李永湘

摘要：為適應(yīng)新工科建設(shè)和OBE教學(xué)改革要求，對(duì)機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，完善教學(xué)內(nèi)容，改革了機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)和漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，用機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)代替了原來的回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。將手工操作與軟件建模仿真相結(jié)合，引入學(xué)科競(jìng)賽作品創(chuàng)作模式，充分發(fā)揮學(xué)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室和工程實(shí)訓(xùn)中心教學(xué)條件和設(shè)備能力，綜合培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、畫圖建模和加工制造等能力，教學(xué)實(shí)踐證明所做實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)揮了積極作用，促進(jìn)了學(xué)生專業(yè)知識(shí)的鞏固和綜合能力的提升。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理;實(shí)驗(yàn)教學(xué);3D打印;教學(xué)改革;OBE

0? 引言

隨著新工科建設(shè)和OBE教學(xué)改革的推進(jìn)，大學(xué)逐漸意識(shí)到大學(xué)生培養(yǎng)中的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性，專業(yè)培養(yǎng)方案中的實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)也逐漸得到提升。機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)課程對(duì)鞏固學(xué)生機(jī)械原理理論學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力具有重要作用。理論課堂教學(xué)一直把教學(xué)空間限制于教室，而機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)課程則可以將機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、工程實(shí)訓(xùn)中心充分利用起來，可以將機(jī)械模型和機(jī)械設(shè)備使用起來，使機(jī)械原理教學(xué)由抽象變得直觀、具體。拉進(jìn)了學(xué)生與機(jī)械的距離，學(xué)生可以直接解除機(jī)械模型和設(shè)備。本文主要研究了對(duì)機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和教學(xué)實(shí)踐。

1? 機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究現(xiàn)狀

由于硬件條件和軟件條件的各不相同，許多高校教師從不同方面研究了實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。例如，湯赫男等研究了柔性空間結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)[1]。郭紅利等探討了機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路[2]。包海濤等研究了新工科條件下的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[3]。蔣培等研究了結(jié)構(gòu)與振動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路[4]。朱曉翠等研究了新工科前提下的機(jī)械專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革工作[5]。劉曉波等探索了機(jī)械振動(dòng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革新方法[6]。熊建強(qiáng)研究了機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教改路徑[7]。劉蘭等探討了機(jī)械類專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路[8]。王迪研究了非機(jī)械類專業(yè)中機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)方法和思路[9]。王大剛探索了機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的一體化問題[10]。文成等提出了導(dǎo)學(xué)練研教學(xué)模式運(yùn)用于機(jī)械類實(shí)踐課程教學(xué)改革中[11]。夏斯偉等提出了機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)課教改思路，將機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)課與虛擬軟件相結(jié)合，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)器材的不足[12]。徐春明等研究了機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教改思路并進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐[13]。楊孟杰等研究了以卓越工程師為培養(yǎng)目標(biāo)的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教改工作，將慧魚模型應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課程教改活動(dòng)中，通過慧魚模型搭建完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[14]。

以上學(xué)者所做工作主要探討了機(jī)械類專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)主要著重于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的完善，對(duì)新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究方法進(jìn)行了一定探討，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的創(chuàng)新程度不夠高，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐工作涉及不多，針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，本文以機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，在新工科背景和OBE教學(xué)改革要求下，探討實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的創(chuàng)新，并在機(jī)械類專業(yè)班級(jí)機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐，以“三全育人”指導(dǎo)，培養(yǎng)合格的應(yīng)用型機(jī)械類本科大學(xué)生。

2? 機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

根據(jù)我校機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)方案，機(jī)械原理課程有8個(gè)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。按照每2個(gè)學(xué)時(shí)完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作進(jìn)行計(jì)算，可以安排4個(gè)實(shí)驗(yàn)。由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件的限制，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要設(shè)計(jì)了機(jī)械認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的測(cè)繪、漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)的測(cè)定和回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動(dòng)平衡共四個(gè)實(shí)驗(yàn)。這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然具有一定代表意義，但傳統(tǒng)要求過低，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的啟發(fā)不足。根據(jù)新工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)和OBE教學(xué)改革要求，我們對(duì)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了實(shí)驗(yàn)要求，將Matlab、3D建模軟件等運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提高實(shí)驗(yàn)分析能力，增強(qiáng)學(xué)生的軟件應(yīng)用能力和模型制作能力。

2.1 機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)主要是通過參觀實(shí)驗(yàn)室已有機(jī)構(gòu)模型，使學(xué)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個(gè)直觀認(rèn)識(shí)。這樣的實(shí)驗(yàn)課程具有較大的局限性，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室里的機(jī)構(gòu)模型都是單獨(dú)陳列出來的，有一些還是理想化的模型，例如連桿機(jī)構(gòu)等。學(xué)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的認(rèn)知容易局限在這種單獨(dú)陳列出來的模式，與機(jī)構(gòu)在不同設(shè)備不同場(chǎng)合的具體應(yīng)用和表現(xiàn)形式脫節(jié)。實(shí)際工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)是多種多樣的。即使是同一種類型的機(jī)構(gòu)，在不同的設(shè)備中表現(xiàn)出來的具體結(jié)構(gòu)也有很大差異。為此，我們將機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所進(jìn)行了改變，拓展了認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的參觀范圍。在機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中，不僅帶領(lǐng)學(xué)生參觀機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)里的各種類型的機(jī)構(gòu)模型，還將學(xué)生帶到學(xué)校實(shí)訓(xùn)中心參觀各種類型的機(jī)械加工設(shè)備，讓學(xué)生了解不同類型的機(jī)構(gòu)在不同機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用。

2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

以往的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)主要是要求學(xué)生測(cè)量機(jī)構(gòu)模型的相關(guān)尺寸，分辨機(jī)構(gòu)類型，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。針對(duì)此實(shí)驗(yàn)，我們提高了實(shí)驗(yàn)要求難度。要求學(xué)生動(dòng)手拆解機(jī)械裝置模型，如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、機(jī)床走刀機(jī)構(gòu)等，分析機(jī)械裝置中存在的機(jī)構(gòu)類型，探討工作原理，然后用測(cè)量工具量出機(jī)構(gòu)構(gòu)件尺寸，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度，并要求學(xué)生制作一個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真視頻。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真視頻的制作可以采用Adams、Solidworks、Pro/E等多種軟件，學(xué)生可以根據(jù)自己所擅長(zhǎng)的做出各自的選擇。較多的同學(xué)是通過Solidworks軟件和UG軟件進(jìn)行建模和仿真，還有部分同學(xué)是通過Matlab軟件進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。通過實(shí)驗(yàn)要求難度的提高，使學(xué)生進(jìn)一步鞏固了對(duì)機(jī)構(gòu)類型和自由度的認(rèn)識(shí)，提高了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪能力，熟悉了相關(guān)軟件的操作和運(yùn)用。

2.3 漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)以往主要是要求學(xué)生通過游標(biāo)卡尺等工具測(cè)量漸開線直齒圓柱齒輪的齒頂圓直徑、齒根圓直徑等基本參數(shù)，并運(yùn)用公式計(jì)算出齒輪其它參數(shù)。我們主要是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)一步要求學(xué)生通過自己所測(cè)定的和計(jì)算的齒輪參數(shù)，運(yùn)用三維建模軟件畫出齒輪的三維模型，并制作一對(duì)齒輪嚙合的運(yùn)動(dòng)仿真視頻。學(xué)生主要采用了Solidworks軟件和UG軟件建立了齒輪的三維模型和錄制了運(yùn)動(dòng)仿真。我們之所以增加了后面的實(shí)驗(yàn)要求主要是為了使學(xué)生進(jìn)一步鞏固對(duì)齒輪基本參數(shù)和計(jì)算公式的理解，讓學(xué)生好好觀察齒輪的嚙合情況。在實(shí)驗(yàn)過程中，個(gè)別學(xué)生在測(cè)量或計(jì)算時(shí)候出現(xiàn)的錯(cuò)誤在進(jìn)行齒輪三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真的時(shí)候暴露出來，檢測(cè)了學(xué)生測(cè)量和計(jì)算的齒輪參數(shù)的正確性。

2.4 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置

隨著新工科建設(shè)和OBE教學(xué)改革的推進(jìn)，大學(xué)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)越來越重視。高質(zhì)量發(fā)展需要靠科技創(chuàng)新。每年舉辦的全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽也激發(fā)了學(xué)生對(duì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的熱情。我們?cè)跈C(jī)械原理課程中為此特意設(shè)置了機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力等。機(jī)構(gòu)的類型不限，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的想象力?？梢允且环N機(jī)構(gòu)的變異，也可以是幾種機(jī)構(gòu)的綜合，也可以對(duì)已有機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。學(xué)生需要分析所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的工作原理，畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度，至少畫出其中一個(gè)構(gòu)件的三維模型并用3D打印機(jī)打印出來。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識(shí)得到綜合應(yīng)用，創(chuàng)新思維、機(jī)構(gòu)分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、畫圖、三維建模、3D打印等能力得到展現(xiàn)。同時(shí)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)也為學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽和貴州省3D打印比賽提供了鍛煉的機(jī)會(huì)，通過機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)制作參賽作品流程有了初步了解。

3? 總結(jié)

在機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，我們根據(jù)新工科背景和OBE教學(xué)改革要求，不斷探索，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，完善教學(xué)內(nèi)容，主要改進(jìn)了機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)和漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。用機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)代替了原來的回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。將手工操作與軟件建模仿真相結(jié)合，引入機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽和3D打印比賽作品創(chuàng)作模式，綜合培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、機(jī)構(gòu)分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、畫圖、三維建模、3D打印等能力。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到提高，參加學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生逐年增多，學(xué)生在比賽中也取得了10多項(xiàng)目省級(jí)以上榮譽(yù)。

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