基于過程驅動進行實驗改革的探索

2014-04-29 11:51:29張乃龍

中國電力教育 2014年11期

張乃龍

摘要：以應用型人才的培養為目標，基于過程驅動的思想，改革現有實驗方法和內容，促進學生帶著問題學習課堂內容，提升學生的學習針對性和學習效果。針對實驗滯后于教學、實驗與教學結合不緊密、針對性不強的問題，從改革減速器拆裝實驗入手，以實驗問題驅動學生課堂學習，增強學生對上課內容的理解，增加公差配合實踐教學內容，并進行三維建模和二維工程圖繪制等實踐鍛煉，以培養學生的綜合工程實踐能力。

關鍵詞：實驗改革；公差配合；教學設備；減速箱拆裝

中圖分類號：G642.43 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0185-02

為適應教育部卓越工程師培養計劃，達到增強學生綜合工程能力培養的要求，各高校教學改革不斷強化和深入，實驗實踐環節越來越受到高校的重視。通過逐步增加實驗學時、實驗課程單獨設課等措施，可以增強實驗課對學生工程能力的培養。各高校在實驗改革方面進行了深入研究，主要體現在以下幾個方面：改革教學管理模式，加強實驗過程管理；[1]合理設置實驗內容，加強學生綜合能力培養；[2，3]增強理論與實踐結合，改進實踐教學環節，增加學生動手機會；[4，5]利用多媒體及計算機技術進行實驗探索等。[6-9]實驗改革強調實驗管理和實驗方式等方面的改革，但當前高校在實驗課內容設置和實驗安排等方面普遍存在一些問題。一方面延續傳統實驗教學思路和教學內容，單獨設課僅僅是一種形式，實驗教學內容往往未自成體系，基本上還是依附于各自的理論課程，實驗安排依附于理論教學進程；[11]另一方面相關實驗安排在課堂教學以后進行，由于學生普遍存在課堂學習目標不明確，學習過程不認真，最后突擊應付考試的學習心態等問題，導致學生實驗時對實驗課所需掌握的先修內容一知半解，實驗課堂上還要重新講解相關內容，實驗課和課堂教學成為兩門互不相關的課程，無法做到實驗教學和課堂教學相輔相成。這些現象在很多高校的實驗課教學過程中普遍存在，嚴重影響了實驗課的教學質量，已經引起了許多教育工作者的注意，正逐步上升為亟待解決的共性問題。

一、實驗改革目標

針對以上實驗教學中存在的各種問題，結合機械設計實驗強調工程技能和實踐動手能力的特點，以機械設計實驗為改革對象，以增強學生的學習主動性和持之以恒的學習態度為教學目標，以改革舊的實驗內容安排和實驗與課堂教學的協調關系為突破口，逐步實行問題驅動式教學和討論式教學，引導學生根據實驗要求關注和學習課堂內容，思考課堂內容在實驗中的應用，最后在實驗課中檢驗和考核課堂所學內容。通過對相關教學內容和教學方式的改革，一方面可以增強學生課堂學習的針對性和主動性，另一方面階段性實驗考核督促學生必須加強課堂教學的日常學習才能較好地完成實驗內容，減少應試學習思想，使學生逐漸養成良好的課堂學習方式和實驗意識，體現了實驗和課堂教學相輔相成的關系。

二、機械設計實驗問題分析

減速箱拆裝實驗是機械設計實驗課程中重要的實驗內容，所用知識點涉及機械設計課堂教學的多個章節，是機械設計實驗中綜合性較強的實驗，因此，應以該實驗內容教學改革為入口，探討機械設計實驗的改革內容和實施方法。

當前的減速箱拆裝實驗一般安排在機械設計課程后期，要求學生先期完成齒輪、軸、軸承等章節知識的學習。在實驗過程中，要求學生首先進行減速箱的拆解，觀察各零部件之間的裝配關系和零件的定位方法，然后測繪低速軸上的所有零件，包括端蓋和部分下箱體，最后根據測繪結果繪制低速軸裝配草圖。主要目的是通過拆解、測繪和繪圖的過程，讓學生掌握齒輪箱體的結構、軸和齒輪的結構、軸上零件的定位和固定方法、密封以及各附屬零件的作用、構造和安裝位置。但由于多數學生在課堂上為被動學習，對學習的相關知識點沒有深入理解和認識，導致在軸承和齒輪的定位、套筒的使用、端蓋和軸的配合等環節出現了各種錯誤。雖然指導教師在檢查作業時指出了錯誤并讓學生修改，但由于學生理解不深入，沒有真正掌握相關知識點，在課程設計環節仍然會出現同樣的問題。因此，如何合理安排實驗內容和實驗方式，讓學生真正理解和掌握相關知識點是重點探討的內容。

三、機械設計實驗改革內容

當前開展的卓越工程師教育強調增加學生的實踐環節，培養學生的工程實踐能力。為適應教學要求，北京工業大學先期對機械設計實驗課程進行了改革，實驗獨立設課，與教學同步進行，一方面增加了實驗學時與學生的實踐時間，另一方面實驗與課程分離，擺脫了原有的依附地位，增強了實驗的自主性。針對獨立實驗的優勢和學生實驗實踐環節存在的問題，以提高學生實踐能力和動手能力為目標，以減速箱拆裝實驗為突破口，對機械設計實驗內容及實驗安排進行改革，突出讓學生帶著實驗問題去課堂學習的理念和自主學習的思想。

實驗改革內容以減速箱拆裝實驗為基礎，調整實驗相關內容及實驗安排，故圖1主要列出了減速箱相關的實驗內容，其他沒有列出的實驗穿插進行。圖1所示的機械設計實驗改革內容，是在實驗初期提出相關問題后，讓學生逐步在課堂學習中找出答案，并逐步完成和完善實驗內容；同時針對綜合工程實踐能力訓練的要求，把與機械設計緊密相關的測繪、制圖、三維建模、公差標注等技能訓練融入到實驗內容中，通過逐層推進的方式，讓學生逐步掌握和靈活運用知識與技能，從而達到學習和訓練同步進行的目的。

四、減速箱拆裝實驗的具體實施

1.減速箱拆裝

原有的減速箱拆裝實驗一般安排在學生學習完軸、軸承和齒輪設計以后進行，共4學時，導致學生為完成任務而實驗，根本沒有時間考慮其中的技術細節。為了增強學生對實驗內容相關知識點的認識和理解，根據帶著問題去學習，自己尋找答案的理念，在實驗課第一次課就讓學生進行減速箱的拆解和零件測繪，拆解的對象為使用多年的小型實驗減速箱。該減速箱經多年使用，零件磨損和人為造成的裝配混亂，已無法準確展示零部件的裝配和定位關系，所以學生測繪后在后期裝配時需要根據所學知識完成零部件裝配，對于錯誤零件尺寸還要根據裝配要求自行修改完善，最終達到正確裝配和定位關系無誤的目的。首次實驗不要求繪制裝配圖，不對測繪結果進行檢查，所有檢查工作在后期實驗內容中逐步進行，留給學生充足的理解和修改時間。實驗課堂上僅留下思考題讓學生在課堂學習過程中認真總結，尋找答案。

2.減速箱零件繪制及測繪數據檢查

三維建模軟件和實驗課相關教學內容的學習，以簡單且易于學習的solidworks為學習對象，讓學生掌握基本的三維零件建模和三維裝配技術，為后期的課程設計和工作打下基礎。在對學生進行三維軟件設計教學時，以減速箱零件為建模對象，讓學生邊學習邊繪制自己測繪的零件，自己驗證測繪的數據是否完整，在學習軟件的同時，完成測繪零件建模任務，同時增強學生對測繪的認識。課后作業要求提交所有測繪零件的三維圖原始文件，以檢查軟件學習和零件繪制情況。針對電子作業易于拷貝的問題，制定相關考核原則，所有拷貝作業全部按0分記。同時要求在課堂學習時關注各類零件結構設計原則和定位方法。

3.減速箱三維模型初裝配

完成三維建模軟件學習后，要求學生根據測繪情況和所學三維裝配技術，完成箱體零部件的裝配。裝配要求以測繪圖為準，對發現錯誤的位置不需修改，以此考查學生的三維裝配知識和箱體測試結果，考評時以和實物一致為考核目標，不考核裝配關系是否正確。

4.實習作品減速箱拆解及錯誤分析

自己往往很難發現自己的錯誤，而查找別人的錯誤常常比較容易，且錯誤點和錯誤原因也容易掌握，為此應安排一次錯誤分析實驗內容。北京工業大學在學生進行機械制造課程實驗時，每年都會產生大量的減速箱作品，由于對相關結構設計認識不足、公差配合設置不合理，所以制作出的作品存在各種各樣的問題，這為增加學生認識提供了良好的道具。在錯誤分析實驗中，從學生制作的作品中挑選一批減速箱讓學生進行分組拆解，每組學生拆解一臺減速箱，分析減速箱存在的各種問題，并向其他組同學進行匯報，以增強學生對結構設計和公差配合選擇的直觀認識與理解。

5.減速箱三維模型再裝配

通過前期三維建模知識和課堂理論知識的學習，以及減速箱錯誤分析實驗，學生對減速箱的正確結構有了充分的認識和理解。結合前期實驗內容，要求學生完成箱體裝配圖的修改，檢查零件結構和定位關系是否合理或正確，對當前不能滿足裝配要求的零件自行修改結構及尺寸，以保證零部件裝配關系正確，以此增強學生對零件結構設計和零件定位的認識。

6.零部件二維工程圖和裝配圖繪制

在完成前面的實驗內容后，配合公差與實驗設備進行公差配合基本知識和使用問題的講解。課后要求學生繪制低速軸工程圖和低速軸二維裝配圖，繪圖時要求關注各類公差的選擇和標注、軸的結構、零件定位等問題。通過作業檢驗前期的學習成果，并進行圖紙關鍵位置錯誤檢查和圖紙答辯。

通過各環節的學習和實驗，使學生逐步掌握零部件測繪、三維建模和裝配、工程圖繪制等技術，通過實際應用增強對課題知識的理解，同時也為后期課程設計奠定良好的基礎。

五、結束語

針對目前學生普遍存在的學習積極性不高和應試學習的問題，通過對與課堂教學緊密配合的實驗教學環節進行相應改革，促進學生的課堂學習；通過提高學生實驗作業質量要求，促進學生的學習主動性；同時，實驗教學中交互式學習將有效增強學生對所學問題的認識和理解，為培養具有綜合實踐能力的人才打下基礎。

參考文獻：

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[6]常青，王洪章.減速器拆裝的仿真設計[J].起重運輸機械，2007，（11）：20-23.