機(jī)械基礎(chǔ)一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境研究與建設(shè)

江勛林，熊春友，廖飛，劉琦峰

(陸軍步兵學(xué)院，江西 南昌)

一 引言

傳統(tǒng)的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)偏重驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)彼此關(guān)聯(lián)性較少，實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對單一，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)[1]。因此，在機(jī)械基礎(chǔ)室建設(shè)過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮到該因素，將實(shí)際工業(yè)背景結(jié)合到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，強(qiáng)化綜合類實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程中，也不能只是針對學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行訓(xùn)練，而應(yīng)該更多地考慮綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力[2]。這些能力的生成需要有科學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容支撐，當(dāng)然也需要有機(jī)械實(shí)驗(yàn)室良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境支撐。

機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般在理論內(nèi)容教學(xué)結(jié)束后及時(shí)通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容加以驗(yàn)證，加深印象，深化理解。機(jī)械基礎(chǔ)課程通常還安排課程的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容來提升創(chuàng)新實(shí)踐能力，例如設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用機(jī)械產(chǎn)品[3]。或通過設(shè)計(jì)項(xiàng)目的方式，將特定機(jī)器拆解成不同的子項(xiàng)目，通過項(xiàng)目將理論知識和創(chuàng)新實(shí)踐結(jié)合起來[4]。在這個(gè)過程中，需要完成原理方案設(shè)計(jì)、可行性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)等工作。這個(gè)過程也是學(xué)生綜合和創(chuàng)新能力的生成過程。

機(jī)械基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)要求強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)，從而提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力[5]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)，特別是開放實(shí)驗(yàn)可以高效地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的價(jià)值，同時(shí)更好培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，讓學(xué)生融入到實(shí)驗(yàn)管理中去[6]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)的過程中，學(xué)生可以體會“學(xué)中做，做中學(xué)” 的樂趣，通過實(shí)驗(yàn)成果的成就感提升學(xué)習(xí)興趣[7]。

省時(shí)、高效的課程體系改革是當(dāng)前教育改革的方向[8]，課內(nèi)的理論學(xué)時(shí)在逐步減少，知識體系卻在不斷拓展，課后的工程實(shí)踐在逐步增多，原來的灌輸式教學(xué)模式將被自主學(xué)習(xí)型教學(xué)模式取代[9]。課程教學(xué)不能只是關(guān)注課內(nèi)的有限學(xué)時(shí)，而應(yīng)該關(guān)注學(xué)生課后的實(shí)踐學(xué)習(xí)，注重學(xué)生的工程意識、工程實(shí)踐動手能力及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)[10]。

二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容框架

實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可使學(xué)生更好地掌握機(jī)械系統(tǒng)的工作原理、承載特性、影響因素分析方法，了解典型機(jī)械零部件的實(shí)驗(yàn)方法以及力學(xué)、機(jī)械量的測定原理與方法，進(jìn)一步了解機(jī)械性能指標(biāo)的重要性，促進(jìn)學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中能力的生成，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、數(shù)據(jù)采集能力、分析與解決問題能力以及創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

一般來說，從實(shí)驗(yàn)類型角度，可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容區(qū)分為認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、研究實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等類型[11]。從實(shí)驗(yàn)方式角度，可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容區(qū)分為必修、選修和開放等方式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)類型和實(shí)驗(yàn)方式的二維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)知實(shí)驗(yàn)主要是對課程內(nèi)容中涉及到機(jī)構(gòu)、零部件、模型、工具、儀器設(shè)備等的感性認(rèn)知。在理論開課之前完成認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，可以補(bǔ)足部分學(xué)生的想象力短板，有利于理論教學(xué)。而理論課后的再認(rèn)知，有利于理論知識的消化吸收。因此，認(rèn)知實(shí)驗(yàn)應(yīng)設(shè)置為必修實(shí)驗(yàn)，且部分項(xiàng)目可作為開放實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要是對理論學(xué)習(xí)中一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，一方面加強(qiáng)對理論知識的理解，一方面加強(qiáng)鍛煉學(xué)生的動手實(shí)踐能力。在理論教學(xué)過程中，可根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知程度和實(shí)際的教學(xué)效果，設(shè)置驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)大部分項(xiàng)目應(yīng)為必修，部分項(xiàng)目可為選修。研究與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)主要是針對一些學(xué)有余力的學(xué)生設(shè)計(jì)的，教學(xué)中因材施教，使學(xué)生得到更多的鍛煉和個(gè)性化發(fā)展。研究與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)設(shè)置為開放實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)需求，在第二課堂時(shí)間組織學(xué)生展開實(shí)驗(yàn)活動。

圖1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系框架

依據(jù)機(jī)械基礎(chǔ)課程的實(shí)踐要求，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)條件建設(shè)情況，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系框架，構(gòu)設(shè)了13項(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具體見表1所示。

表1 基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

以上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括了機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的大部分內(nèi)容。但是，要使學(xué)生的綜合能力以及創(chuàng)新能力得到提升，還需要綜合實(shí)踐類內(nèi)容做支撐。綜合實(shí)踐類內(nèi)容不僅僅是對理論原理的驗(yàn)證，更讓學(xué)生帶著發(fā)現(xiàn)的眼光去完成實(shí)驗(yàn)，也能讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)的自主行為中取得更多的獲得感，激勵(lì)學(xué)習(xí)動機(jī)。而要高效地完成綜合類實(shí)驗(yàn)，就需要有一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境做支撐。

三 一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境

現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展趨勢體現(xiàn)出形態(tài)的開放性、內(nèi)容的綜合性，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的一體化集成可以得到更好的管理實(shí)效[12]。實(shí)驗(yàn)室不僅是對課程理論進(jìn)行驗(yàn)證的場所，而且是學(xué)生動手實(shí)踐能力生成的基地。現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)該是開放性的，更多地支持學(xué)生對機(jī)械科學(xué)的探索活動。因此，實(shí)驗(yàn)室需要在功能上高度集成，將包含有機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械材料、機(jī)械制造等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)設(shè)備集成為一體，支撐學(xué)生從理論學(xué)習(xí)到機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐，再從機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐到機(jī)械制造實(shí)踐的全過程。學(xué)生可以從理論學(xué)習(xí)中體驗(yàn)機(jī)械設(shè)計(jì)原理，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程強(qiáng)化理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)知識與技能的同步提升。

圖2 一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境

隨著教學(xué)改革的逐步推進(jìn)，機(jī)械基礎(chǔ)的學(xué)時(shí)有逐步遞減的趨勢。在少學(xué)時(shí)的情況下，學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)技能的提升，需要有一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境做支撐。通過若干個(gè)環(huán)節(jié)，將機(jī)械基礎(chǔ)涉及到的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目串聯(lián)起來，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，學(xué)生可以參與某個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鍛煉基本能力，也可以通過團(tuán)隊(duì)合作的方式有效地完成簡單的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)是整個(gè)課程教學(xué)的核心，是能力素質(zhì)的綜合體現(xiàn)，是將實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來。

原理驗(yàn)證環(huán)節(jié)：既包括對基本理論原理的驗(yàn)證，也包括設(shè)計(jì)產(chǎn)品原理方案的可進(jìn)行驗(yàn)證。在該環(huán)節(jié)中可利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的相關(guān)設(shè)備。

制造與裝配環(huán)節(jié)：讓學(xué)生參與加工制造工藝要求不高的小型機(jī)械零件，體驗(yàn)制造與裝配過程。

檢驗(yàn)與測試環(huán)節(jié)：對加工出來的機(jī)械樣品的力學(xué)性能等進(jìn)行檢驗(yàn)，測試其功能是否滿足要求，讓學(xué)生體驗(yàn)機(jī)械設(shè)備的檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，理解測試原理。

改進(jìn)與再創(chuàng)新環(huán)節(jié)：根據(jù)檢驗(yàn)與測試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，對改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，集中集體智慧，對方案進(jìn)行再創(chuàng)新。

此外，依托實(shí)驗(yàn)室條件建設(shè)，還設(shè)計(jì)部分課外活動項(xiàng)目，為學(xué)生參加第二課堂和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)俱樂部等活動提供場所和設(shè)備支撐，為學(xué)生參加相關(guān)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽提供學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的平臺。

四 實(shí)驗(yàn)布局鏈路

由于機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類較多，設(shè)備大小規(guī)格難于統(tǒng)一。當(dāng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)不是很飽滿的情況下，需要充分考慮各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能和大小，合理布局，以便科學(xué)組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動。

實(shí)驗(yàn)室布局總的要求是：功能區(qū)分，空間共享。在功能上，將實(shí)驗(yàn)室區(qū)分為機(jī)構(gòu)零件認(rèn)知實(shí)驗(yàn)區(qū)、機(jī)械基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)區(qū)、金屬材料力學(xué)性能及金屬工藝實(shí)驗(yàn)區(qū)、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)區(qū)等四個(gè)區(qū)域。各區(qū)域之間通過學(xué)生的學(xué)習(xí)過程形成一個(gè)閉環(huán)鏈路，各區(qū)彼此獨(dú)立又相互支撐。

圖3 實(shí)驗(yàn)室布局功能鏈路

基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)區(qū)：通過陳列柜語音播報(bào)、模型展示等方式，完成機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的基本認(rèn)知，通過模型將生活實(shí)例與理論設(shè)計(jì)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)感性認(rèn)知向理性認(rèn)知的升華。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)區(qū)：主要用于機(jī)械基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對相應(yīng)機(jī)構(gòu)原理和零件設(shè)計(jì)進(jìn)行理論認(rèn)證。通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生從基本認(rèn)知進(jìn)入到深度認(rèn)知。

金屬材料實(shí)驗(yàn)區(qū)：在學(xué)時(shí)少的背景下，金屬材料的實(shí)驗(yàn)主要是彌補(bǔ)知識鏈路的不足，在掌握機(jī)械設(shè)計(jì)基本理論的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)材料性能的測試和小型零件的加工制造。包括數(shù)控多軸加工和三維快速成型等多種先進(jìn)制造技術(shù)。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)區(qū)：創(chuàng)新設(shè)計(jì)是整個(gè)鏈路的終點(diǎn)和核心，區(qū)域內(nèi)主要通過一些輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)設(shè)備來幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意、改進(jìn)創(chuàng)意。比如平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合和軸系結(jié)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)備輔助學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

五 結(jié)語

機(jī)械基礎(chǔ)課程在培養(yǎng)機(jī)械類學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力以及工程實(shí)踐能力方面具有重要作用[13]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在工科基礎(chǔ)類課程教學(xué)中必不可少的重要環(huán)節(jié)，也是課程建設(shè)以及學(xué)科專業(yè)建設(shè)的重要組成部分。開展好實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提，是建設(shè)好實(shí)驗(yàn)室。而實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)則需要以學(xué)生的綜合實(shí)踐素質(zhì)提升為根本任務(wù)，科學(xué)規(guī)劃，合理布局。機(jī)械基礎(chǔ)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決的是強(qiáng)化基本理論的理解，動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，而綜合能力和創(chuàng)新能力的提升則需要有一體化實(shí)驗(yàn)環(huán)境的支撐。