開發創新實驗 培養學生創新能力

創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力。高等院校作為創新教育的重要陣地，理應成為培養創新人才的搖籃，理應把培養人才的創新能力作為學校教育的基本價值趨向。本文就機械設計系列課程開發創新實驗，培養學生創新能力進行探討。

機械設計系列課程是高等工科院校中機械類及近機類有關專業的一門重要技術基礎課，它不僅向學生提供機械學科的技術基礎知識，而且對培養學生創新能力，培養創新型人才具有重要的作用。機械設計系列實驗教學作為機械設計系列課程教學的實踐環節，在培養創新型人才中扮演著不可替代的重要角色。實驗教學要真正擔負起創新人才的培養任務，就必須大力開發創新實驗，以創新的教學模式，帶動創新型人才的成長。

機械設計系列創新實驗教學體系

實驗教學是學校教學活動的重要組成部分，要充分發揮實驗教學在培養創新型人才中的重要作用，就必須增強改革意識，改進實驗教學內容和方法，從而建立新的創新實驗教學體系。

機械設計系列課程實驗主要包括機械原理課程實驗、機械設計課程實驗以及機械設計基礎等課程實驗。原系列實驗主要包括：機構運轉及測繪分析、齒輪范成原理、轉子動平衡實驗、帶傳動參數測試、滑動軸承實驗和減速器拆裝實驗等。實驗內容主要是“驗證”某一原理，鞏固和加深課堂講授的理論知識，對于學生各種能力尤其是創新能力的培養，成效甚微，實驗體系屬“驗證性”實驗體系。為加強對學生創新能力的培養，通過對原有的實驗進行全面的研究與探討，筆者決定開發“機構創新組合實驗”“機構系統創新設計實驗”“機械系統傳動方案設計實驗”“模塊化軸系結構創新設計實驗”。新開發的實驗同原實驗一起共同構成了新的機械系列課程創新實驗教學體系。考慮到實驗學時的限制，可以把實驗項目分為必做、限選和任選三類，實驗方式既有實物實驗又有計算機仿真演示實驗，從而保證新的實驗教學體系的有效實施。

新的實驗教學體系，立足于學生創新意識、創新精神和創新能力的培養，改變了傳統的“驗證性”體系，把創新性實驗與傳統實驗相結合，并以創新性、綜合性、設計性實驗為主，注重個性化培養，突出因材施教。整個實驗體系可分為基本原理型實驗和設計創新型實驗兩個層次。基本原理型實驗主要是驗證、演示機械基本原理、基本理論，讓學生加深對課程內容的理解，是培養專業思維與實踐、創新與設計的基礎性實驗。設計創新型實驗是學生在掌握機械基本原理實驗的基礎上，根據實驗方向查閱相關資料，運用創新設計的各種方法，確定實驗方案、實驗設備，并進行模型實現，是增強學生工程實踐意識，培養學生創新設計能力的創新性實驗。

創新實驗的內容及特點

新實驗體系確立了以加強機械綜合性、創新性實驗為特點的實驗教學體系，體現了機械實驗教學的新特點，適應了機械實驗教學改革的要求。新開發實驗內容豐富、靈活機動，既有利于學生全面掌握所學機械基礎知識，又可以充分挖掘學生的學習潛能，激發他們的創新熱情，從而培養學生的創新能力。

機構創新組合實驗

機構創新組合實驗是在機構創新組合模型上完成的，實驗過程是用組合模型提供的基本組件，拼接成機械原理課程中所講的連桿機構、凸輪機構和齒輪機構等三大機構及機構系統。對于連桿機構，構件的結構與尺寸可滿足拼接雙曲柄、曲柄搖桿和雙搖桿的尺寸要求；凸輪機構則提供了使從動件能夠實現兩種行程，三種基本運動規律的盤形凸輪；齒輪機構，提供了模數相同、齒數各異的多個齒輪，以實現不同的傳動比。動力源可以用專用電機也可以手動驅動。教師預先給定一些題目，要求學生能夠運用各種設計方法，設計出能夠實現給定功能運動的機構運動方案，并運用機構創新模型加以實現。

該實驗基于機構組成原理進行拼接設計實驗，目的在于加深對機構組成原理及對機構運動特性的掌握，培養學生創新意識、綜合設計能力和工程實踐動手能力。

機構系統創新設計實驗

機構系統創新設計實驗也是在創新組合模型上來完成。它是基于機構系統創新原理的實驗，目的是培養學生運用創造性思維方法，遵循創造性基本原理，運用機構構型的創新設計方法，設計、拼裝滿足預定運動要求的機構系統。教師從機械工程中提煉出一定的機構設計訓練題目，讓學生利用課堂上學到的理論知識，通過對一些基本機構的串聯、并聯及混合式聯結，創新設計出與原機構特點不同的新的機構系統。與創新組合實驗相比，該實驗題目難度更大一些，創新的含量更高，綜合設計的能力要求更強些。

機械系統傳動方案設計實驗

機械系統傳動方案設計實驗是在傳動方案綜合設計實驗臺上來完成。實驗臺通過提供相應的動力庫、傳動零件庫、支承及調整零件庫、測試儀器庫、聯接零件庫、工具庫等元件庫，可實現在同一平臺上組建多種傳動方案并進行測試的功能。實驗臺采用開放式結構，實驗時，要求學生根據給定的條件和設備，開動腦筋，自擬實驗方案和內容，自己動手進行不同的傳動方案的設計、裝配和調試，不同的方案有著不同的傳動效率，也有著不同的成本，學生通過實驗比較其優劣，并最終確定出合理的機械系統傳動方案。

該實驗主要是加強學生創新意識的培養及創新能力的提高，實驗要求學生在參考傳統機械傳動方案的基礎上，大膽進行發散性思維，努力挖掘創新點，創新點可以是自己設計新傳動方案，也可以是對傳統傳動方案整體或局部的改進，或者是對傳統傳動方案原理、性能上的補充和完善。

模塊化軸系結構創新設計實驗

軸系結構設計是機械設計課程的重點內容之一，涉及的問題多、實踐性強、靈活性大，進行模塊化軸系結構創新設計實驗，對培養學生綜合創新設計能力具有重要的積極意義。實驗設備主要由模塊化軸段和不同的軸上零件所組成，模塊化軸段可組裝成不同結構形狀的階梯軸，軸上零件則主要包括：齒輪、帶輪、聯軸器、蝸輪、軸承、套筒、圓螺母、軸用及孔用彈性擋圈等。實驗準備時，學生需根據教師提供的不同的結構方案簡圖及已知條件和要求，確定需要使用哪些軸上零件，并繪制軸系結構裝配草圖。實驗時，學生應根據相應的裝配草圖選擇模塊化軸段，組裝成一個完整的階梯軸，該軸應與草圖中的軸一致或盡可能相近；同時，學生按照預定的設計方案，選用相應的軸上零部件，按裝配工藝要求順序裝到軸上，并安裝在軸承支座上，最終完成軸系結構設計。

通過該實驗，學生可以熟悉和掌握軸的結構設計及軸承組合設計的基本要求、原理及設計方法，其中包括軸上零件的定位、固定和裝拆，軸承間隙的調整、密封，軸的結構工藝性等。實驗對培養學生綜合利用所學知識，創新設計各種軸系結構具有很重要的作用。

創新實驗教學途徑和方式

為保證創新實驗教學體系的有效運行，應通過一定的教學途徑，對與不同層次和不同類型的實驗，采用不同的教學方式和教學手段。

開放實驗室，鼓勵學生創新實驗 實驗室應全部向學生開放，學生可以提前預約實驗時間，并按約定時間進行實驗。所有規定實驗項目應在課程結束之前全部完成。開放實驗室有利于最大限度地發揮實驗室的效益，提高實驗設備的利用率，保證了限選和任選實驗項目的順利實行，為學生自主學習、發揮個人創造性提供了一個較大的空間。實施開放性實驗還可以使學生在一個心理狀態比較寬松的環境中，不受時間的限制，可以反復做、反復觀察，直到滿意為止，這對培養學生的創新設計能力很有益處。

開發計算機仿真系統，實行演示實驗可以利用計算機系統將傳統的實驗結合起來進行演示實驗，如齒輪范成原理實驗，可以通過開發“齒輪范成原理”仿真實驗系統，進行演示實驗。采用計算機虛擬仿真系統，學生可以在鍵盤上輸入齒數、模數、壓力角等參數，顯示器上即可顯示齒輪范成加工的全過程，形象直觀、逼真，效果好，而且省時省力，并極大地提高學生對實驗教學的興趣。演示性實驗內容豐富，涉及多個知識點，是理論知識的一種綜合實際應用，它既豐富了實驗內容，擴展了學生視野，還可與創新教學中的現代教育技術相結合，達到意想不到的教學效果。

實驗應確立學生的主體地位創新性實驗教學不是教師灌輸知識的過程，而是教師組織學生學習的過程。因此，創新性實驗教學必須改革傳統的“以教師為中心”的教學模式，建立“以學生為主體”的教學新模式，教師為學生服務，實行啟發式、討論式、互動式教學。教師應注重介紹創新思維方法、機械創新設計技法和相關案例，啟發學生的構思和設計，讓學生在一個自主的學習氛圍中，充分發揮自己的主體地位，把學生被動接受知識的過程轉變為主動學習知識的過程，使學生學會觀察和創新。

注重培養學生的個性和創新精神在創新性實驗教學過程中，要注意強化學生的個性意識，相信學生有一定的創造力，引導學生積極思考，破除對創造性設計的神秘感，鼓勵他們克服困難，增強自信心，激發他們參與創新活動的興趣。

獨立的設計性實驗，指導教師盡量少講，只給出實驗任務及必要的提示，由學生自己查閱資料、設計實驗方案和步驟、選擇實驗儀器和設備，經教師審閱后進行實驗，最后提交實驗報告。通過不斷地訓練，培養學生的創新精神，提高學生的創新設計能力。

結束語

開展創新教育，培養具有創新能力的高素質人才是時代賦予教育的重任，高等教育必須不斷改革過時的教學體系、教學內容和教學方式，才能擔負起歷史賦予的這一重任。實驗教學的改革就是要本著培養學生的綜合能力和創新能力而進行。本項目通過開發機械創新實驗，實現了對實驗教學體系、內容和方式的改革與探索。創新實驗的教學實踐將會使學生進一步熟悉機械設計的有關知識，拓寬學生的視野和知識面，對培養和提高學生的創新思維和創新能力必將起到良好的推動作用。

（作者單位：河北工程大學機電學院）