依托科研項目開發綜合性實驗的實踐與探索

沈劍英，黃風立

(嘉興學院 機電工程學院，浙江 嘉興 314001)

傳統實驗主要以驗證性實驗為主，實驗僅僅驗證所學課程知識。實驗指導書很詳細地介紹實驗的原理、方法以及設備、操作步驟等，做實驗時，學生只要按部就班，不必費多大腦筋，教師主導的多，學生參與的少，處于被動的地位。這樣的實驗抑制了學生的自主思考，不利于培養學生的獨立思維能力和工程應用能力[1-2]。綜合性實驗指實驗內容涉及一門課程多方面知識或多門課程知識的實驗,能夠培養實驗者的綜合思維方法和創新能力[3-4]。本文結合教師的科研項目開發綜合性實驗，在實驗教學中進行了積極的實踐和探索，取得了較好的效果。

1 開設綜合性實驗的背景和意義

我校是一所綜合性普通應用型本科地方院校，主要為浙江省、嘉興市地方經濟建設和發展服務。浙江省是先進制造業的強省和大省，迫切需要大批知識面廣、基礎扎實且能掌握各種技能、具有較強動手實踐能力的工程應用型高級人才。培養學生動手實踐能力的一個重要環節是實驗，實驗教學是保證和提高教學質量的重要基礎，但傳統實驗的缺陷已不能適應社會對高素質人才的需求。

目前國內各高校都開展了專業實驗教學改革，推出一批設計性、綜合性實驗項目，以培養學生的工程實踐能力和創新能力[5-8]。其中一個重要途徑是結合教師的科研項目開發綜合性實驗[9-12]，學生在綜合性實驗階段能夠運用某一門課程或多門課程的知識進行綜合訓練，有利于培養學生的動手實踐能力和工程創新能力，對提高教學質量和教學水平有著重要的意義。

2 綜合性實驗的實例

實驗教學內容的確立直接關系著學生的知識結構是否合理,尤其關系著學生能力和素質能否科學培養的問題[13]。為了培養學生的工程實踐能力，根據教師的科研項目，開發出基于CAD/CAM的機械零件數控加工、精密微位移技術實驗等綜合性實驗項目, 并在我校重點建設專業——機械設計制造及其自動化專業的學生中進行實施。

2.1 精密微位移技術實驗

近幾年來，在精密微位移技術方面的科研項目中，積累了較多的設備，如精密隔振臺、電感測微儀、測量頭、數據采集卡、驅動電源、LVDT測微儀、CCD激光位移傳感器、壓電陶瓷、壓電陶瓷驅動電源等，另外還有有限元分析軟件ANSYS 、科學計算軟件Matlab等。根據以上設備和軟件，我們開發出一個名稱為“高精度微位移技術實驗”的綜合性實驗，該綜合性實驗涉及到工程力學、機械設計、工程軟件應用、測試技術等幾門課程的知識。在實驗時，由學生根據實驗需要選擇和使用這些設備和軟件。

2.1.1 實驗內容

本實驗的主要內容有：

(1) 測量壓電陶瓷驅動器輸入電壓與輸出變形量之間的關系；

(2) 柔性鉸鏈機構的設計及有限元軟件ANSYS的仿真驗證；

(3) 柔性鉸鏈機構的加工工藝；

(4) 位移傳感器的選擇和測量方法；

(5) 數據處理方法及圖形表達。

2.1.2 實驗目的

通過該實驗使學生主要了解壓電陶瓷壓電效應和逆壓電效應的基本概念，掌握柔性鉸鏈的工作原理，掌握柔性鉸鏈機構的分析、設計方法和制造工藝，掌握實現精密微位移的原理和方法。

2.2 基于CAD/CAM的機械零件數控加工

先進制造技術實驗室擁有1臺臺中精機的V70立式加工中心和2臺廣州鑫泰科技實業有限公司生產的GSVM6540型加工中心，均能實現三軸聯動加工，可加工具有復雜曲面的零件。該綜合性實驗涉及到機械制造工程學、數控加工與編程、機械CAD/CAM、金工實習等幾門課程的知識。

2.2.1 實驗內容

本實驗的主要內容有：

(1) 熟練掌握UG的CAD/CAM模塊的基本操作；

(2) 針對教師給定的零件編制加工工藝及利用UG/CAM編程生成刀路軌跡，并進行仿真；

(3) 熟悉加工中心操作，主要包括：①熟悉機床操作界面，學會裝刀及卸刀，掌握機床操作模式及程序輸入等內容；②掌握對刀相關的操作，包括利用對刀儀、Z軸設定器對多把刀具進行對刀及刀具補償輸入的方法；③掌握程序傳送、NC仿真及簡單零件加工。

2.2.2 實驗目的

綜合運用所學的數控編程知識、加工工藝知識及三維應用軟件，完成某一中等復雜零件或某一模具型腔型芯的建模、路徑規劃及加工，培養學生實際操作數控機床的能力。

3 綜合性實驗的實施

綜合性實驗一般利用學生的課外時間開展，所以實驗室面向學生全天候開放。綜合性實驗采取開放式的教學模式，采用以學生主動自主學習為主、以指導教師啟發式為輔的教學方法和手段。

3.1 實施方法

4～5人組成一個實驗項目組，實驗前由指導教師下達任務書。學生根據任務書的要求,查閱資料、構思方案、進行實驗操作或加工、分析和處理數據、對結果進行評定,最后完成實驗報告。在綜合性實驗中，學生是實驗的主體，根據課余時間靈活安排實驗，自主完成實驗；指導教師僅起到指導和服務作用，每隔一段時間針對出現的疑難問題和學生一起討論。這樣的教學模式能夠提高學生參與意識，激勵學生主動思考，從而給學生創造性能力的發揮提供廣闊的空間。

3.2 實驗成績評定

傳統的實驗成績考核方法不能反映開放式教學模式下學生的水平，根據綜合性實驗教學的特點，對傳統的成績評定方法進行改革，采用多種方式進行考核, 如實驗操作考核、口試、撰寫的論文或作品、實驗報告等，鼓勵學生在實驗中大膽探索和創新。例如，在基于CAD/CAM的機械零件數控加工中，根據加工出的零件加工質量和實驗報告給定成績。

4 效果

上述的綜合性實驗通過幾年來在機械專業的實施和完善，取得了較好的效果：

(1) 培養學生的工程意識和動手實踐能力。綜合性實驗的實驗過程是學生自主思考和決策的過程，特別強調學生主體的作用，這種模式更利于學生學習各門課程的理論知識并加以綜合運用，能夠營造一種學生獨立完成實驗的學習氛圍，有利于提高學生學習的積極性和主動性,培養學生的工程意識和動手實踐能力。例如，在做“基于CAD/CAM的機械零件數控加工”實驗過程中，學生表現出非常濃厚的興趣，實驗后，大多數學生均具備了中等復雜零件數控編程及動手加工操作的能力，達到了較熟練的水平，基本具備去企業進行實際加工與編程的能力。圖1是學生在實驗中完成的實物。

圖1 學生加工出的實物

(2) 提高學生查閱資料的能力、擴大了學生的知識面。教師在科研中必然要掌握本學科的發展動向，不斷豐富和更新自己的知識結構，所以，結合教師科研項目的綜合性實驗能夠反映出相關學科的最新技術，使學生學到更多的知識。在“高精度微位移技術實驗”中的柔性鉸鏈機構是一種新型的傳動方式，通過彈性變形而實現微小移動，它和傳統的齒輪-齒條、螺母-螺桿機構傳動方式相比，具有結構緊湊、體積小、無機械摩擦、無間隙的優點。柔性鉸鏈機構在機械專業的教材中很少介紹，為了完成該實驗，學生必須上圖書館或通過上網進入數據庫查閱資料，從而獲得大量相關內容的資料。通過實驗既提高了學生查閱資料的能力，又擴大了他們的知識面。

(3) 挖掘科研設備的教學價值，提高了科研設備的利用率。將科研內容進行提煉，轉化為適合教學的綜合性實驗，能夠充分挖掘科研設備的教學價值，也是科研促進教學的一條有效途徑，可使實驗教學內容更具有先進性。另外，可以避免科研項目結題后科研設備利用率非常低、設備閑置的浪費現象，是提高科研設備利用率的有效途徑。

5 結束語

依托科研內容開發綜合性實驗體現了科研促進教學的教學理念，將科研項目的內容加以精心設計和提煉，把科研設備、方法、過程應用到實驗教學中,為提高學生工程實踐能力提供實驗教學平臺，從而建立起培養和提高學生創新能力的新型實驗教學方法。

[1] 張照昱，邢俊德，常宏宏，等.加強生物工程專業實驗教學的改革與實踐[J].廣東化工，2013,40(5):121-122.

[2] 彭熙偉，王向周，鄭戍華.基于工程實踐取向的實驗教學改革與創新[J].高教論壇，2013(2)：52-54.

[3] 趙鋼.面向工程應用創新專業綜合性實驗設計[J].實驗室研究與探索，2011，30(9):133-136.

[4] 田運生，劉維華，王景春.綜合性設計性實驗項目建設的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2012,29(2)：126-129.

[5] 黃大明，秦鋼年.專業實驗課綜合性實驗的創新設計與教學實踐[J].實驗室研究與探索，2010，30(6)：247-250.

[6] 紀仁杰，劉永紅，李小朋.機械專業電動機控制綜合實驗的設計與開發[J].實驗技術與管理,2013,30(3)：52-53.

[7] 邢紅宏，梁承紅，張紀磊.充分利用綜合性實驗培養學生的綜合素質[J].實驗室研究與探索，2013，32(2)：165-167.

[8] 張為堂，王慶龍.電機拖動綜合性實驗的設計與實現[J].合肥學院學報:自然科學版，2013,23(1)：59-62.

[9] 李艷霞，陳亞紅.科研成果轉化為綜合性實驗項目的研究與實踐[J].周口師范學院學報，2012,29(2)：66-68.

[10] 扈旻，鄧北星，馬曉紅，等.科研成果轉化為實驗教學內容的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2012,29(10)：21-23.

[11] 曹小華，喻國貞，雷艷紅，等.科研成果轉化為綜合性設計性實驗的教學探索與實踐[J].化學教育,2009 (11)：15-16.

[12] 邵文堯，肖宗源，陳成泉，等.生物工程專業實驗教學與科研相結合教學模式的探索與實踐[J]實驗技術與管理，2013,30(2)：162-164.

[13] 張景華,劉一飛,劉愛玲,等.地方“211工程”院校實驗教學質量保障體系的構建與實踐[J].實驗技術與管理,2013，30(4):153-156.