改革課程實踐環節 培養學生創新意識

張軍昌+張李嫻+郭紅利+尤芳

摘要：機械原理課程實踐教學對于培養學生的獨立學習能力、科研工作能力、創造性思維能力、實驗動手能力和表達能力等方面具有十分重要的作用。本文結合長期的教學經驗，闡述了該課程教學實踐環節改革的方向及其在創新意識和創新設計的能力培養過程中所起到的作用。

關鍵詞：實踐環節;機械原理;改革;創新意識

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）43-0091-03

隨著社會的發展和教育體制的不斷改革，培養學生適應社會的能力和提高學生的綜合素質已成為高等教育的根本。在工科專業的整個課程體系設置中，機械原理是培養學生創新意識和創新能力的一門主干技術基礎課程。為了能夠真正通過扎實的實踐環節來提高學生的創新意識和創新能力，我校借助學校和學院的各種條件和保證措施，對該門課的實踐教學環節——課程設計、課程實驗和創新設計大賽等不同的實踐內容主要采取了以下不同的改革措施和方法。

一、機械原理課程設計教學環節的改革

從內容上講，整個機械原理的課程包括課堂教學（包括實驗教學）和課程設計兩部分，其在時間安排上是相互獨立的。課堂教學主要是以機構的分析為主要內容，重點是機構的結構分析、運動和動力分析以及參數的計算;作為課程中一個重要的實踐環節，機械原理課程設計在培養學生的創新思維和動手能力方面具有重要的作用，所以在進行機械原理課程設計實踐環節改革時，首先應當關注的是創新能力的培養。近幾年來，為了滿足教學發展的需求，我校機械原理課程設計先后經歷了利用圖解法實現機構的分析與設計，利用解析法實現機構的分析與設計和機械傳動系統方案的設計三個階段。在課程設計改革的過程中，我們始終堅持把培養學生的創新意識和創新能力作為改革的宗旨。

（一）機構圖解法的分析與設計

在早期的機械原理的課程設計中，我們采用的是利用圖解法實現機構的分析與設計。這種方法要求學生利用所學的基本理論知識，根據分配的設計題目，按照課程設計教學指南，一步一步地完成每一項設計任務。比如我們前期所進行的課程設計主要是要求大家利用課堂上所學過的機構理論分析方法、反轉設計方法以及齒輪齒廓曲線的設計方法，通過手工繪圖完成平面六桿機構的運動和動力分析，凸輪輪廓曲線的設計和漸開線齒輪齒廓曲線的設計。在整個設計過程中，雖然可以進一步鞏固和加深學生在課堂上所學的理論知識以及增強學生的制圖能力，對學生后續專業課和研究生入學考試可以奠定一個良好的基礎，但由于在整個設計過程中設計題目、設計方法以及具體的設計步驟都是一定的，學生按照老師所編寫的課程設計教學指南，“照貓畫虎”很輕松地就可以完成所要求的各項設計任務。這樣既不能充分發揮學生的空間想象力，又限制了學生運用理論知識解決工程實際問題的能力，更談不上什么創新思維和創造性設計了。

（二）機構解析法的分析與設計

隨著機械產品的設計逐漸向高速、高效和精密等方向的不斷發展，使用者對機器的工作性能提出了更高的要求，同時系統的結構也變得更加復雜。由于圖解法進行機構的分析與綜合時，較大的誤差積累可能使得所設計的機器或者機構不能很好地滿足預定的設計要求，這也就限制了圖解法的是應用場合。與圖解法相比，解析法由于是通過數學方程的求解來獲取機構或機器的結構、運動以及動力參數，所以其計算精度更能夠滿足現代化產品的設計需求。

利用解析法實現機構的分析與設計，首先要建立機構所需要的數學模型，然后再利用計算機編程來進行數學模型的求解，最終獲得相應的機構或機器的結構參數以及運動和動力參數。常用的方法有矢量法、桿組法和三角形法等。

以平面連桿機構為例，采用矢量法進行運動和動力分析的步驟主要包括：

1.通過機構的機構分析，在選定機構比例尺和原動件初始位置的基礎上繪制研究對象的機構運動簡圖;

2.通過引入的桿矢量，建立機構或機器對應的位置矢量方程;

3.通過位置方程的逐次求導，建立機構或機器對應的運動矢量方程，進一步求解獲得桿件上各點的運動參量;

4.建立機構力的矢量方程，求解平衡力及運動副反力。

解析法可以在提高設計精度的同時避免出現“同一個問題，百人百解”的現象，也可以實現在滿足精度要求的基礎上對空間機構的分析。但分析和設計過程中所需要的數學模型的建立和求解具有一定的難度，同時對于結構比較復雜的機構，分析計算過程比較復雜。同時，在分析和設計的過程中，仍然是按照固定的思路和要求來完成所給定每一項設計任務，對學生的設計能力仍不能進行培養和鍛煉。

（三）機械傳動系統方案的創新設計

為了實現通過機械原理課程設計培養學生創新意識和創新能力的宗旨，為了強調理論與工程實際，創新設計有機結合的必要性，在進行課堂理論教學時我們借助于實例講解，使學生掌握機構方案設計的基本和方法。然后在課程設計這一環節，要求學生根據自己在課堂上所學過的知識來完成一個具體的機械傳動系統的方案設計。整個設計過程包括：確定設計題目、查閱文獻資料、確定設計方案、撰寫設計說明書以及設計交流匯報等5個環節，我們從每一個環節都進行了一系列的改革。

1.確定設計題目。不管是圖解法的課程設計，還是解析法的課程設計，設計題目一般是由教師指定的。為了真正充分調動學生學習的興趣，在進行機械系統方案設計時，設計題目是在不脫離機械原理課程內容的基礎上來進行自由選擇的。通過近幾年的實踐證明，有很多學生的設計題目極具研究和應用價值。

2.查閱參考文獻調研。為了培養學生收集和運用信息的能力，學生在確定了設計題目以后，根據題目和設計任務的需要，可以通過查資料、上網等途徑來獲取一些與設計任務相關的參考資料。通過對所查得的參考資料的分析和研究，可以為后續的分析設計提供必要的幫助。為了避免學生在查閱文獻時漫無目的，走更多彎路，教師應根據不同題目、不同的設計需要給予必要的提示。

3.確定設計方案。設計方案的確定是機械傳動系統方案設計中較為重要的一個環節，為了發揮學生的主觀能動性，在整個方案確定的過程中始終應以“學生為中心”。同時，教師在指導過程中，還要做到不同層次的學生，不同難易程度的題目能夠區別對待。

機械系統方案設計中，我們關注的是方案的創新點，要獲得具有一定創新意義的設計方案，可以從以下兩個方面入手：根據設計任務的需求，通過查閱相關的文獻資料發明新的機構;通過對現有機構的分析和總結借助于機構的改造來獲得能夠實現設計目的的機器或機構。

為了能夠充分發揮學生的空間想象能力，在進行方案設計時，對于一個確定的設計目標，要求每一組學生至少要提出三種不同的可行方案，然后通過對所提出的方案的分析、比較，最后確定出最優的設計方案。針對于最優的設計方案，可以從機構的結構設計、運動和動力分析與設計、機器和機構的強度設計和計算仿真以及加工制作樣機（這一部分要求在近幾年的實踐過程中，多數是通過學生的畢業設計來完成的）等幾方面來完成。

4.撰寫設計說明書。為了對整個設計過程做一個好的歸納總結，在完成了機構的分析與設計以后，還要求學生書寫完整的設計說明書。設計說明書的主要內容包括：確定設計題目的依據、意義和必要性;方案設計、分析以及計算過程;課程設計的收獲。

5.交流總結。設計交流總結這個環節主要是為了給學生表達能力的鍛煉提供一個機會。而機械傳動系統方案設計最終的成績則可以通過設計方案的創新性、方案分析的全面性、設計說明書書寫的規范性以及繪圖質量等多方面來進行綜合衡量。

機械原理課程設計的教學改革中，作為參與教師，最大的感受就是沒有想到學生會有如此大的適應性和潛力，他們都具有很強的語言表達，材料運用及分析的能力。在教師的啟發和引導下，他們敢于想象，思維敏捷，設計過程中學生甚至提出一些連指導教師都不太了解和不能直接解決的問題，所以這也是對教師的一種挑戰。而作為學生，大家都認為新的課程設計方法更能夠激發大家學習的興趣和創新意識。

通過近幾年機制專業和其他專業部分學生的課程設計的改革，基本上可以鍛煉學生的創新意識，可以培養學生的創新能力，效果可以從每年的機械創新設計大賽以及工程訓練大賽等比賽中可以得到驗證。但存在的主要問題是由于部分專業的時間安排過于緊張，導致許多同學很難在課程設計過程中發揮自己的優勢。

二、機械原理課程實驗教學環節的改革

機械原理實驗教學是理論教學的鞏固、補充、升華和提高，也是為了培養學生觀察、分析、判斷、綜合和推理的基本能力，提高學生的實際操作能力，加強對所學知識的理解和對實驗結果及規律的感性認識，促使學生運用所學理論分析問題，找出解決問題的方法的一個重要環節。

早期的機械原理課程實驗教學由于受實驗條件的限制，所開設的實驗內容大部分屬于驗證性的實驗。因此，從根本上講，它并未真正起到培養學生創新意識和創新能力的作用。為了改變這種狀況，加強實驗環節對學生創新能力的培養，我們逐步減小了驗證性實驗在總實驗中所占的比例，而逐步地開設一些設計型和綜合性的實驗。為了給學生提供的更多的鍛煉機會。對于實驗室管理，也由原來的定期、定時開放逐步變為開放式管理，學生可在實驗室內對自己的設計進行模型裝配與制作，將自己的設計從圖紙轉變為實物模型，從而真正達到提高創新設計能力的目的。經過近幾年的改革實踐，證明這一種實驗模式是適應《機械原理》課程體系教改的模式和需要，其具有鮮明的特點和獨特的作用。

（一）利用典型的機構來反映機構的結構特點

由于學生缺乏生產實踐知識，感性認識有很大差異，對于其沒見過的東西僅靠教師用語言去描述很難理解和接受。借助于教學展柜中典型機構的運動演示可幫助學生解決一些難點，對學生學習本課程有很大的啟發。如利用展柜中的蒸汽機模型既可以使他們看到該模型采用了曲柄滑塊機構，又可以進一步了解其具體的工作原理和工作過程。這一種實驗，利用一些典型的機構可以把較為抽象的概念變為直觀的現象，這樣更有利于學生理解和接受所學的知識和內容。

（二）利用動態的機構演示直觀地反映機構的特性

機械原理課主要講述的是各種機構的運動過程和運動原理，但是其運動過程在課堂很難達到“直觀”的效果。為了使學生掌握機構具有確定運動的條件，掌握機構運動和動力分析的方法和原理，我們通過開設了機構運動測繪實驗。學生通過對具體機器模型的分析，可以加深學生對運動過程和運動原理的理解和認識。比如在進行拖拉機前輪導向系統的測繪和運動分析實驗時，通過讓學生親自動手控制和操作拖拉機的導向系統，他們不僅可以清晰地看到系統的結構組成，還可以進一步了解各執行構件間的運動和協調關系，這樣他們就很容易學會和掌握對所研究的系統進行運動分析和計算并繪制出傳動系統圖。

（三）利用透明可見的演示教具清晰地反映機構的原理

機械中機構的運動原理所涉及到的要素、參數及其變化在實際產品中有一些是不可見的。如漸開線齒廓嚙合點的軌跡即嚙合線是一條定直線，在實際齒輪傳動中是看不見的一條線，從而使學生學習時感到很抽象。此時通過齒輪嚙合的電動模型，可清晰地看見嚙合過程中輪廓嚙合點在透明的有機玻璃底板上留下的軌跡是一條定直線，使得嚙合點的運動一目了然，從而幫助學生加深對這部分內容的理解，并為后面學習齒輪的正確嚙合條件、連續傳動條件等內容打下基礎。

（四）利用動態的參數變化提高實驗教學效果

為了加深學生在機構的原動件按給定的運動規律運動時對其余運動構件上各點的軌跡、位移、速度和加速度，以及這些運動構件的位置、角位移、角速度和角加速度等運動參數的影響進行計算和分析過程的理解，我們開設了機構運動參數的測定實驗。通過該實驗可以使學生了解一些運動參量的測試方法，為設計方案的檢驗提供必要的數據;也可以使學生借助實驗手段直接看到機構在運動過程中位移、速度、加速度的測試以及和理論分析結果互相對比的結果;同時還可以使學生在短時間內加深課堂講授知識的理解，增強學習效果。

（五）利用第二課堂提高學生的動手能力

為了幫助學生把學到的理論知識應用于實踐，提高學生的實踐動手能力，我們開設了各種綜合性實驗。它主要是利用第二課堂的形式，學生利用業余時間在實驗室通過各種機構、電機、電線以及測量傳感器等原材料，充分發揮自己的想象力與創造力，借助于機構搭接實驗平臺來搭接出各種會動的機器模型。這些實驗富有趣味性、科學性、實用性和挑戰性。

三、積極參與機械創新設計大賽和工程訓練大賽，培養學生的綜合設計能力

為了更好地滿足社會對綜合設計能力、工程實踐能力的需求，開拓學生的知識面、培養創新精神、團隊合作意識、磨煉意志，推動創新教育的開展和教學改革，加強高等院校與企業之間的聯系，吸引學生投身到機械工業振興的事業之中，我們還實施了理論聯系實際的實踐教學模式。實踐證明，這一教學模式不僅可以激發學生的學習興趣，還可以提高學生的創造性思維，鍛煉他們的實踐動手能力，強化他們的工程意識，促使他們將理論設計與工程實踐結合起來，以更好地解決實際問題。同時，這一種教學模式還可以引導學生在實驗室里搞自己的小發明參與科技競賽，因為通過模型制作，可以檢驗學生設計的正確性，從而極大地推動了學校的創新教育。

比如，近幾年，在學校、學院和工程訓練中心等各級單位的大力支持下，專業各年級的學生參與到全國大學生機械創新設計大賽和全國大學生工程訓練綜合能力競賽的人數和作品數量在逐年的遞增，并且在省賽和國賽中多次取得好的成績。比賽中學生所提的想法往往都能夠很好地解決在日常生活中所遇到的各種問題，并且都具有較大的創新性。

總之，經過上述改革措施的實施，在強化了學生理論知識的同時，真正達到了理論聯系實際和培養創新意識的教學目的，為后續課程體系的更新和發展提供了好的基礎和內容。

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