機械原理實驗教學新體系的建設與實踐

王聰慧，王 順，熊 健

（吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春 130025）

機械原理課程是工科院校機械類專業必修的一門主干技術基礎課程，課程包括理論教學和實踐教學兩部分。實驗教學作為實踐教學的重要內容之一，在學生理論知識鞏固、實踐能力訓練、綜合設計能力提高，合作精神培養、創新意識形成等方面發揮著重要作用[1]。傳統的機械原理實驗教學內容和組織方式都是以輔助理論教學為目的，以演示、驗證型實驗為主，在幫助學生理解基礎理論知識，掌握、鞏固相應知識點方面有其獨特優勢[2]。然而，功能單一、學生動手機會少的傳統課程實驗不適合培養工程實踐能力強、綜合設計能力和創新設計技能高的人才，不能滿足新世紀我國工程教育在高級工程人才培養目標方面的需求。針對傳統實驗教學的不足，依托國家工科機械基礎課程教學基地和實驗教學中心建設項目，我們建立了機械原理實驗教學新體系。

1 實驗教學新體系的建設思路

以培養大學生綜合設計和創新能力為目標，根據學生的認知規律[3]，我們將機械原理實驗教學分成了三個層次：驗證型實驗、綜合設計型實驗和研究創新型實驗。機械原理課程是本科生學習階段的第一門工程設計類課程。要理解課程中諸如構件、運動副等陌生概念，掌握各種典型機構的組成、運動特點和設計原理等復雜知識，單純的課堂講授會讓認識過程艱難而漫長。通過認識工具的參與以及感覺器官的作用，學生便可以把各種機構的復雜實物形態信息迅速地轉化為適于主體思維的信息。因此演示、驗證型實驗是幫助學生快速理解、掌握相關理論知識，輕松進入課程學習狀態的最有效的實驗模式。

經歷一段時間的理論學習和實驗認識，學生對課程中的基本概念和典型機構的基本知識有了感性認識，并具備了一定的分析和解決問題的能力。然而，機械原理課程教學內容在近十余年中，已經從傳統的以機構運動和動力分析為主轉向為以機械系統運動方案設計、機構的綜合為主。為跟上教學內容改革的步伐，實驗教學內容必須對機械系統的整體概念進行強化，對學生的綜合設計能力進行重點訓練。綜合設計型實驗就是因此目的開設的。這類實驗以機械系統整體運動方案設計為訓練核心，將典型機構外延到電、液、氣、光、磁等驅動和控制的廣義機構，植入機-電-液一體化概念，添加結構設計和機械制造的簡單知識，拓展了驗證型實驗的廣度、深度和難度，更具有應用性、系統性和綜合性。經歷了綜合設計型實驗的訓練，學生的動手能力、解決問題能力，特別是綜合設計能力得到提升，機械系統的整體概念得以強化。此時部分思維敏捷、興趣濃厚的學生逐漸脫穎而出，進一步的實踐鍛煉便會激發這些學生主動參與實踐活動的熱情，激發他們的創新思維和創造性解決問題的能力。研究創新型實驗就是以激發學生的創新潛能為訓練目標設計的，可以有兩種實驗平臺：一是自制實驗臺，實驗目的、方案、實施過程由學生自己制定，留給學生足夠的自學空間和創新空間，完成預期實驗項目；二是利用實驗教學中心各種綜合性、專業性的實驗臺開展創新實驗研究。

2 實驗教學新體系的實踐

2.1 實驗教學新體系

基于上述建設思路和實驗室的實際情況，我們開發了如下實驗教學體系(表1)。

表1 機械原理實驗教學體系

2.2 實驗教學新體系的特點

(1)實驗教學內容根據學生的認知規律，分層次設置，逐步擴展了內容的廣度、深度和難度，具有系統性；(2)將部分課堂教學內容轉到驗證型實驗中，讓學生在實驗中分析、理解和掌握，如漸開線齒輪加工的知識并不在課堂教學中講解，而是在齒輪范成原理實驗中呈現；(3)綜合設計型實驗自主開發，獨立設課，跨課程，擁有獨立學分和自編實驗教材，實驗學時充足，保證了實驗教學的質量；(4)綜合設計型實驗的指導教師為理論課教師。教學中教師不過多參與實驗設計、操作和分析，只做輔助性引導和啟發，全部實驗過程由學生以實驗小組形式協作完成，構建了以教師為主導、以學生為主體的教學組織模式；(5)建立大學生創新基地，通過創新實驗室提供的設備自制實驗臺和利用實驗中心資源兩種方式開展研究創新型實驗。學生自建創新團隊，配有實驗指導教師，依托課外科技創新競賽項目和教師的科研課題開展創新實驗研究。(6)三類實驗的考核方式不同：驗證型實驗通過實驗報告和期末試卷協同考核；綜合設計型實驗通過實驗小組現場演示、答辯和提交科技報告的形式考核；研究創新型實驗的效果將直接反映在大學生課外科技競賽項目的結果中。

2.3 實驗教學效果

實驗教學新體系歷經幾年的實踐，獲得了明顯的效果，主要表現在：(1)輔助學生理論學習。實驗教學毫無疑問可以幫助學生鞏固理論知識，并且在目前課程學時嚴重縮短情況下，將部分課堂教學內容轉到實驗教學中，一定程度上緩解了學時緊張問題；(2)學生的自學能力得到增強，實驗技能得到強化，綜合設計能力得以提高。綜合、研究型實驗要求學生能夠綜合運用機械原理、設計、制造、機電一體化等多門課程知識，而大多數課程的基礎理論知識要依靠學生自學提前獲得，這很好地鍛煉了學生的自學能力。分層次的實驗教學強化訓練了學生綜合應用所學理論知識和高級工程軟件進行工程設計的能力，利用各種實驗手段進行實驗研究的能力以及實驗數據的處理能力，逐步建立應用先進的技術和工具解決工程問題的習慣和能力；(3)培養了學生的團隊協作精神。以實驗小組或創新小組形式開展的實驗活動讓學生充分意識到了團隊協作的重要性，這種協作精神在實驗中得到磨練；(4)學生實踐積極性高漲，創新意識增強，創新能力提高。綜合、研究型實驗的教學組織形式和評價體系充分調動了學生的主觀能動性，學生參與實踐活動的積極性更高，創造性更強；(5)促進了教師知識更新。承擔實驗教學任務的教師必須不斷豐富和更新自己的知識，掌握學科發展的前沿，掌握科學研究方法，學習運用各種先進的實驗手段，努力提高自己的業務水平，才能迎接實驗改革帶來的挑戰。

3 結語

機械原理實驗教學新體系歷經幾年的建設與實踐，獲得了良好的教學效果，但仍存在一些不足之處。開放實驗教學的管理、高素質實驗師資隊伍的建設、考核評價體系的完善、研究創新型實驗內容的選擇等方面還有待進一步的探索和完善。機械原理實驗教學改革是一項延續性的工作，需要我們堅持不懈的努力，才能產生出新的、高水平的改革成果。

[1]房海蓉,方躍法.談機械原理實踐教學改革對學生創新素質的培養[J].北方交通大學學報:社會科學版,2003,2(3):63-66.

[2]陳愛華.實驗教學體系改革探索與實踐[J].實驗科學與技術,2012,10(3):54-56.

[3][美]布魯納.教育過程[M].北京:文化教育出版社,1982:25-27.