機械設計實驗教學創新實踐

徐春明　周艷　孫瑛　蔣國璋　李公法

[摘 要]機械設計是機械專業的基礎性課程，實驗教學對于學生創新能力的培養有著至關重要的作用。針對目前大學機械設計實驗教學中存在的一些問題，以課程實驗教學模式和方法的變革為起點，圍繞創新實踐這個中心主題，運用現代化的教學手段和管理方法改革實驗教學，通過課程實踐，可以提高學生的動手能力，開闊學生的眼界，發散學生的思維，培養學生的實際操作能力以及創新能力，激發學生的學習熱情，讓學生主動參與到學習中來。

[關鍵詞]機械設計；實驗教學；思維創新

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）12-0049-03

機械設計是機械專業十分重要的一門專業基礎課程，其中機械設計實驗是必不可少的重要環節。機械設計實驗不僅可以加深學生對機械設計課程的理解，訓練學生的基本技能，同時也能培養學生的創新能力。機械設計實驗教學的研究過程包括：在實際中發現問題，針對問題設計解決方案，方案的運行，分析結果，推廣運用。在這些研究過程中，隨時要用到多種創新思維。通常情況下，理論課程是先行環節，其作用在于讓學生理解概念、落實基礎，而實驗課程的現場性實踐教學，能讓學生把學到的知識理解和掌握得更加透徹。實驗教學能讓學生將理論和實踐結合起來，在夯實學生基礎的同時，培養學生自主分析和解決問題的能力。學習不僅僅是掌握理論，更重要的是培養思維，提高自己的動手實踐能力。因此，實驗教學的重要性不言而喻，它在學生今后的學習和工作中有著不可代替的作用。機械設計也可以說是機械創新，是在原有的設計基礎之上創造出新穎的機構。機械設計可以激發學生的創造力和想象力。從具體的案例出發，機械設計涵蓋了機械行業的方方面面，從最簡單的螺栓、螺母到航空母艦，這些都涉及機械設計的內容。學習機械設計可以了解到機械行業的各種標準，這些都是十分重要的基礎知識。學習機械設計，就是要注重實踐教學，通過具體的實踐來加深學生對書本上各種知識的理解。隨著技術的不斷發展，教師要運用現代化的教學手段改革實驗教學，改革以往的教學模式，有效發揮出實驗教學的優點，讓學生直接接觸各種機械器件，利用所學知識解決實際問題，從而培養學生的實際操作能力以及創新能力。

一、實驗教學現狀分析

機械設計基礎課程的教學目的是培養學生的機械設計能力，在教學形式上采用課堂教學、實驗教學以及課程設計等方式進行。在機械設計基礎教學中，書本上的理論知識只是基礎，將自己掌握的理論知識熟練運用于實踐之中才是真正的本事。所以，機械設計實驗教學是機械設計基礎課程的重中之重。工科類高校培養專業創新性人才，應該將實驗課程作為重點，通過理論基礎的引導，進行專業的實驗教學，加強機械設計實驗教學在機械設計基礎課程中的地位，在促進學生夯實理論基礎的同時鍛煉他們的綜合能力和素質，這樣才能培養出適合各工程行業的應用型人才。在高校的教學過程中，實驗教學對于學生綜合能力的鍛煉和提高有著至關重要的作用。

目前，機械設計的課程內容還是以理論課為主，教學方式也是采用課堂教師講授的形式，考核方式以理論課筆試成績為主，并沒有注重機械設計實驗教學模塊，實驗教學課時少，學生所進行的機械設計實驗數量和質量都達不到要求，不能實現培養學生實踐能力的目的[1]。在實驗教學中，實驗教學內容的安排多基于理論配套性基礎實驗，并且實驗內容簡單老舊、教學要求低、少有內容創新。學校所進行的實驗都是演示性和驗證性實驗，創新性和綜合性的實驗較少，而且在進行機械設計課程實驗時，學校發的實驗指導書中詳細寫明了實驗目的、實驗原理以及實驗步驟，在做實驗之前，教師都會先演示實驗的操作步驟，學生按照教師的步驟一步一步地操作即可，這樣的實驗失去了實驗原有的意義，沒有給學生留下思考和創造的空間，沒有起到啟發學生創新想象力的作用[2]。學生缺乏學習主動性，安于現狀，進而導致學習效率低下。課程所安排的實驗，項目大多是獨立的，缺乏整體性，忽視了每個實驗內容之間的相互關聯，學生只是為了完成任務而做實驗，并沒有真正意義上學到知識。此外，學校所安排的實驗內容一成不變，沒有隨著科學技術的發展和學生的知識體系的擴充而進行實時的調整，一些淘汰的知識還存在于實驗之中，先進的知識沒有引用進來，這影響了實驗教學的質量，學生的學習熱情也無法提高[3]。實驗的考核方式不完善，大部分實驗還是和理論課的成績掛鉤，沒有單獨形成一個體系，甚至有的實驗項目完成后成績不計入最后的總分，學生也不重視相關的實驗課，這導致實驗課對學生沒有約束力，無法保證實驗課的教學質量要求。在傳統的實驗教學模式中，教學方法、教學體系以及教學手段都沒有進行及時的變革與更新，學生無法得到最佳的學習訓練，綜合實踐能力也就無法提高，這影響了很多學生今后的發展。因此，為了培養現代化的創新性人才，我們需要推進機械設計實驗教學的改革，從學校的學習中改變學生的思維方式，加強學生實踐能力的訓練，引導學生進行創新。

二、實驗教學模式改革

（一）實驗教學體系的改革

傳統的機械設計實驗教學大多以理論課為主，實驗的目的只是驗證理論的正確性，鞏固所學的理論知識，加深學生的印象[4]。我們突破原有的思維障礙，建立以機械設計實驗教學為重心的新的實驗學習模式，將實驗教學與理論教學分開，采用階段化的教學，單獨設立機械設計實驗教學的課程，實行學分制。除了與理論相關的實驗外，實驗教學還應該加入更多的發散性和創造性實驗，對相關的實驗進行演化，引導學生的學習興趣，為學生提供很好的創新實驗平臺。學生們能夠充分發揮自己的想象力，為了解決問題而不斷研究，教師應提供相應的幫助，這樣才有助于學生能力的培養。應增加實驗課的學時，讓學生有充分的時間進行實驗，因為僅僅幾節課的實驗課時無法讓學生了解機械設計的應用。現在很多大學的實驗室除了平時的實驗教學課之外，其他的時間都是不對學生開放的，而學生只有在特定的實驗課程時間才能進行實驗，這樣不僅學生沒有得到很好的實驗教學，同時也造成了實驗設備的資源浪費。要想培養學生的動手能力和思維創造能力，有必要對實驗室的使用和管理制度進行改革，加大實驗室的開放制度，讓學生多接觸一些機械類的東西，讓想進行實驗操作的學生有地方可以學習，讓有疑惑的學生能夠在實驗室找到自己的答案，讓那些有創新想法的學生能夠找到創新的地點。將實驗室交給學生，讓學生來自主選擇實驗方案以及實驗儀器，不限制學生使用的時間，這樣也可以打破學時的限制，改變以往的實驗教學方法，加強學生的動手能力，有利于充分發揮學生做實驗的積極性和主動性。

（二）制定嚴格的成績考核方式

成績考核是檢驗實驗教學質量的一種重要方式，可以很好地約束學生。以往就是因為沒有嚴格的實驗考核方式，學生對實驗課不是很積極，對于實驗課的內容沒有放在心上，實驗過程和實驗報告都是敷衍了事，沒有認真對待。因此，建立嚴格的實驗成績考核方式勢在必行。根據具體的實驗規劃，可以將實驗成績劃分為考勤成績、動手操作能力、綜合能力、創新能力、實驗報告，實行嚴格的考勤制度，從根本上讓學生重視這一門實驗課程，保證每個學生的正常實驗時間。通過觀察每一個學生的實踐操作能力以及實驗設計綜合能力，給予學生的客觀的評估；同時引導學生進行創新性實驗，讓學生按照自己的想法進行實驗操作[8]。實驗之后教師應該認真檢查學生的實驗報告，發現學生實驗的閃光點，多和學生進行學術探討，鼓勵學生繼續進行創新，讓學生自己做實驗解決自己所提出的問題，并對他們的想法進行引導，讓一些有相同想法的學生組成一些實驗小組，提供實驗設備給這些學生，鼓勵他們參加一些機械設計創新大賽，在更大的空間去展示自己的想法，同時這也能讓學生吸收別人的經驗，從而加深自己對問題的理解。

（三）互助實驗教學

除了改革實驗教學體系和完善考核方式之外，實驗教學還應該注重啟發式教學。教師作為授業者，要注意引發學生對實驗的興趣，讓學生始終處于新奇、懷疑、刻苦鉆研的興奮狀態。同時還要注重實驗教學課間的互助討論，將學生分成幾個小組進行實驗，組員之間相互學習、相互幫助，學生自己提出自己的見解，大家一起集思廣益[6]。最后小組內選出一個組長，代表小組在班級上展示自己小組的實驗成果，和大家一起分享實驗步驟和經驗。各個小組之間互相交流，提出自己不同的見解，互相評價實驗結果，這能提高學生互相交流的能力和與團隊合作的能力。學生應成為實驗課程的主體，教師只是強調注意事項以及引導學生進行思考，改變以往教師演示實驗操作的模式。教師在小組討論之后再進行總結性的發言，對各個小組的成果進行評價，以引發學生進一步的思考，鼓勵學生進行更深層次的實驗探究，培養學生對科研的興趣。

（四）培養學生的創新能力

開設實驗教學課程，主要目的就是培養學生的自主創新能力。如今的一些實驗課，例如曲柄搖桿機構運動分析、帶傳動實驗、減數器的拆裝實驗、軸系結構設計實驗等，這些實驗都是學生在教師的指導下按部就班地完成，整個實驗過程中學生是被動地接受知識，這種教學方式明顯不利于培養學生的創新能力[7]。不同的學生有自己不同的實驗風格，所以學校所發的實驗指導書內容應該進行變革，刪除其中的實驗步驟，讓學生自己一步一步來探索其中的操作過程，不要固化學生的思維。實驗書上所寫的實驗步驟不一定是唯一的道路，學生可以發揮自己的能力開辟出新的實驗步驟。在遇到困難、解決困難后，學生自己的學習信心會大大增強，同時這也能夠培養學生分析問題和解決問題的能力。在這個不斷克服困難的學習過程中，學生不僅可以學到知識，還能學到對待困難問題的態度和方法，在遇到問題時沉著冷靜，有條不紊地檢查每一個小細節，縮小范圍，找到問題的所在，并運用所學的知識解決它。對于那些在實驗中動手、動腦、有創新點的學生應該進行重點培養，因材施教，可以成立課外的興趣學習小組，帶領他們參加一些機械設計大賽，充分培養學生的創新力。

（五）虛擬實驗技術

受到各種條件的限制，很多高校都面臨實驗設備匱乏的問題，這就導致很多機械設計的實驗無法在實驗室內進行，理論教學又太過于抽象枯燥，這時就需要運用虛擬實驗技術。在計算機上建立一個虛擬的實驗室，學生可以隨時在計算機上模擬各種實驗。虛擬實驗操作簡潔明快，豐富的人機交互以及動畫演示可以激發學生的學習熱情，而且虛擬實驗可以通過仿真完美展示機構尺寸的動態關系，同時看出機構運動的具體軌跡，計算機可以自動采集實驗數據，避免人為的誤差。對于曲柄搖桿機構運動分析實驗，我們完全可以運用計算機軟件完成相應的實驗步驟，學生自主選擇曲柄以及連桿搖桿的長度，按照自己理解將這些桿件在軟件中組裝起來，然后進行運動仿真，觀察機構的運動。系統同時還有自動檢查錯誤的功能，如果桿件長度不能滿足轉動條件，系統就會報錯，學生可以根據相關信息不斷地調整各個桿件的長度，直到機構能夠順利運行[8]。虛擬實驗具有很大的靈活性，不需要依賴于實驗硬件，可以隨時隨地進行實驗，這節省了人力、物力，提高了實驗的效果。

（六）實驗內容與科技同步發展

實驗教學的內容應該和最新的科學技術相結合，淘汰那些過時的理論實驗，老舊的實驗設備也不宜使用，這樣的實驗設備容易有安全隱患，而且用舊設備得到的實驗數據也不準確。實驗室應該引進新的實驗設備，讓實驗室與時代接軌，除了經典的實驗課程之外，還應該發展反映現代研究科技成果的實驗技術，讓實驗課程具有探究和探索的專業氣息[9]。應盡可能讓學生和時代接軌，讓學生多了解現代最新的實驗成果，擴展學生的視野，引發學生的思考。同時要盡可能鼓勵學生多參與一些科學前沿性的活動，多閱讀一些相關文獻，了解國際科學領域的最新狀態，在實驗中培養學生的各種能力。

三、總結

實驗教學和理論教學是一個整體，兩者密切相關，重視理論課程的同時也要重視實驗課程。我校通過實驗課程改革，取得了巨大的成果，學生在實驗課上十分活躍，才思涌動，每個人都有自己獨特的實驗見解。學生通過動手實際操作證明自己的想法，在不斷地思考之中學習，創造能力得到了很大的提高。學生從被動的學習變成了主動的學習，積極參加各種機械創新大賽，并且取得了優異的成績。通過機械設計課程改革，學生的綜合能力也得到了很大的提升，特別是在動手實踐方面，學生不只是停留在理論層次，而是擁有豐富的實踐經歷，受到了各大用人單位的青睞。為了響應國家對創新型人才的需求，我們要堅持以創新為中心，通過教學改革以及現代化教學手段，不斷培養高素質技能型人才。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 桂亮，趙衛軍，金悅，郭婷，權雙璐.“互聯網+”背景下的機械設計基礎實驗教學新模式[J].實驗室研究與探索，2017（12）：143-146.

[2] Ying Sun，Jiabing Hu，Gongfa Li，Guozhang Jiang，HegenXiong.Mechanical Design Practice Teaching Based on Romax Designer [J].Revista de la Facultad de Ingeniería U.C.V.，2017，32（10）：191-199.

[3] 郝冠男.淺析機械設計基礎課程建設的實踐與探索[J].考試周刊，2017（86）：17.

[4] 武照云，李麗，朱紅瑜，李廣玉，劉保國.機械原理與設計虛擬仿真實驗教學平臺的設計[J].實驗技術與管理，2017（8）：121-124.

[5] 呂帥帥，朱建蘭，汪興興，倪紅軍.基于創新能力培養的機械設計實驗教學改革探索與實踐[J].教育教學論壇，2017（27）：138-139.

[6] 劉婷.虛實結合的機械設計實驗教學方法研究[J].科技創新導報，2017（19）：239-240.

[7] 孫瑛，程文韜，蔣國璋，李公法，熊禾根，朱文瓊，李翠巧.研究生創新與實踐能力提升途徑的研究[J].教育教學論壇，2018（7）：41-43.

[8] 徐淑珍.機械設計基礎實驗教學改革與創新能力培養[J].科教導刊（上旬刊），2017（5）：140-141.

[9] 孫瑛，程文韜，朱文瓊，蔣國璋，李公法，熊禾根，吳浩.基于校企聯合協同中心的機械工程研究生培養模式創新研究[J].教育教學論壇，2018（16）：31-33.

[責任編輯：陳 明]