唐明祥， 楊旭光， 王 成， 丁雪梅， 董桂軍

（1.吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130062； 2.吉林大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130062）

0 引言

吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院農(nóng)學(xué)、植物保護(hù)、園藝、資源與環(huán)境4 個專業(yè)均開設(shè)唯一的一門機(jī)械課程，每門課程32 學(xué)時，實驗6 學(xué)時。受學(xué)時、學(xué)科、經(jīng)費等限制，該課程的實驗設(shè)備陳舊老化、臺套數(shù)少，學(xué)生均為非機(jī)械涉農(nóng)專業(yè)，無機(jī)械基礎(chǔ)，教學(xué)質(zhì)量低。針對這一現(xiàn)狀，筆者著手研制相關(guān)教具，針對性地研制了電控排種器實訓(xùn)裝置、噴頭工作狀態(tài)實驗裝置、柴油機(jī)啟動系統(tǒng)實驗裝置3 套教具，并將這些教具有效地融入到機(jī)械課程的實驗教學(xué)及校開放性創(chuàng)新實驗，教學(xué)效果明顯提高。

1 自制教具概述

1.1 自制教具概念

自制教具主要是針對現(xiàn)有教學(xué)問題，有目的地對現(xiàn)有儀器進(jìn)行改裝重組或者利用生活中的器材，結(jié)合新的制作工藝或者設(shè)計新的原理制作而成的教具[1]。

自制教具能夠體現(xiàn)教育思想、教學(xué)方法；能夠完成教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容；具有科學(xué)性、教育性、直觀性和趣味性[2-3]。

1.2 自制教具意義

1.2.1 補(bǔ)充教學(xué)設(shè)備不足

由于植物科學(xué)學(xué)院的機(jī)械學(xué)科不招生，以致學(xué)科不占優(yōu)勢，很難申請足夠的經(jīng)費購買教學(xué)設(shè)備，現(xiàn)存設(shè)備陳舊老化、數(shù)量不足、針對性不強(qiáng)，為緩解這一突出矛盾，筆者研制了3 套典型教具，實踐證明，自制教具對彌補(bǔ)教學(xué)儀器不足是行之有效的[4-6]。

1.2.2 激發(fā)學(xué)生上實驗課的興趣，開闊學(xué)生視野

常言道，興趣是最好的老師，好奇心是成功的起點。通過自制教具可以設(shè)置一些情景模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與求知欲。研制的教具均為基于計算機(jī)控制技術(shù)的機(jī)械，學(xué)生特別感興趣，都想親手操作，探個究竟，這些教具又是學(xué)生沒有見過的，由此開闊了學(xué)生的視野。

1.2.3 可有效縮短實驗時間，見效快

自制教具便于觀察與操作，在短時間內(nèi)就能完成實驗。電控排種器實訓(xùn)裝置可以隨時為學(xué)生演示或?qū)W生親自動手操作，在室內(nèi)可以模擬播種機(jī)的工作過程，以及播種量的檢查與調(diào)整，不受白天、晚上、天氣等因素的限制，如果用拖拉機(jī)掛接播種機(jī)到田間進(jìn)行試驗，費時費力，同時還受學(xué)時數(shù)、天氣、季節(jié)等客觀因素的影響，在授課過程中利用自制教具可有效縮短實驗時間。

2 自制教具應(yīng)用及教學(xué)效果評價

2.1 背景

植物科學(xué)學(xué)院農(nóng)學(xué)、植物保護(hù)等4 個涉農(nóng)專業(yè)都開設(shè)1 門機(jī)械課程，其中農(nóng)學(xué)和資源與環(huán)境兩個專業(yè)開設(shè)的機(jī)械課程是“農(nóng)業(yè)機(jī)械與應(yīng)用”，植物保護(hù)專業(yè)開設(shè)的機(jī)械課程是“植保機(jī)械與應(yīng)用”，園藝專業(yè)開設(shè)的是“園藝機(jī)械與應(yīng)用”，這3 門課程均為32 學(xué)時，其中實驗課6 學(xué)時，設(shè)有3 個實驗（表1），每個實驗2 學(xué)時。不難看出，這3 門課程的實驗學(xué)時少，學(xué)生沒有機(jī)械基礎(chǔ)知識，而且在授課時受客觀因素限制，只能采取對照實物講解示范，學(xué)生沒有實際動手操作的機(jī)會，同時現(xiàn)有實驗設(shè)備針對性不強(qiáng)，致使學(xué)生理解理論課所講內(nèi)容困難。為此，從2013 年開始，歷時6 年，研制了3 套教具，分別是電控排種器實訓(xùn)裝置（圖1）、噴頭工作狀態(tài)實驗裝置（圖2）、柴油機(jī)啟動系統(tǒng)實驗裝置（圖3）。

圖1 電控指夾式排種器實訓(xùn)裝置Fig.1 Training device for electric control finger clip seed metering device

圖2 噴頭工作狀態(tài)實驗裝置Fig.2 Experimental device for nozzle working state

圖3 柴油機(jī)啟動系統(tǒng)實驗裝置Fig.3 Experimental device for diesel engine starting system

表1 3 門機(jī)械課開設(shè)的實驗Tab.1 Experiment of three mechanical courses

2.2 自制教具具體功能

2.2.1 電控排種器實訓(xùn)裝置

電控排種器實訓(xùn)裝置由播種單體、環(huán)形軌道、行走控制器、遙控器等組成，其中播種單體由電控排種器、種子箱、行走電機(jī)、行走傳感器、播種控制器、自動清種器等組成（圖4）。工作時，首先接通電源，操作遙控器上的“C”鍵，可以控制播種單體在環(huán)形軌道上行走的啟動、停止，通過遙控器上的“A” “B”鍵可以改變播種單體在環(huán)形軌道上行走的快慢，只要將播種單體上的播種控制器開關(guān)置于開的位置，播種單體在環(huán)形軌道上行走，電控排種器就會將種子按一定株距排到環(huán)形軌道的沙子上，自動清種器安裝在播種單體的前方，在行進(jìn)過程中將種子自動收納到撮子里面，預(yù)設(shè)程序使播種單體約轉(zhuǎn)1.5 圈撮子在電機(jī)的作用下抬起，沙子被篩掉，種子滾到撮子的根部，同時風(fēng)機(jī)啟動，將種子吸入種箱，種子被循環(huán)利用。操作遙控器上的“D”鍵可實時清種，即按一次“D”鍵，無論播種單體是否行走自動清種器工作一次。播種單體正常工作中按下遙控器上的“C”鍵使播種單體停止行走，即可測量株距，如果實測株距與理論株距（農(nóng)藝要求）不一致，通過播種控制器上的“+”、“-”鍵調(diào)整，長按播種控制器上的“+”鍵持續(xù)大約10 s，屏幕上顯示對應(yīng)的驅(qū)動輪直徑（因為行走傳感器是根據(jù)指定拖拉機(jī)驅(qū)動輪的直徑設(shè)計的），此時操作播種控制器上的“+”、“-”鍵改變驅(qū)動輪直徑進(jìn)行微調(diào)，接著再試驗，直至調(diào)試到實測株距與農(nóng)藝要求的株距最接近為止[4]。

圖4 電控排種器實訓(xùn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of training device for electric seed metering device

裝置特點：利用環(huán)形軌道代替播種機(jī)播種作業(yè)的直線軌跡；通過自動清種器實現(xiàn)自動清種；可以直觀地觀察播種機(jī)核心工作部件-排種器的工作情況，可以測量株距與調(diào)試株距；該裝置完全可以模擬播種機(jī)的工作過程及株距的調(diào)試，實驗裝置可以全天候使用。

2.2.2 噴頭工作狀態(tài)實驗裝置

噴頭工作狀態(tài)實驗裝置由電機(jī)水泵總成、液晶顯示屏、噴頭等組成（圖5）。工作時，首先插上電源，合上空氣開關(guān)，紅色指示燈亮，然后按下指示燈下面的開關(guān)，紅色指示燈熄滅，綠色指示燈亮，說明系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)通電，液晶顯示屏亮起并進(jìn)入開機(jī)畫面，用手指觸摸屏幕上任意位置便進(jìn)入到主頁面，通過主頁面可以瀏覽各種典型噴頭的相關(guān)知識。實驗時，只需點擊進(jìn)入相關(guān)噴頭的實驗畫面（圖6），通過調(diào)節(jié)供電頻率（0～50 Hz），電機(jī)水泵總成的轉(zhuǎn)速就發(fā)生變化，實驗裝置系統(tǒng)內(nèi)的壓力隨之改變，可觀察噴頭在不同壓力下的工作情況，以及測量噴頭在一定條件下的噴射距離或噴射半徑等參數(shù)，利用相關(guān)軟件分析所測數(shù)據(jù)，觀察噴頭的噴射距離或噴射半徑隨頻率和壓力的變化規(guī)律[5]。

圖5 噴頭工作狀態(tài)實訓(xùn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of sprinkler working state training device

圖6 噴頭工作狀態(tài)實驗裝置實驗畫面Fig.6 Experimental picture of nozzle working state experimental device

裝置特點：可直觀展現(xiàn)不易觀察和理解的各種噴頭，學(xué)生通過對實驗裝置的親手操作來提高其實踐動手能力；通過改變供電頻率調(diào)節(jié)電機(jī)水泵總成的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實現(xiàn)改變實驗裝置系統(tǒng)內(nèi)的水壓，滿足實驗各種噴頭噴霧所需壓力；觸摸屏不但可以直觀顯示實時水壓和頻率，還可以人機(jī)交互，操作簡便。

2.2.3 柴油機(jī)啟動系統(tǒng)實驗裝置

自制教具柴油機(jī)啟動系統(tǒng)實驗裝置由單缸柴油機(jī)、機(jī)油壓力傳感器、蓄電池等組成（圖7）。工作時，按下液晶顯示屏右側(cè)電源按鈕，微控制器由電源轉(zhuǎn)換模塊供電，AD 采集模塊通過轉(zhuǎn)速傳感器、水溫傳感器、機(jī)油壓力傳感器將采集到單缸柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力傳給微控制器，由微控制器處理之后通過顯示模塊傳給液晶顯示屏（圖8），并由液晶顯示屏的實驗畫面顯示（圖9）。在實驗畫面上操作電啟動的兩種模式，操作屏幕上的“適時啟動”或者“一鍵啟動”按鈕啟動柴油機(jī)，當(dāng)驅(qū)動模塊接到啟動指令時，啟動電路接通，起動機(jī)帶動單缸柴油機(jī)轉(zhuǎn)動并實現(xiàn)啟動[6]。用手指按住“適時啟動”按鈕啟動電路接通，柴油機(jī)在起動機(jī)帶動下運轉(zhuǎn)，當(dāng)手指離開“適時啟動”按鈕啟動電路立即斷開；操作一鍵啟動時，當(dāng)手指點一下“一鍵啟動”啟動電路便接通，起動機(jī)帶動柴油機(jī)運行3 s 啟動電路立即斷開，無特殊情況，柴油機(jī)被啟動。

圖7 柴油機(jī)啟動系統(tǒng)實驗裝置結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of experimental device for diesel engine starting system

圖8 柴油機(jī)啟動系統(tǒng)工作原理Fig.8 Working principle of diesel engine starting system

圖9 柴油機(jī)啟動系統(tǒng)實驗裝置實驗畫面Fig.9 Experimental picture of diesel engine starting system experimental device

柴油機(jī)啟動系統(tǒng)實驗裝置以一個單缸柴油機(jī)代表內(nèi)燃機(jī)，既可人力啟動，也可電力啟動。電力啟動中的“適時啟動”和“一鍵啟動”兩種模式通過液晶顯示屏進(jìn)行操作完全可以模擬汽車的無鑰匙進(jìn)入啟動。

2.3 自制教具應(yīng)用及教學(xué)效果評價

為了改變實驗課的教學(xué)模式，提高學(xué)生上課的積極性，提高教學(xué)效果，筆者多年來一直在機(jī)械實驗課中使用研制的教具，收到了良好的效果。

2.3.1 自制教具應(yīng)用

（1）機(jī)械實驗課的傳統(tǒng)教學(xué)模式。

由于授課時、設(shè)備臺套數(shù)等的限制，只能按傳統(tǒng)模式（圖10）進(jìn)行授課：課前，通知學(xué)生預(yù)習(xí)實驗課的相關(guān)內(nèi)容；課中，教師只能依托現(xiàn)有陳舊設(shè)備給學(xué)生講解，然后留出少許時間和學(xué)生進(jìn)行互動，由于學(xué)生是涉農(nóng)專業(yè)，沒有機(jī)械基礎(chǔ)，課堂上講解的內(nèi)容學(xué)生理解非常困難，在互動環(huán)節(jié)，學(xué)生很難提出問題；課后，學(xué)生按老師要求完成作業(yè)。實踐證明該傳統(tǒng)教學(xué)模式無法激起學(xué)生上課的積極性和主動性，難以掌握所學(xué)內(nèi)容，課堂效率較低[7]。

圖10 傳統(tǒng)教學(xué)模式Fig.10 Traditional teaching mode

（2）基于自制教具的混合教學(xué)模式。

基于傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺陷，將研制的教具融入到機(jī)械實驗課，并構(gòu)建了“引入自制教具的混合教學(xué)模式”（圖11）。

圖11 引入自制教具的混合教學(xué)模式Fig.11 Mixed teaching mode of introducing self-made teaching aids

課前，教師將自制教具的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及使用操作等錄制成小視頻，根據(jù)自制教具的數(shù)量及特點設(shè)計出合理的分組方案，設(shè)計思考題，提前3～7 d 將準(zhǔn)備好的自制教具小視頻、自制教具說明書、分組方案、思考題及相關(guān)電子版的資料等通過QQ 群傳給學(xué)生。學(xué)生根據(jù)教師上傳在QQ 群上的材料認(rèn)真預(yù)習(xí)，并按要求完成分組和思考題，對不會的思考題做上標(biāo)記，在這個期間師生通過QQ 群可以隨時交流。

課中，教師的角色主要是針對實驗內(nèi)容進(jìn)行提問，檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況，同時回答學(xué)生提出的疑問，指導(dǎo)學(xué)生實際動手操作自制教具，最后總結(jié)實驗情況，同時對關(guān)鍵點給學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)；學(xué)生的角色主要是回答教師的提問，對不會的地方向教師請教，實際動手操作自制教具，同學(xué)之間交流助力有效掌握實驗內(nèi)容。

課后，教師的主要任務(wù)是批改實驗報告，總結(jié)實驗過程并結(jié)合學(xué)生提出的合理化建議進(jìn)行下次實驗課的改進(jìn)[8-11]。

2.3.2 教學(xué)效果評價

為了比較準(zhǔn)確地評價自制教具在機(jī)械實驗課中進(jìn)行應(yīng)用的教學(xué)效果評價，設(shè)計了調(diào)查問卷，涉及7 個問題，分別是教學(xué)模式的認(rèn)可度、提高學(xué)習(xí)興趣的程度、提高自學(xué)能力的程度、提高創(chuàng)新思維能力的程度、自制教具的適用性、自制教學(xué)的可靠性、自制教具的可操作性[12]。筆者抽選2018 級農(nóng)學(xué)專業(yè)29 名本科生進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如圖12 所示。

圖12 自制教具應(yīng)用滿意度調(diào)查情況Fig.12 Satisfaction survey of self-made teaching aids

從圖12 可以看出，在機(jī)械實驗課中融入自制教具之后的新教學(xué)模式，學(xué)生的認(rèn)可度達(dá)96%、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的程度達(dá)95%、學(xué)生自學(xué)能力的提高程度達(dá)97%，同時對自制教具的適用性、可靠性和可操作性的認(rèn)可度均在90%以上。由此說明自制教具的應(yīng)用是成功的。

除此之外，還將研制的教具應(yīng)用在學(xué)校的開放性創(chuàng)新實驗。將電控指夾式排種器實訓(xùn)裝置應(yīng)用在開放性創(chuàng)新實驗“精量播種的控制與調(diào)試”，學(xué)生可通過該實驗裝置模擬播種機(jī)的工作、調(diào)試。將噴頭工作狀態(tài)實驗裝置應(yīng)用在開放性創(chuàng)新實驗“噴頭工作狀態(tài)的試驗與分析”，同樣學(xué)生可以通過該實驗裝置來實驗各種典型噴頭在不同壓力下的工作情況，還可以通過改變電機(jī)水泵的供電頻率達(dá)到改變電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變系統(tǒng)內(nèi)的壓力，測試噴頭的噴射距離、半徑、高度等參數(shù)。將柴油機(jī)啟動系統(tǒng)實驗裝置應(yīng)用在開放性創(chuàng)新實驗“基于柴油發(fā)動機(jī)的啟動逆向研究其主要結(jié)構(gòu)及工作原理”，學(xué)生通過實驗裝置可以瀏覽內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理等基本知識，還可以通過實驗裝置練習(xí)內(nèi)燃機(jī)的啟動，包括人力啟動和電力啟動，尤其是通過實驗裝置“適時啟動”和“一鍵啟動”啟動內(nèi)燃機(jī)，完全能夠模擬當(dāng)今汽車無鑰匙進(jìn)入啟動。這3個教具在開放性創(chuàng)新實驗中的成功應(yīng)用，同樣得到了學(xué)生極大地認(rèn)可，學(xué)生實驗的積極性與主動性持續(xù)高漲，對實驗課的興趣濃厚，學(xué)生創(chuàng)新思維能力得到了提高，學(xué)生對自制教具的認(rèn)可度非常高，尤其是對學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)效果明顯，教學(xué)質(zhì)量顯著提高。

3 結(jié)束語

多學(xué)科交叉的3 套自制教具在本科生機(jī)械實驗課中多年的應(yīng)用實踐證明，自制教具不僅具有針對性強(qiáng)和彌補(bǔ)實驗設(shè)備不足的特點，還能提高學(xué)生上課的積極性，培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、分析問題、解決問題、創(chuàng)新思維、實踐動手等諸多能力；同時研制教具可以鍛煉師資隊伍。在實驗教學(xué)中構(gòu)建的“引入自制教具的混合教學(xué)模式”在非機(jī)械涉農(nóng)專業(yè)的機(jī)械實驗教學(xué)中應(yīng)用效果顯著，是提高教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。