機械原理課程改革和創新設計實踐的探索

張月芹

[摘 要]為適應科學技術的高速發展和社會需求的日漸多樣化，培養高素質應用型人才，高等院校需要持續推進課程改革和建設。結合我院創新育人模式，對機械原理教學內容進行精選和優化，進一步改進教學方法和教學手段，改革實驗教學，強化實踐性教學環節，并對課外科技創新實踐進行一些改革嘗試和探索，取得了一定的成效。通過加強基礎學習、改進教學方法和教學手段、強化實踐教學環節、開展課外科技創新活動等教學改革措施，有效培養了學生的綜合設計能力和創新實踐能力，增強了學生的社會競爭能力。

[關鍵詞]機械原理 課程改革 創新設計 實踐

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）05-0131-03

一、引言

隨著科學技術的迅猛發展、社會競爭的日益加劇以及社會需求的日漸多樣化，探索并實踐集傳授知識、培養創新能力、鼓勵個性發展、全面提高學生素質為一體的人才培養模式，是培養適應社會發展的高素質應用型人才的一個基本思路。本文以南京航空航天大學金城學院為例，進一步深化機械原理課程改革和創新設計實踐的探索。

機械原理課程作為機械類專業的一門主干技術基礎課，在培養學生綜合設計能力的全局中，承擔著培養學生機械系統方案創新設計能力的任務，在機械設計系列課程體系中占有十分重要的地位。[1]本文從教學內容、教學方法和教學手段、實踐教學環節及課外創新設計實踐等方面進行改革和探索。

二、精選教學內容，改進教學方法和教學手段

機械原理是一門以機器和機構為研究對象的學科。針對我院培養高級應用型人才的目標和要求，教學內容以加強基礎，突出重點和工程應用，加強實踐教學環節，著重培養學生的綜合設計能力和創新意識為目標進行設置。課堂教學精選講授內容[2] [3] [4]，根據每部分的特點，改進并靈活設置教學方法和教學手段，以工程設計實例引導學生積極參與課堂學習。

對于各種機構的共性問題，要注重讓學生弄清基本概念，理解基本原理，掌握機構分析和綜合的基本方法，以及這些原理和方法在工程實際中應用的范圍和條件。機構的結構分析是合理設計機構和創新機構的重要途徑和方法，講授時結合實驗室中常見機構的模型讓學生多觀察、多分析機構的組成原理。機構的運動分析與理論力學直接相關，是理論力學中運動學部分的延續和推廣，但研究對象從質點和剛體轉換為構件和機構，要讓學生以工程的觀點分析和解決有關問題。如以學生熟悉的牛頭刨床為例，分析構件的運動參數及機構的運動特性。機械中的摩擦和效率，涉及理論力學中的受力分析，應以習題課的形式分析工程實際問題。機械的運轉及其速度波動的調節和機械的平衡的學習放在實驗課環節，讓學生直觀的學習有關的基本原理和方法等。

在常用機構及其設計的學習中，需要加強理論和實際的聯系。教師以課外作業的形式要求學生在每種機構學習之前查找其應用實例，并分析其工作原理等，讓學生提前了解機構的應用，調動了學生學習的主動性，提高了課堂學習質量和效率。教師在講授時，選擇一兩個典型的創新設計工程實例為切入點，引出講解內容。為了增強教學的直觀性和形象性，常用機構的部分講授內容安排在機械原理模型室進行，即開展校內情景式教學。情景式教學，可把抽象的理論和形象具體的實物聯系起來，引導學生從理論與實踐的結合中去理解理論知識，進而去分析問題，解決問題。[5]借助機構實物模型的運動，教師可方便地開展啟發式、探討式、引導式課堂教學，激發學生的學習興趣，增強師生間的課堂互動性，課堂效果良好。對其他常用機構如間歇運動機構、螺旋機構等，要求學生自學，并開放機械原理陳列室，讓學生可通過課余時間分析這些機構的實物模型仿真運動。針對不同的機構，教師設置不同的問題，啟發學生討論這些機構的工作原理、運動特點和用途，不僅提高了學生的觀察能力、分析能力，且擴展了學生的知識面，完善了學生的知識機構。

在課程開始之初，教師要對課程的地位、任務及學習方法進行詳細介紹，強調機械原理與高等數學、物理、理論力學等課程之間的交叉滲透作用，讓學生提前為本課程的學習做好準備。在課程學習過程中，應引導學生將前面所學內容和方法應用到后續所學內容中，如機架轉換法在平面連桿機構的演化和設計、凸輪輪廓曲線的設計、周轉輪系傳動比的計算中都有應用，包絡原理在滾子及平底凸輪輪廓曲線的設計、范成法加工齒輪齒廓曲線中都有應用，應前后聯系起來，學會融會貫通，為提高學生的應用實踐能力和創新能力打下良好的基礎。

本課程實踐性強，為了增強教學效果，提高教學質量，在講授時，要合理地利用計算機輔助教學（Computer Aided Instruction，CAI）課件。如在學習平面連桿機構的各種演化形式時，通過演示構件形狀及相對尺寸的漸變，加以教師的啟發，讓學生形象直觀地掌握各類平面連桿機構之間的區別和聯系；在學習凸輪輪廓曲線的設計原理時，推桿的反轉演示動畫可形象地展示出凸輪輪廓曲線的形成過程。這樣，通過動畫演示，讓學生易于掌握抽象、難懂的理論知識。探索制作交互式課件，將課程教學內容、交互式設計方案以及豐富的教學參考資料形象、生動、直觀地展示出來，提高課堂教學的有效性和互動性[6]，是對現有教學課件進行優化的一個新思路。因課堂教學課時的限制，可增加學生的課外自學課時，開放網絡課件及實驗室，豐富學生自學資源。

三、改革實驗課，強化實踐教學環節

為了進一步提高學生的實踐動手能力和創新設計能力，在原有6學時課內實驗課的基礎上，增設了機構運動方案創新設計綜合實驗課。本實驗課安排在機械原理課程結束之后的下一個學期，由機構運動方案創新設計搭建和Pro / E上機兩個實踐環節組成。本實驗旨在讓學生掌握機械傳動系統方案擬訂及機構選型、變異的基本知識，掌握常見機構的組合方式及機械各執行構件間的協調運動設計方法，了解機構選型的評價體系，逐步樹立工程設計的觀點。同時，運用計算機三維輔助設計軟件Pro / E對所設計的方案進行運動分析和優化，不僅增強了學生的軟件應用能力，更讓學生掌握了現代設計和創新設計的特點，并把現代設計和創新設計的思想融合在本課程實踐之中，培養學生實踐動手能力和創新設計意識。

根據教師布置的任務要求，每個學生至少自行設計5個結合實際應用的機械傳動系統方案。在上機環節，按照設計的方案，結合機構運動方案搭建實驗平臺提供的功能零部件的參數和尺寸，在Pro / E軟件中對方案中使用的零部件進行三維建模、虛擬裝配和運動仿真，從而直觀形象地分析機構運動的可行性和構件布局的合理性，并對機構進行運動學分析。利用Pro / E軟件的“測量”功能，可對機構各部分的運動特性進行測量，分析機構在整個運動過程中的各個運動參數，如從動件上指定點的位移、速度、加速度等，而利用運動仿真結果輸出的運動參數圖表，可實現對設計方案的調整和優化設計。在實物模型搭建環節，參與實驗學生3個人一組，利用機構運動方案創新搭建和仿真實驗平臺，對所設計的方案進行實物模型的拼裝和運動演示，利用平面機構創意組合，可對所設計的方案進一步優化和創新設計。對于搭建后的機構，根據對某個從動件的運動要求，組建測試系統，實現對位移、速度、加速度等參數的測試，進而對機構的運動性能進行分析和優化。

在本實驗課程開設過程中，學生表現出濃厚的學習興趣和積極性，每組同學協作互助，共同完成每一個設計方案的搭建。學生設計的方案新穎多樣，切合工程實際，如工業機械手、自動打標機、精壓機、無鏈條杠桿式自行車等。小組內各成員間對不同方案的對比和探討，不僅深化了自己對理論知識基礎的學習，更提升了自己的創新思維能力，增強了團隊協作能力。

四、建立大學生創新設計實踐平臺，開展課外科技創新活動

機械創新設計是充分發揮設計者的創造力，利用人類已有的相關科學技術知識進行創新構思，設計出具有新穎性、創造性及實用性的機構或機械產品（裝置）的一種實踐活動[7]，是激發大學生潛能，培養機械類大學生創新意識和創新能力的重要手段。我院建立了開放性的機電工程系大學生創新實驗室。該實驗室主要面向機電工程系學生開展各類課外科技活動，旨在提高我系學生的科技創新意識，激發學生創新潛能，增強學生實踐動手能力，培養學生的團隊協作精神，促進學生理論與實踐相結合，是提升學生機械創新設計綜合素質和能力的重要平臺。經過近幾年的發展，實驗室具備了進行機械創新設計的各種設備，包含車床、銑床、鉆床等加工制造設備，25臺智能兩輪車，兩臺電腦鼠及IEEE標準迷宮板，各種電子元器件及制作工具和調試設備等，配備了專用電腦和網絡設備，并聘請了一位機械加工技術人員協助學生進行各種機床、工具等的操作使用，為對機械創新設計有興趣有潛能的學生提供了科技創新實踐的良好條件。

為了開闊學生的視野，增強學生對科技創新活動的興趣，實驗室選擇機器人作為課外創新設計和科技制作的載體之一，成立了機器人興趣小組，并為機器人興趣小組配備了指導教師，為學生進行結構及控制設計指點迷津。我院每年舉辦一次面向全院學生的機器人創新設計大賽，每次比賽都吸引了不少學生參加，部分學生制作的機器人結構新穎、功能多樣，總體設計和制作水平逐年提高。通過比賽，調動了學生的學習積極性，激發了他們的學習興趣和潛能，豐富了他們的課外生活，增加了同學間的互動性，使學生所學的理論知識和實踐有效結合起來。

依托江蘇省大學生創新基金項目，創新實驗室小組成員依次順利完成了多足爬壁機器人和自動化立體停車庫等機電一體化作品的設計及制作。實驗室小組成員還成功設計制作了航空模型飛機、旋翼飛行器、遙控模型車、跳高機器人等科技作品。這些科技作品又可以應用到課堂教學之中，豐富課堂內容。

實驗室齊全的實驗設備和良好的學習氛圍，吸引了越來越多的優秀學生參與到科技創新的實踐中來。實驗室由學生自行管理，要求學生遵守實驗室的使用管理規范，滿足了學生課外科技創新訓練要求，提高了實驗室的利用率，已逐步形成可持續發展的課外科技創新活動機制。

五、結論

為適應當前高科技的快速發展和社會形勢對高素質應用型人才的需求，結合我院創新育人模式，本文闡述了對機械原理理論及其實踐教學進行的一系列改革嘗試和探索。通過加強基礎學習、改進教學方法和教學手段、強化實踐教學環節、開展課外科技創新活動等教學改革措施，有效培養了學生的綜合設計能力和創新實踐能力，增強了學生的社會競爭能力。

[ 注 釋 ]

[1] 鄭文緯，吳克堅.機械原理[M].北京：高等教育出版社，1996：1-8.

[2] 朱如鵬.機械原理[M].北京：航空工業出版社，1998：1-5.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2013：1-4.

[4] 潘存云.機械原理[M].長沙：中南大學出版社，2012：1-16.

[5] 朱煥勤.開展情景式教學實踐活動，提高職業教育教學質量[J].中國教育發展研究，2007（4）：67-69.

[6] 羅繼曼，鄭夕健，侯祥林.機械原理課程多媒體輔助教學系統的研究與實踐[J].高等建筑教育，2013（5）：148-150.

[7] 張春林.機械創新設計[M].北京：機械工業出版社，2007：5.

[責任編輯：鐘 嵐]