自制教具在本科生機械實驗課中的應用

唐明祥， 楊旭光， 王 成， 丁雪梅， 董桂軍

（1.吉林大學植物科學學院，吉林 長春 130062； 2.吉林大學動物科學學院，吉林 長春 130062）

0 引言

吉林大學植物科學學院農學、植物保護、園藝、資源與環境4 個專業均開設唯一的一門機械課程，每門課程32 學時，實驗6 學時。受學時、學科、經費等限制，該課程的實驗設備陳舊老化、臺套數少，學生均為非機械涉農專業，無機械基礎，教學質量低。針對這一現狀，筆者著手研制相關教具，針對性地研制了電控排種器實訓裝置、噴頭工作狀態實驗裝置、柴油機啟動系統實驗裝置3 套教具，并將這些教具有效地融入到機械課程的實驗教學及校開放性創新實驗，教學效果明顯提高。

1 自制教具概述

1.1 自制教具概念

自制教具主要是針對現有教學問題，有目的地對現有儀器進行改裝重組或者利用生活中的器材，結合新的制作工藝或者設計新的原理制作而成的教具[1]。

自制教具能夠體現教育思想、教學方法；能夠完成教學目標、教學內容；具有科學性、教育性、直觀性和趣味性[2-3]。

1.2 自制教具意義

1.2.1 補充教學設備不足

由于植物科學學院的機械學科不招生，以致學科不占優勢，很難申請足夠的經費購買教學設備，現存設備陳舊老化、數量不足、針對性不強，為緩解這一突出矛盾，筆者研制了3 套典型教具，實踐證明，自制教具對彌補教學儀器不足是行之有效的[4-6]。

1.2.2 激發學生上實驗課的興趣，開闊學生視野

常言道，興趣是最好的老師，好奇心是成功的起點。通過自制教具可以設置一些情景模式，激發學生學習的興趣與求知欲。研制的教具均為基于計算機控制技術的機械，學生特別感興趣，都想親手操作，探個究竟，這些教具又是學生沒有見過的，由此開闊了學生的視野。

1.2.3 可有效縮短實驗時間，見效快

自制教具便于觀察與操作，在短時間內就能完成實驗。電控排種器實訓裝置可以隨時為學生演示或學生親自動手操作，在室內可以模擬播種機的工作過程，以及播種量的檢查與調整，不受白天、晚上、天氣等因素的限制，如果用拖拉機掛接播種機到田間進行試驗，費時費力，同時還受學時數、天氣、季節等客觀因素的影響，在授課過程中利用自制教具可有效縮短實驗時間。

2 自制教具應用及教學效果評價

2.1 背景

植物科學學院農學、植物保護等4 個涉農專業都開設1 門機械課程，其中農學和資源與環境兩個專業開設的機械課程是“農業機械與應用”，植物保護專業開設的機械課程是“植保機械與應用”，園藝專業開設的是“園藝機械與應用”，這3 門課程均為32 學時，其中實驗課6 學時，設有3 個實驗（表1），每個實驗2 學時。不難看出，這3 門課程的實驗學時少，學生沒有機械基礎知識，而且在授課時受客觀因素限制，只能采取對照實物講解示范，學生沒有實際動手操作的機會，同時現有實驗設備針對性不強，致使學生理解理論課所講內容困難。為此，從2013 年開始，歷時6 年，研制了3 套教具，分別是電控排種器實訓裝置（圖1）、噴頭工作狀態實驗裝置（圖2）、柴油機啟動系統實驗裝置（圖3）。

圖1 電控指夾式排種器實訓裝置Fig.1 Training device for electric control finger clip seed metering device

圖2 噴頭工作狀態實驗裝置Fig.2 Experimental device for nozzle working state

圖3 柴油機啟動系統實驗裝置Fig.3 Experimental device for diesel engine starting system

表1 3 門機械課開設的實驗Tab.1 Experiment of three mechanical courses

2.2 自制教具具體功能

2.2.1 電控排種器實訓裝置

電控排種器實訓裝置由播種單體、環形軌道、行走控制器、遙控器等組成，其中播種單體由電控排種器、種子箱、行走電機、行走傳感器、播種控制器、自動清種器等組成（圖4）。工作時，首先接通電源，操作遙控器上的“C”鍵，可以控制播種單體在環形軌道上行走的啟動、停止，通過遙控器上的“A” “B”鍵可以改變播種單體在環形軌道上行走的快慢，只要將播種單體上的播種控制器開關置于開的位置，播種單體在環形軌道上行走，電控排種器就會將種子按一定株距排到環形軌道的沙子上，自動清種器安裝在播種單體的前方，在行進過程中將種子自動收納到撮子里面，預設程序使播種單體約轉1.5 圈撮子在電機的作用下抬起，沙子被篩掉，種子滾到撮子的根部，同時風機啟動，將種子吸入種箱，種子被循環利用。操作遙控器上的“D”鍵可實時清種，即按一次“D”鍵，無論播種單體是否行走自動清種器工作一次。播種單體正常工作中按下遙控器上的“C”鍵使播種單體停止行走，即可測量株距，如果實測株距與理論株距（農藝要求）不一致，通過播種控制器上的“+”、“-”鍵調整，長按播種控制器上的“+”鍵持續大約10 s，屏幕上顯示對應的驅動輪直徑（因為行走傳感器是根據指定拖拉機驅動輪的直徑設計的），此時操作播種控制器上的“+”、“-”鍵改變驅動輪直徑進行微調，接著再試驗，直至調試到實測株距與農藝要求的株距最接近為止[4]。

圖4 電控排種器實訓裝置結構Fig.4 Structure of training device for electric seed metering device

裝置特點：利用環形軌道代替播種機播種作業的直線軌跡；通過自動清種器實現自動清種；可以直觀地觀察播種機核心工作部件-排種器的工作情況，可以測量株距與調試株距；該裝置完全可以模擬播種機的工作過程及株距的調試，實驗裝置可以全天候使用。

2.2.2 噴頭工作狀態實驗裝置

噴頭工作狀態實驗裝置由電機水泵總成、液晶顯示屏、噴頭等組成（圖5）。工作時，首先插上電源，合上空氣開關，紅色指示燈亮，然后按下指示燈下面的開關，紅色指示燈熄滅，綠色指示燈亮，說明系統內已經通電，液晶顯示屏亮起并進入開機畫面，用手指觸摸屏幕上任意位置便進入到主頁面，通過主頁面可以瀏覽各種典型噴頭的相關知識。實驗時，只需點擊進入相關噴頭的實驗畫面（圖6），通過調節供電頻率（0～50 Hz），電機水泵總成的轉速就發生變化，實驗裝置系統內的壓力隨之改變，可觀察噴頭在不同壓力下的工作情況，以及測量噴頭在一定條件下的噴射距離或噴射半徑等參數，利用相關軟件分析所測數據，觀察噴頭的噴射距離或噴射半徑隨頻率和壓力的變化規律[5]。

圖5 噴頭工作狀態實訓裝置結構Fig.5 Structure of sprinkler working state training device

圖6 噴頭工作狀態實驗裝置實驗畫面Fig.6 Experimental picture of nozzle working state experimental device

裝置特點：可直觀展現不易觀察和理解的各種噴頭，學生通過對實驗裝置的親手操作來提高其實踐動手能力；通過改變供電頻率調節電機水泵總成的轉速，進而實現改變實驗裝置系統內的水壓，滿足實驗各種噴頭噴霧所需壓力；觸摸屏不但可以直觀顯示實時水壓和頻率，還可以人機交互，操作簡便。

2.2.3 柴油機啟動系統實驗裝置

自制教具柴油機啟動系統實驗裝置由單缸柴油機、機油壓力傳感器、蓄電池等組成（圖7）。工作時，按下液晶顯示屏右側電源按鈕，微控制器由電源轉換模塊供電，AD 采集模塊通過轉速傳感器、水溫傳感器、機油壓力傳感器將采集到單缸柴油機的轉速、水溫、機油壓力傳給微控制器，由微控制器處理之后通過顯示模塊傳給液晶顯示屏（圖8），并由液晶顯示屏的實驗畫面顯示（圖9）。在實驗畫面上操作電啟動的兩種模式，操作屏幕上的“適時啟動”或者“一鍵啟動”按鈕啟動柴油機，當驅動模塊接到啟動指令時，啟動電路接通，起動機帶動單缸柴油機轉動并實現啟動[6]。用手指按住“適時啟動”按鈕啟動電路接通，柴油機在起動機帶動下運轉，當手指離開“適時啟動”按鈕啟動電路立即斷開；操作一鍵啟動時，當手指點一下“一鍵啟動”啟動電路便接通，起動機帶動柴油機運行3 s 啟動電路立即斷開，無特殊情況，柴油機被啟動。

圖7 柴油機啟動系統實驗裝置結構Fig.7 Structure of experimental device for diesel engine starting system

圖8 柴油機啟動系統工作原理Fig.8 Working principle of diesel engine starting system

圖9 柴油機啟動系統實驗裝置實驗畫面Fig.9 Experimental picture of diesel engine starting system experimental device

柴油機啟動系統實驗裝置以一個單缸柴油機代表內燃機，既可人力啟動，也可電力啟動。電力啟動中的“適時啟動”和“一鍵啟動”兩種模式通過液晶顯示屏進行操作完全可以模擬汽車的無鑰匙進入啟動。

2.3 自制教具應用及教學效果評價

為了改變實驗課的教學模式，提高學生上課的積極性，提高教學效果，筆者多年來一直在機械實驗課中使用研制的教具，收到了良好的效果。

2.3.1 自制教具應用

（1）機械實驗課的傳統教學模式。

由于授課時、設備臺套數等的限制，只能按傳統模式（圖10）進行授課：課前，通知學生預習實驗課的相關內容；課中，教師只能依托現有陳舊設備給學生講解，然后留出少許時間和學生進行互動，由于學生是涉農專業，沒有機械基礎，課堂上講解的內容學生理解非常困難，在互動環節，學生很難提出問題；課后，學生按老師要求完成作業。實踐證明該傳統教學模式無法激起學生上課的積極性和主動性，難以掌握所學內容，課堂效率較低[7]。

圖10 傳統教學模式Fig.10 Traditional teaching mode

（2）基于自制教具的混合教學模式。

基于傳統教學模式的缺陷，將研制的教具融入到機械實驗課，并構建了“引入自制教具的混合教學模式”（圖11）。

圖11 引入自制教具的混合教學模式Fig.11 Mixed teaching mode of introducing self-made teaching aids

課前，教師將自制教具的基本結構、工作原理及使用操作等錄制成小視頻，根據自制教具的數量及特點設計出合理的分組方案，設計思考題，提前3～7 d 將準備好的自制教具小視頻、自制教具說明書、分組方案、思考題及相關電子版的資料等通過QQ 群傳給學生。學生根據教師上傳在QQ 群上的材料認真預習，并按要求完成分組和思考題，對不會的思考題做上標記，在這個期間師生通過QQ 群可以隨時交流。

課中，教師的角色主要是針對實驗內容進行提問，檢查學生預習情況，同時回答學生提出的疑問，指導學生實際動手操作自制教具，最后總結實驗情況，同時對關鍵點給學生進行指導；學生的角色主要是回答教師的提問，對不會的地方向教師請教，實際動手操作自制教具，同學之間交流助力有效掌握實驗內容。

課后，教師的主要任務是批改實驗報告，總結實驗過程并結合學生提出的合理化建議進行下次實驗課的改進[8-11]。

2.3.2 教學效果評價

為了比較準確地評價自制教具在機械實驗課中進行應用的教學效果評價，設計了調查問卷，涉及7 個問題，分別是教學模式的認可度、提高學習興趣的程度、提高自學能力的程度、提高創新思維能力的程度、自制教具的適用性、自制教學的可靠性、自制教具的可操作性[12]。筆者抽選2018 級農學專業29 名本科生進行了調查，調查結果如圖12 所示。

圖12 自制教具應用滿意度調查情況Fig.12 Satisfaction survey of self-made teaching aids

從圖12 可以看出，在機械實驗課中融入自制教具之后的新教學模式，學生的認可度達96%、提高學生學習興趣的程度達95%、學生自學能力的提高程度達97%，同時對自制教具的適用性、可靠性和可操作性的認可度均在90%以上。由此說明自制教具的應用是成功的。

除此之外，還將研制的教具應用在學校的開放性創新實驗。將電控指夾式排種器實訓裝置應用在開放性創新實驗“精量播種的控制與調試”，學生可通過該實驗裝置模擬播種機的工作、調試。將噴頭工作狀態實驗裝置應用在開放性創新實驗“噴頭工作狀態的試驗與分析”，同樣學生可以通過該實驗裝置來實驗各種典型噴頭在不同壓力下的工作情況，還可以通過改變電機水泵的供電頻率達到改變電機水泵的轉速，從而改變系統內的壓力，測試噴頭的噴射距離、半徑、高度等參數。將柴油機啟動系統實驗裝置應用在開放性創新實驗“基于柴油發動機的啟動逆向研究其主要結構及工作原理”，學生通過實驗裝置可以瀏覽內燃機的結構、工作原理等基本知識，還可以通過實驗裝置練習內燃機的啟動，包括人力啟動和電力啟動，尤其是通過實驗裝置“適時啟動”和“一鍵啟動”啟動內燃機，完全能夠模擬當今汽車無鑰匙進入啟動。這3個教具在開放性創新實驗中的成功應用，同樣得到了學生極大地認可，學生實驗的積極性與主動性持續高漲，對實驗課的興趣濃厚，學生創新思維能力得到了提高，學生對自制教具的認可度非常高，尤其是對學生實踐動手能力的培養效果明顯，教學質量顯著提高。

3 結束語

多學科交叉的3 套自制教具在本科生機械實驗課中多年的應用實踐證明，自制教具不僅具有針對性強和彌補實驗設備不足的特點，還能提高學生上課的積極性，培養學生觀察問題、分析問題、解決問題、創新思維、實踐動手等諸多能力；同時研制教具可以鍛煉師資隊伍。在實驗教學中構建的“引入自制教具的混合教學模式”在非機械涉農專業的機械實驗教學中應用效果顯著，是提高教學質量的有效途徑。