机械原理课程实验教学环节改革思路的探索

郭红利 张李娴 张军昌 侯莉侠

摘要：机械原理课程的实验教学对于培养学生的科研工作能力、创造性思维能力、实验动手能力和表达能力等具有十分重要的作用。本文阐述了机械原理实验课程改革的方向及其在创新意识和创新设计的能力培养过程中所起到的作用。

关键词：机械原理；实验教学；改革；创新

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）01-0164-02

机械原理在整个机械专业的课程体系中，是机械专业实践教育中一个十分重要的环节，是培养学生创新能力的一门重要课程。因此，机械原理课程的实验教学中不仅应充实与创新设计有关的理论和方法，而且还要引导学生能够利用这些理论和方法进行创新设计，从而培养学生的创新意识和能力。整个机械原理课程的教学体系可以分为理论教学、实验教学和课程设计三大部分，其中机械原理实验教学既是理论教学的巩固、补充、升华和提高，也是为了培养学生观察、分析、判断、综合和推理的基本能力，提高学生的实际操作能力，加强对所学知识的理解和对实验结果及规律的感性认识，促使学生运用所学理论分析问题，从而找出解决问题的方法的一个重要环节。

一、以往机械原理实验教学存在的不足

以前，由于受实验条件的限制，针对机械原理课程安排的实验主要有：（1）机械（机构）认知实验；（2）机构运动简图（示意图）的测绘；（3）渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定；（4）回转构件的动平衡。这些实验在我校机械原理实验教学中沿袭了相当长的时期，它们大部分是对理论教学内容的验证的实验，而综合型、设计型的实验内容很少。然而随着世界科学技术的迅猛发展和知识经济的兴起，社会对21世纪人才需求的不断变化，而这些实验内容从根本上并未真正起到培养学生工程实践能力的作用，原有的实验教学体系所表现出来的弊端因此也就日益突出，概括起来其缺陷和不足主要体现在以下几个方面：

（一）实验内容陈旧

原有的实验内容以基础性实验为主，多数属于演示性和验证性实验，实验内容单一，整个实验一般都在规定的时间内要求学生根据实验指导书的要求，在教师的指导下，按规定方法，在一定的条件下完成实验的全过程。学生的行为方式和思维方式规定在一个固定的模式里进行，因此实验本身留给学生思考的空间不多，很难激发学生的学习兴趣，在一定程度上制约着学生创新思维和创新能力的培养。

（二）实验设备简陋和实验方法落后

我校机械原理实验教学所用的设备大多是20世纪90年代购置的，这些实验设备不仅陈旧老化，而且有些已经损坏，这不仅会影响实验结果的准确性和可靠性，而且由于招生规模的不断扩大，使得设备数量也在“日益减少”，这就会造成实验过程中5、6个学生共用一台仪器设备的现象。这在一定程度上影响了学生的动手能力，而且也为学生抄袭实验数据提供了机会，也就达不到培养学生动手能力的目的。另外，原有的实验模式都是通过教师动手演示、学生观看来完成相关实验内容和任务，整个实验过程中，作为学习主体的学生始终处于被动的地位，这也会影响实践环节对学生动手能力和创新实践能力的锻炼和培养。

（三）实验教材和实验思路死板

现在机械原理课程实验教学所使用的实验教材多数都是自行编写的，教材内容比较陈旧，缺乏新意。教材的内容主要包括：实验目的、实验设备和工具、实验原理和方法、实验步骤等，最后往往还给学生附上实验数据记录表格和要求绘制的实验曲线，甚至还有实验报告格式。这显然不能适应高等教育培养高素质人才的需要，不仅缺乏灵活性，更重要的是没有创新意识，因而无法激发学生的创造性思维和主观能动性。

（四）实验教学模式的落后以及实验体系的不完善

整个机械原理实验教学体系从内容上看，实验内容单一，综合性不强，并且是纯机械性实验，没有融入计算机、控制等相关技术，加上受到课程总课时的限制，并不是所有的实验项目都能够正常开出，有的实验项目，一方面学生做起来兴趣不高，实际效果不是很好；另一方面，脱离了现代科技的发展，体现不出现代科技在实验中的应用。

二、机械原理新的实验教学改革思路探索

机械原理理论和实践的教学目的是培养学生机构运动方案设计的能力，为了改变上述种种不利因素对学生创新素质培养的限制，为了加强实验环节对学生创新能力的培养，经过多方面的调研和论证，根据实际的教学需求，我们建立了新型的“基础实验——综合设计型实验——研究型实验”逐层递进的机械原理课程实验教学体系。利用新实验体系，学生在实验过程中不仅强调了机械（机构）模型的演示、机械运动简图（示意图）的测绘、回转构件的动平衡等基础实验，而且也突出了实用型实验、创新型实验，强调了组合式可调平面连杆机构模型组装实验和机构运动方案创新实验。为了更好地激发学生强烈的学习兴趣和创造意识，有效培养学生从事科学实践活动的能力，在具体的实验内容上，我们先后开设了“机构创新组合和设计”和“机构运动分析及虚拟设计”等实验。这些实验在管理和操作上实行的是开放式管理，学生可在实验室内对自己的设计进行装配与制作，将自己的设计从图纸转变为实物模型，从而真正达到提高动手实践的能力的目的。经过近几年的改革实践，这种实验模式被证明是适应机械原理课程体系教改的模式和需要的，其鲜明的特点和独特的作用主要表现在以下几个方面：

（一）借助于典型的机构来反映机构的结构特点

由于学生缺乏生产实践知识，在感性认识上有很大差异，对于其没见过的东西仅靠教师用语言去描述很难理解和接受。借助于教学展柜中典型机构的运动演示可帮助学生解决这一难点，对学生学习本课程有很大的启发。比如利用展柜中的蒸汽机模型既可以使他们看到该模型采用了曲柄滑块机构，又可以进一步了解其可以把蒸汽的热能转换为曲柄转动的机械能。这种实验可以把理论教学中较为抽象的概念通过仪器设备的演示变为直观的现象，学生通过直观现象的观察，去理解和掌握知识，这对今后学生应用知识解决实际问题是一个良好的训练。

（二）借助于动态的机构演示直观地反映机构的性能和特性

机械原理课主要讲述的是各种机构的运动过程和运动原理，但是其运动过程在课堂很难达到“直观”的效果。为使学生掌握机构具有确定运动的条件，掌握机构运动和动力分析的方法和原理，我们开设了机构运动测绘实验。学生可以通过对具体机器模型的结构和运动分析，加深对机器或机构运动过程和运动原理的理解和认识。比如在进行拖拉机前轮导向系统的测绘和运动分析实验时，通过让学生亲手动手控制和操作拖拉机的导向系统，他们不仅可以清晰地看到系统的结构组成，还可以进一步了解各执行构件间的运动和协调关系，这样他们就很容易学会和掌握对所研究的系统进行运动分析和计算并绘制出传动系统图。

（三）借助于透明可见的演示教具清晰地反映机构的运动原理

机械中机构的运动原理所涉及到的要素、参数及其变化在实际产品中有一些是不可见的。如渐开线齿廓啮合点的轨迹即啮合线是一条定直线，在实际齿轮传动中是看不见的一条线，从而使学生学习时感到很抽象。此时通过齿轮啮合的电动模型，可清晰看见啮合过程中轮廓啮合点在透明的有机玻璃底板上留下的轨迹是一条定直线，使得啮合点的运动一目了然，从而帮助学生加深对这部分内容的理解，并为后面学习齿轮的正确啮合条件、连续传动条件等内容打下基础。

（四）借助于机器或机构的动态参数变化提高实验的教学效果

为了加深学生在机构的原动件按给定的运动规律运动时对其余运动构件上各点的轨迹、位移、速度和加速度，以及这些运动构件的位置、角位移、角速度和角加速度等运动参数的影响进行计算和分析过程的理解，我们开设了机构运动参数的测定实验。通过该实验，学生可以了解运动参量的测试方法，为后续设计方案的检验提供必要的数据；也可以使学生借助于实验手段直接地看到机构在运动过程中位移、速度、加速度的测试结果以及和理论分析结果互相对比的结果；同时还可以使学生在短时间内加深课堂讲授知识的理解，增强学习效果。

（五）借助于第二课堂提高学生的动手能力

为了帮助学生把学到的理论知识应用于实践，提高学生的实践动手能力，我们开设了各种综合性实验。它主要是学生利用业余时间在实验室通过各种机构、电机、电线以及测量传感器等原材料，充分发挥自己的想象力与创造力，借助于机构搭接实验平台来搭接出各种会动的机器模型。这些实验富有趣味性、科学性、实用性和挑战性，与枯燥和乏味的理论课相比更能够吸引学生，也更能够激发学生学习新知识的兴趣。

通过近几年的实践证明，上述实验教学模式和方法不仅可以激发学生的学习兴趣，还可以培养学生的创造性思维，锻炼他们的实践动手能力，强化他们的工程意识，促使他们将理论设计与工程实践结合起来以更好地解决实际问题。同时，这一种模式还可引导学生在实验室里搞自己的小发明参与科技竞赛，因为通过模型制作，可以检验学生设计的正确性，从而极大地推动了学校的创新教育。

参考文献：

[1]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第7版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]葛文杰.对机械基础课程教学方法改革的思考与探讨[J].中国大学教学，2009，（10）：4-7.

[3]郭红利，张李娴，张军昌，等.机械原理课程教学体系改革的探索[J].高等农业教育，2006，（5）：60-61.

[4]崔钦华.发挥《机械原理》实验教学作用提高课程学习效果[J].实验室科学，2004，（10）：51-53.