機械設計基礎“四位一體實驗教學模式”探討

摘要：通過實驗裝置的開發探索以工程為背景開展綜合設計性實驗的教學形式，闡述了“理論、實驗、實訓、設計”四個環節在實驗教學中綜合運用的方法。

關鍵詞：四位一體；實驗教學；創新能力

新世紀實驗教學改革的要求是加強學生的工程實踐能力的訓練，拓寬學生的知識面，培養學生的工程實踐動手能力，培養學生創新意識及綜合設計的能力，從而提高學生設計創新能力和綜合應用知識解決實際問題的能力。

天津工程師范學院機械設計基礎實驗教學改革始終遵循著實驗教學內容及教學方式改革重點以設計為主線，注重創新設計能力培養，淡化實驗論證，加強綜合設計性實驗，不斷實踐與探索“理論、實驗、實訓、設計”四個環節在實驗教學中的綜合運用。在實驗教學中只提供各種傳動零件、機構與動力元件，不向學生提出具體要求，只提出需實現的功能及研究的內容，由學生在實驗室提供實驗設備的基礎上任意選擇實驗設備和相應儀器，并獨立實驗，編寫、總結實驗報告，同時在實驗教學改革中開發自制實驗設備。

實驗教學形式、內容及創新設備的開發堅持以學生為主體。學生在實驗過程中掌握設計的基本方法與技能，在完成一系列不同類型的實驗過程中培養設計創新能力和綜合應用知識解決實際問題的能力。

實驗裝置的開發

要培養學生的工程實踐動手能力，培養學生的創新意識及綜合設計能力，必須為學生創造相應的條件。實驗裝置的開發應以工程實際為背景，以學生實驗中遇到的問題為出發點，使學生可以更具體地進行實驗技能、工程實際設計能力訓練，培養學生創新思維，使學生從被動實驗變為主動探索學習。

筆者根據近幾年的教學體會，研究開發了“漸開線齒輪范成原理加工實驗裝置”。實驗裝置依據漸開線齒輪范成法加工原理設計，主要實現主運動、展成運動、豎直進給運動和輔助運動。相應的傳動鏈有主運動傳動鏈、展成運動傳動鏈、軸向進給運動傳動鏈和輔助運動傳動鏈。傳動鏈構成包括蝸輪蝸桿傳動、滑槽傳動、齒輪傳動和聯軸器等等。實驗時學生根據實驗資料可自行拼裝組合，可完成實際齒輪模擬加工。具體實驗裝置組成如圖所示。

1． 齒輪坯料2.工作臺3.刀架（第一部分）4.滾刀5.刀架（第二部分燕尾滑塊）6.溜板（燕尾滑槽部分） 7.齒輪的軸8. 溜板（燕尾滑塊部分）9.手柄10.萬向聯軸器11.滾刀軸12.蝸桿13.蝸輪14.錐齒輪15.墊片16.工作臺17.圓錐銷18.螺母19.絲杠（豎直） 20.絲杠（水平）

機構原理圖

突出學生的自主性和實驗的設計性

實驗教學環節作為認知活動的重要環節，可使學生加深對某一理論知識的理解。實驗教學環節要有利于學生實驗技能、分析解決問題的綜合能力的培養，即學生綜合素質的培養。這就要把以教師為中心轉變為以學生為中心，讓學生成為實驗的主體，教師在實驗教學中起到啟發、引導的輔助作用，培養學生獨立解決問題的能力。

設計性實驗在高校實驗教學中普遍受到重視，是培養學生創新能力的一種有效途徑，是實驗教學模式和教學方法改革的一大進步。在設計性實驗的各個階段，始終要求學生主動學習與創新，始終貫穿觀察能力、想象能力、思維能力、實踐能力和信息獲取能力等創新能力的培養。

學生根據本實驗裝置、實驗室原有設備以及教師提供的研究性問題進行實驗。例如：齒輪加工的方法有哪些？加工原理是什么？用齒條型刀具加工齒輪的兩個重要因素是什么？運用范成法加工的齒廓曲線全部是漸開線嗎？齒廓曲線由哪幾部分組成？齒廓漸開線的起始位置在什么部位？用齒條型刀具和齒輪型刀具加工齒輪有什么不同？……學生以自主性、研究性、設計性的態度來完成實驗，改變以往教師“滿堂灌”的做法，改變以往教師示范、學生“依葫蘆畫瓢”的實驗狀態。學生自主設計實驗方案，包括毛坯尺寸選擇、毛坯加工、齒輪種類選擇、齒輪參數選擇、加工工藝制定、齒輪參數測量等。經指導教師審核批準后，學生自主完成齒輪加工全過程。這樣，學生由被動模仿轉變為主動設計，杜絕了以往對實驗沒興趣、拼湊數據、抄襲報告等現象，學生更為主動地探索問題、解決問題。實驗課從簡單重復型變成綜合創造型、設計型，給學生發揮的空間，使學生成為主體。教師在實驗教學中起著啟發、引導的輔助作用。該裝置提倡學生的自主性、實驗的設計性，更適合應用于實驗教學。

推進“四位一體”教學模式實現實驗教學改革

我院自實施面向21世紀教學改革以來，逐步形成了理論、實驗、實訓、設計“四位一體”教學模式的概念和框架。漸開線齒輪范成原理加工實驗裝置應用于實驗教學，對“四位一體”教學模式的實施具有很好的推動作用。該實驗裝置應用于實驗教學，要求學生自己設計實驗方案，改變了學生對實驗只看表層、不思考問題、不結合理論課內容的不良習慣。

采用該裝置做實驗，學生必須首先自主設計一個齒輪。在設計中學生會面臨一些問題，如設計一個什么類型的齒輪、直齒還是斜齒或錐齒輪、齒輪材料如何定、該齒輪參數如何定等。這就要求學生結合機械設計課程上的相關內容和實驗裝置的基本要求動手計算并得出結論，這一過程鍛煉了學生設計能力。接著學生要根據自己的設計加工一個齒輪（如直齒圓柱齒輪），并觀察包絡線的形成。加工將面臨以下問題：采用什么工藝？如何加工？漸開線齒輪包絡線如何形成？應要求學生結合機械設計課程和機械制造課程自己思考、自己解決。這就實現了設計與加工的有機結合，培養了學生發現問題和解決問題的能力，鍛煉了學生的動手動腦能力。

實驗進程由學生自己掌握。實驗中，也有問題出現：需要哪些運動才能加工出漸開線齒輪?如何變位？由于齒輪生成實驗裝置完全由手動輸入動力，操作時可以一邊思考一邊操作，試著進行實驗，一有錯誤可以及時改正，不影響實驗效果。學生完全可以看清包絡線的形成過程，弄清什么是變位齒輪以及如何變位。這樣，學生不僅了解了漸開線齒輪包絡線形成的真實過程，也理解了齒輪加工原理與方法，對機械類相關課程有了綜合性的理解。實驗過程是培養學生設計能力、實驗能力、動手能力、思考能力的過程，是學生理論水平和實際運用能力的提高過程。

該實驗裝置應用于教學，加強了理論與實踐的結合。通過學生獨立自主地學理論、做實驗、練技能、搞設計，推進了“四位一體”教學模式的實施，提高了學生的綜合素質。

參考文獻：

[1]李海，王美云，杜永清.大學生創新意識、創新精神及創新能力培養的探索[J].雁北師范學院學報，2006，（6）.

[2]劉雁紅.加強實驗教學改革 提高學生創新能力[J].中國輕工教育，2006，（12）.

作者簡介：

刁建國（1965—），男，天津工程師范學院高級實驗師，研究方向為機電一體化。（本欄責任編輯：周秀峰）