chǎn)使用年代比較久遠(yuǎn)，但它包含了多種典型機(jī)構(gòu)：齒輪機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、飛輪等。一個(gè)動(dòng)力源輸入經(jīng)過一系列組合機(jī)構(gòu)輸出了四個(gè)有協(xié)調(diào)配合要求的動(dòng)作，是非常理想的讓學(xué)生進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析的實(shí)際案例。通過仔細(xì)研究這些實(shí)際機(jī)械，讓學(xué)生體會(huì)機(jī)械的巧妙，學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性[2]。

圖2 機(jī)構(gòu)分析與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)中的典型機(jī)器

3.2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法

精心組織實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。讓學(xué)生帶著任務(wù)、問題自發(fā)地實(shí)踐，解開謎團(tuán)，使學(xué)生從被動(dòng)地接受知識(shí)向主動(dòng)地尋求知識(shí)轉(zhuǎn)變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中各知識(shí)點(diǎn)的性質(zhì)，積極以問題為導(dǎo)向，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)效果[4]。例如，機(jī)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計(jì)與拼裝實(shí)驗(yàn)就設(shè)計(jì)了兩種題目，一種較簡(jiǎn)單，另一種較復(fù)雜，學(xué)生不再是盲目地拼裝機(jī)構(gòu)，而是在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)按題目任務(wù)先設(shè)計(jì)好機(jī)構(gòu)，再在實(shí)驗(yàn)課上拼裝、分析(如圖3所示)。

圖3 機(jī)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計(jì)與拼裝實(shí)驗(yàn)的題目

3.3 討論教學(xué)法

每次實(shí)驗(yàn)操作后，都認(rèn)真組織學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、結(jié)果進(jìn)行有效分析和積極討論，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考，大膽質(zhì)疑，提出問題[5]。對(duì)于符合預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納原理、驗(yàn)證理論、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，尤其重視對(duì)不符合預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出適當(dāng)?shù)膯栴}，啟發(fā)學(xué)生自己找出原因，提出修正或改進(jìn)的方法，強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐的多因素影響和復(fù)雜性，以培養(yǎng)學(xué)生作為未來工程師的工程實(shí)踐思維[2]。例如，在機(jī)械系統(tǒng)組合及性能分析實(shí)驗(yàn)中，讓每組學(xué)生對(duì)所裝配機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械效率進(jìn)行探究分析，暢所欲言，各抒己見，認(rèn)真研究影響效率高低的各種因素：到底是設(shè)計(jì)問題，還是零部件選擇合理性、裝配精度或者是測(cè)試系統(tǒng)可靠性問題？

3.4 大量機(jī)械實(shí)物模型展示

有效運(yùn)用“眼見為實(shí)”的認(rèn)知習(xí)慣，充分利用實(shí)物和模型，補(bǔ)充學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)與機(jī)器等感性認(rèn)識(shí)的不足。在理論知識(shí)與實(shí)物模型的對(duì)應(yīng)過程中，加深學(xué)生對(duì)于書本知識(shí)的理解和掌握，營(yíng)造濃郁的機(jī)械氛圍，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械的興趣，發(fā)揮“潤(rùn)物細(xì)無聲”的作用。這些陳列柜并不是整體外購(gòu)，而是近年來由實(shí)驗(yàn)室自行收集、整理、設(shè)計(jì)、制造。另外，陳列柜放置在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)室外的走廊上，特別方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)課前后學(xué)習(xí)觀察(如圖4所示)。

圖4 實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械模型與實(shí)物展示

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目示例—軸系結(jié)構(gòu)裝拆實(shí)驗(yàn)

軸系結(jié)構(gòu)裝拆實(shí)驗(yàn)安排在完成軸、軸承、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)等章節(jié)理論學(xué)習(xí)后進(jìn)行，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為運(yùn)用軸、軸承、齒輪傳動(dòng)等理論知識(shí)完成軸系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、拼裝和分析。

此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)：(1)結(jié)合具體實(shí)物，使學(xué)生掌握軸系零部件的相關(guān)知識(shí)；(2)提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的能力；(3)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范、樂于動(dòng)手、善于合作的基本素質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)是2學(xué)時(shí)，所用教學(xué)方法為任務(wù)驅(qū)動(dòng)法和討論教學(xué)法，具體教學(xué)安排如下。

首先，教師講授。主要介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)任務(wù)與步驟、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法等。

然后，學(xué)生分組操作實(shí)驗(yàn)。每組學(xué)生(2人)根據(jù)軸系設(shè)計(jì)題目(如圖5所示)構(gòu)思設(shè)計(jì)軸系結(jié)構(gòu)(選擇滾動(dòng)軸承類型與代號(hào)、確定軸承的潤(rùn)滑和密封方式、考慮軸上零件的定位和固定等)，選擇合適的零件并完成軸系結(jié)構(gòu)拼裝。

圖5 軸系結(jié)構(gòu)裝拆實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目

最后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)小結(jié)。組織各個(gè)實(shí)驗(yàn)小組依次介紹本組所拼裝軸系結(jié)構(gòu)的方案與特點(diǎn)，教師結(jié)合學(xué)生操作時(shí)出現(xiàn)的各種現(xiàn)象、問題來分析典型設(shè)計(jì)、拼裝錯(cuò)誤，師生共同討論、總結(jié)軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的規(guī)律、原則和注意事項(xiàng)，例如，軸系零部件的受力情況分析、軸承裝拆的注意事項(xiàng)等。

5 結(jié)語

通過不斷革新傳統(tǒng)教學(xué)觀念，充實(shí)、完善教學(xué)體系，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，豐富教學(xué)手段，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、思維能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力不斷提高，教學(xué)效果取得長(zhǎng)足進(jìn)步。堅(jiān)持教學(xué)改革、提高教學(xué)質(zhì)量的道路沒有盡頭，研究團(tuán)隊(duì)將一往無前、奮勇爭(zhēng)先。