以解決實際機械工程問題為主線的實驗課程群建設探索

吳兵 陳嶸 李屹

摘要：針對高校實驗課程之間缺乏有機聯系的問題，整合多方面的實驗技能訓練內容，設立獨立于理論課程之外的、以解決實際機械工程問題為目的的、包含多個綜合性實驗項目的課程群。該實驗課程群以某個典型機械零部件的實際生產過程為主線，把原來相對獨立的多門實驗課程串聯起來，教學周期持續整個本科學習階段，可同時滿足多門機械工程專業課程的實驗教學需求，使學生能夠在四年本科學習中體驗機械零件加工生產的完整環節。

關鍵詞：獨立實驗課程；綜合性實驗；課程群；實際生產

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）32-0276-03

一、前言

實踐教學是高校教學中的重要組成部分，而對于工科類院校尤其重要。各高校都在著力解決高等教育中日益嚴重的理論與實踐、教學與生產脫節的問題，也在不斷探索改革實踐教學模式，提高學生工程實踐能力，特別是解決實際工程應用問題的能力，[1，2]以突出實驗教學的基礎性和綜合性，強調培養學生的基本實驗技能，加強創新能力的提升，達到以學生為本，逐步培養解決工程實際問題能力的教學目標。[3，4]工科類院校中的實驗教學主要包括基礎實驗、專業基礎實驗、專業實驗、創新實驗、綜合設計實驗。[5]在經過高校集中開展通識教育后，基礎實驗通常由通識教育中的基礎實驗室統一完成，各學院下屬的專業實驗室主要面向本學院學生和其他學院有相關性專業的學生開展其他的實驗教學。[6-8]這些實驗之間總體來說是相互獨立的。

在高校開展的各類教改活動中，創新實踐教學一直都是熱點，但創新的前提是擁有扎實的基礎知識，因此在實踐創新時，更應該重視專業基礎及專業實驗，使學生在學習專業基礎和專業理論課程中，能夠通過有效的實驗教學掌握應知應會的基本知識。在專業實驗室的實踐教學活動中，專業基礎、專業實驗教學是工作重心，創新實驗、綜合性設計實驗面向的受眾學生相對較少，但卻是專業實驗室開展實踐教學活動的成果展現。

機械工程基礎及專業實驗一直都是相關理論課程的課帶實驗，實驗教學的大綱、目的、內容是由理論課程決定的，并且在制訂培養計劃的時候也把實驗教學的內容定性為本課程的驗證手段，比如，機床機構剖析在機床控制技術、現代加工設備等設備類課程中都是該門課程的課帶實驗。在理論課程教學結束的時候，會有課程設計或畢業設計作為學生掌握該門課程或本專業知識綜合性的應用檢驗，而對于實踐性教學內容，學生僅僅在所附帶的課程結束后就基本上再也不會接觸了，造成了越到高年級，對于越基礎的實踐操作掌握丟得越多的現象。

針對以上問題，在配合理論教學的同時，整合多方面的實驗技能訓練，設立一門獨立于理論課程之外的、面向解決實際工程問題的、包含綜合性項目群的實驗課程。該實驗課程以如何解決實際工程問題為主線，把原來相對獨立的多門實驗課程串聯起來，教學周期持續整個本科學習階段，可同時面向多門機械工程專業課程的實驗教學需要，使學生能夠在四年本科學習中經歷機械零件加工生產的完整環節。

二、教學實施過程

以典型的機械加工零件——連桿為實例對教學安排進行相關分析。

（一）零件分析

根據零件裝配圖了解該零件在裝配機構或設備中的作用及基本結構，根據零件外形圖了解該零件拆卸成單獨部件時的外觀情況，并結合實際零件進行測繪，將所得數據記錄，并查閱相關資料，逐步分析零件的技術要求，包括尺寸、公差、表面粗糙度、形位公差等，完成該零件的完整零件圖。該部分內容可以作為機械制圖的實踐教學部分以取代現有的零件測繪實驗。

該部分實驗教學主要針對大學本科一年級學生學習《機械制圖課程》后的實踐操作，也可以針對二年級學生學習《互換性與測量技術》課程的實驗教學，學生可以掌握零件的拆裝、量具的使用及讀取方法、測量數據的分析、零件技術要求的分析等。

針對不同階段的學生，各實驗內容對學生提出的實驗要求也不同，比如，對于一年級階段的同學，只需要根據部分已知條件查閱對應的技術要求，即根據已知的零件尺寸及公差，查閱填寫表面粗糙度。而對于高年級階段的同學，則還需要對數據進行分析，對零件進行評價。

（二）機械設計及原理

利用繪制的零件圖，結合零件的工作原理，搭建零件的模型。比如，利用現有的連桿機構，分析其工作原理，繪制該零件的機構簡圖，分析其受力情況。該部分內容可以作為機械設計、機械原理的原課帶實驗。

（三）機械加工工藝設計

根據前期獲得的零件圖及工作分析，設定生產綱領的加工條件，擬定本零件的加工工藝路線、確定加工設備及工裝方法，制定全套零件加工的工藝。該部分內容可以作為機械制造工藝學、機床夾具、機械加工設備等專業課程的實驗內容。要求學生能根據已知零件的技術要求，擬定加工工藝方法，包括毛坯制造、加工準備、加工方法、加工設備、刀具選擇、加工輔助、工時計算、成本計算等多方面加工工藝制定。該階段面向三年級學生專業課設定實踐教學內容，零件是學生前期一直接觸并學習的，各方面情況已經較為熟悉，對學生有針對性地練習加工工藝制定提供了較為具體的條件，避免了在學習中因突然接觸一些空洞和抽象的設計目標而增加學習難度的情況。

（四）數控編程

針對在零件加工中采用數控機床進行加工的具體情況，結合機自專業課中的數控技術類課程，選取較為典型的加工工序，根據學生所學的編程方法，對零件進行某一加工工序的數控程序編制。采取的途徑為：分析數控加工工藝方案、數控機床加工的特點，根據對待加工零件的分析，利用編程軟件或手動編程，選取合適的加工參數，將編制好的數控程序在數控加工仿真軟件中進行加工仿真，根據仿真過程檢查并修改程序，直至程序調試正確；利用數控操作培訓機，掌握將該程序用于加工零件的正確操作步驟，逐步將本工序調試正確。完成以上實踐后，提交實踐報告，獲指導教師批準后，操作機床實際加工，直至獲得預期的零件實體。

（五）零件加工精度檢測

這部分的內容主要是利用各種測量工具對已經加工好的零件進行檢測，學習精密測量方法，強化學生對測量儀器的使用，掌握根據檢測結果分析加工結果的方法，總結加工精度的影響因素，并提出改進措施，對學生綜合利用所學基礎及專業知識分析實際問題提供較好的訓練方式。該階段實驗內容采用游標卡尺、螺旋測微儀、角度測量儀、百分表、千分表等常用手動測量工具，測長儀、等精密測量儀器，三坐標測量機床等開展。

通過以上以實際零件的實際生產全流程為主線的實踐教學過程，涵蓋了典型機械零件生產加工中所涉及的機械制圖、機械設計、機械原理、零件測量等機械基礎實踐教學內容，也包含了機械制造工藝、數控技術、夾具設計等專業實踐教學。

三、調整培養計劃，適應新實踐教學內容

原來制定的培養方案是根據本專業培養目標，分解為各門基礎及專業課程，并根據教學大綱將各門課程的實驗教學計劃同時列出。這種教學內容的制定執行起來較為方便，但造成了各實驗教學內容相互割裂的現象。為改善這種實踐教學的不足，可針對不同專業特點，在單獨設立的實驗教學課程群中選取符合本專業教學課程的實驗內容。因此，在制定以特定生產目標為教學主線的實驗項目群的時候，就應該將各專業需要開設的實驗內容包含在內，以供各教學課程根據課程的教學學時及要求，靈活選取相應的實驗內容。

四、整合實驗教學內容，獨立設立實驗課程

原來理論課程在制訂教學大綱、教學計劃時均將實驗教學內容作為課帶附屬內容，以致部分教師將課程的總學時錯誤理解為自己的教學學時=總學時-實驗學時，甚至有部分任課教師為了提高理論教學時數，不嚴格按照教學大綱開展實驗教學，造成理論課程與實驗課程學時數方面的對立性。為改變這種情況，獨立設立實驗課程，將實驗教學學時單獨設定，無疑是一種較好的方法。比如，數控技術課程理論學時按不同專業為40學時或28學時，按教學大綱的要求，該門課程的實驗學時為8學時或4學時，因此，選修數控技術課程的學時應該同時按要求選修符合課程教學要求的實驗項目，具體的實驗項目可以按不同的專業在獨立設置的實驗課程中選取。這樣，數控技術課程的教學學時應該=理論課程學時數+實驗課程學時數，這8個學時的實驗課程內容只是該專業學生所有實驗課程中的一部分，并不單獨設立學分，但如果實驗教學內容考核不合格，將導致學生沒有資格參加該門課程的考核，也沒有資格取得該門課程的學分，而單獨設立的實驗課程的學分只有在學生所有實驗均考核合格后才能獲得。

五、綜合考評內容，全面考核能力

實驗考評是為了全面綜合地檢測學生的實驗學習效果。[9]為了改變以往實驗考核主要以學生提交的實驗報告為依據的方式，充分考慮學生貫穿整個本科實驗學習中的狀況，根據專業要求，在每個學期以學分方式對實驗準備（實驗預習）、實驗過程的動手能力、實驗結果分析等多方面進行綜合評價。考核中，學生提交的實驗設計方案占30%、實驗過程考核占40%、實驗結論分析占30%。[10]

六、總結

第一，獨立設置實驗課程群，可以將實驗課程獨立于理論課程，避免了實驗學時與理論學時的糾纏，對實驗教師的工作量認定有了明確的方法。

第二，實驗項目群可以面向不同專業、不同課程、不同階段的學生靈活開展實驗教學。

第三，獨立設置的實驗項目群可以將本專業各門基礎課程、專業基礎課程及專業課程有機地串聯起來，更有針對性地面向不同專業的學生，使豐富多樣的實驗項目生動地應用于實際生產，避免了空洞的實驗教學形式。

第四，雖然實驗課程在形式上剝離于理論課程，但絕不能在教學上完全脫離理論教學而存在，一定要與理論課程緊密相連，特別更需要為理論教學做好對應教學階段的補充。

第五，利用現有實驗資源，將分散的實驗設備整合到同一實驗項目群下統一調配使用，提高設備利用率。

參考文獻：

[1]宋永臣，楊明軍，劉衛國.本科生專業實驗教學研究探討[J].實驗室研究與探索，2014，（02）：161-165.

[2]馮其紅，胡偉，王增寶.改革實驗教學模式 培養大學生的工程實踐能力[J].實驗室研究與探索，2013，（02）：130-132.

[3]丁彩紅，吳喜如.機械綜合實驗教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2012，（04）：318-321.

[4]于柏.加強實驗教學改革 深化實驗教學示范中心建設[J].實驗室科學，2017，（03）：153-155.

[5]劉吉軒，陳雪峰，訾艷陽.開放式機械創新實驗教學模式體系研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2015，（07）：184-187.

[6]金悅，楊培林，陳曉南.機械設計基礎綜合實驗教學的實踐與探討[J].實驗室研究與探索.2014，33（9）：231-235.

[7]楊延梅，楊清偉，周富春.高等學校開放式實驗教學的探討[J].高校實驗室工作研究，2012，112，（2）：6-7，84.

[8]崔彥，代中現.以學習者為中心的教學設計與實踐[J].全球教育展望，2010，39（6）：92.

[9]劉洪艷.項目化教學模式在專業綜合實驗中的探索研究[J].實驗科學與技術，2018，16（1）：61-64.

[10]宋永臣，楊明軍，劉衛國.本科生專業實驗教學研究探討[J].實驗室研究與探索，2014，（02）.