基于創新人才培養的平面機構創新設計組合實驗教學研究

王雪

東北大學機械學院 沈陽 110819

0 引言

創新是國家科技進步的動力，創新型人才的培養是高等院校肩負的重大責任[1-2]。機械原理課程是機械類學生的專業基礎課，在承擔教授學生理論基礎任務的同時，也應承擔起培養學生創新創造能力的任務。因此，機械原理實驗作為銜接理論知識與實際應用的重要橋梁，不但應有驗證性的基礎實驗，也應有培養學生創造性思維的設計性實驗[3]。平面機構創新設計組合實驗作為一個創新性和綜合性很強的實驗應用到機械專業本科生實驗教學中，可以提高學生的創新設計和實踐動手能力[4-5]。該實驗需要學生自主設計機構的運動方案，并最終將設計的運動方案拼接成實際的機構，對學生的要求較其他實驗要高。在實驗過程中，面對學生可能出現的各種問題，實驗教師不應該直接給出解決方法，而是要及時地改變教學方法和教學思維，以學生為主體，引導學生自己發現問題并最終找到解決方法。本文對平面機構創新設計組合實驗教學進行了進一步的研究，總結了實驗出現的各種問題，同時提出了相應的實驗教學改革方法。

1 實驗基本情況

1.1 實驗現狀

平面機構創新設計組合實驗是一個創新設計類實驗，對學生的創新能力和實踐動手能力有很強的鍛煉性。實驗時可由學生自主設計機構系統方案，構思機構運動簡圖，并根據機構運動簡圖選擇零部件，完成最后機構的拼接[6]。

該實驗的實驗臺如圖1 所示，實驗臺機架中有5 根鉛垂立柱，每根立柱都可沿x 軸方向移動。移動前需旋開立柱上的緊固螺釘，當立柱移動到需要的位置后，再旋緊緊固螺釘來固定立柱的位置。并且每根立柱上都有滑塊，滑塊可在立柱上沿y 軸方向移動，通過旋緊與旋松緊固螺釘即可實現固定與移動滑塊的位置。立柱X 軸方向的移動和滑塊的y軸方向的移動，就可實現在機架的X、Y 平面內的任一位置固定鉸鏈。

圖1 實驗臺示意圖

實驗臺不但配有旋轉電機，還配有直線電機。直線電機是一種將電能直接轉化為直線運動機械能的電機。直線電機機構簡單、定位精度高、反應迅速，常被應用在短時間、短距離內需要提供較大直線運動能的機械裝置當中。因此，學生設計搭接的機構主動件既可以做旋轉運動，也可以做直線運動。

1.2 實驗出現的問題

平面機構創新設計組合實驗是機械專業學生的必修實驗課程，它不但完善了機械原理和機械設計課程的教學環節，而且鍛煉了學生理論聯系實際的實踐能力，更培養了學生的創新意識。但該實驗作為創新性、動手性較強的實驗，學生遇到的問題也較基礎性實驗多，教師對實驗成績的評定方式也存在問題，現將產生的問題進行歸納。

1.2.1 創新設計環節

機構運動方案的創新設計是本實驗的第一個環節，學生在該環節存在的問題主要有兩個。問題一是學生對運動方案的設計沒有思路或是覺得比較困難。在學習機械原理與機械設計課程后，雖然學生已掌握平面機構的組成原理，但讓學生設計新的平面機構，還是有部分學生覺得困難，沒有思路。問題二是學生設計出的機構運動不確定。機構具有確定運動的條件是主動件的數目等于機構的自由度數。當主動件的數目大于機構的自由度數時，機構不能運動或會被破壞；當主動件的數目小于機構的自由度數時，機構運動將是不確定的。學生在設計機構的運動方案時，往往設計的只有一個主動件，但機構的自由度卻不為1，最終導致機構不能運動或相對運動不確定。

1.2.2 組合拼接環節

組合拼接環節需要學生根據自己設計的機構方案，搭接實際的機構，并保證機構實現運動，該環節能極大限度地鍛煉學生理論聯系實際的能力以及動手能力。

該環節的問題一為學生搭接出來的機構無法正常運動。雖然在創新設計環節，學生已經正確地設計出機構運動方案，并計算了自由度，保證了機構運動的確定性，但是在組合拼接環節，由于桿件長度以及構件干涉等問題，導致學生實際搭接出來的機構無法運動。問題二為學生無法快速準確地選擇正確的零件。為保證學生設計的各種機構運動方案能順利地搭接出來，平面機構創意拼接實驗臺配備了種類豐富、數量充足的零件，零件的種類近70 種，數量近500 個。實驗前，雖然學生已經完成各種典型零部件的理論學習，但是沒有見過實物，因此在4 學時的實驗中，學生花費了大量時間去選擇所需的零件，且往往最后還沒有選擇到正確的零件。

1.2.3 實驗成績評定環節

實驗成績是對學生理論知識的掌握與實踐操作能力的一個初步評判，要使實驗評定結果準確，就應設定一套合理的評定方式。考評方式不合理，不但會使實驗成績不公平，而且也會打擊學生理論學習與實驗的積極性。該實驗以往的成績評定方式較簡單，主要以實驗操作與實驗報告兩個方面進行評定，其中實驗操作所占成績比例較小，而實驗報告所占成績比例較大。這種成績評定的方式問題很多。首先，該實驗并不是一名學生配有一個實驗臺，而是2 ～3 名學生為一組合作完成的，由于實驗成績的給定主要以實驗報告為主，這就無法調動所有學生的積極性和興趣，導致部分學生在實驗過程中不能積極參與思考和動手實驗操作，產生“坐車”現象；其次，實驗報告抄襲現象嚴重，以實驗報告為主的成績評定方式根本無法對學生的實驗情況進行有效評價；最后，這種評定方式沒有包含實驗的全部環節，比如有的組創新設計很好，但動手能力較差，但由于沒有設置創新設計方面的評定，該組學生成績就會較低，導致實驗成績評定不公平。

2 實驗教學的改革

與傳統基礎性實驗相比，平面機構創新設計組合實驗的創新性和開放性很強，且是以學生為主體的，因此，學生實驗的難度也增大。作為實驗教師要及時地改革實驗教學方法和思維，啟發引導和鼓勵學生，并對該實驗的成績評定方式進行修改，保證向學生提供公平積極的反饋，從而調動學生實驗的積極性。現總結該實驗的教學指導經驗，提出以下幾點具體的教學改革方法。

2.1 尊重學生“無用”的機構設計，培養學生的創新思維

創造性思維的培養是創新創造的前提，對當代大學生而言，創造性思維的培養既滿足了學生自身進步發展的需求，也符合社會時代發展的需求。因此，實驗教師在指導學生的過程中，不僅要鼓勵學生鍛煉創造性思維，而且不能固守陳舊觀念打擊限制學生的創造性想法。在平面機構創新設計階段，有些學生會按照自己天馬行空的想法去設計，最后搭接出來的機構可能完全沒有實用價值。面對此類情況，實驗教師在指導的過程中，不要以“從實際生產生活需求出發來設計機構”等要求，來限制學生的想象力和創造力，更不能批評學生天馬行空的想法，反而更應充分尊重學生“無用”的機構設計，發揮學生的主體地位和作用，保護學生的奇思妙想，引導和鼓勵學生大膽地創新設計，從而培養學生的發散思維和創新能力。

2.2 啟發學生利用已有的機構進行再創造設計，提高學生的學習興趣

在創新設計環節，仍存在部分學生經過長時間的思考后確實沒有思路，不知道如何入手去設計的情況，這往往會在實驗開始階段就打消了學生實驗的興趣。此時，實驗教師應該改變教學方法，啟發鼓勵學生從熟悉的機構進行再創造設計。如圖2a所示，教師可以為學生在機構測繪實驗中分析繪制的牛頭刨床的運動簡圖，因為這是學生比較熟悉、理解比較透徹的機構。實驗教師可以引導學生通過改變構件間的連接次序、主動件等方式，創造設計出新的機構進行拼接，如圖2b 為再創造設計出的機構運動方案。

圖2 再創造設計示例

2.3 引導學生改進機構至其運動確定，鍛煉學生分析問題與解決問題的能力

實驗用的每個臺架都只配有一臺電機，因此學生設計的機構只能有一個主動件，根據機構運動確定條件已知：機構的自由度數也只能是1，才能保證機構運動確定。但往往學生在設計階段或是在搭接階段，都會出現機構自由度數不等于1 的情況。這時，實驗教師如果全盤否定學生的設計或是已經搭接出的部分機構，而要求學生重新設計、重新搭接，就會很大程度地打擊學生實驗的興趣和信心，讓學生失去實驗的成就感。學生設計或是拼接出來的機構出現運動不確定的，大致有自由度F=-1、F=0、F=2 三種情況。實驗教師要以學生為主體，引導學生先發現問題，即判斷自己的機構自由度等于幾，進而再引導學生在已設計或是搭接的機構上進行改進，使其運動確定。

圖3 為一些機構改進的具體方法。當自由度F=-1 時，如圖3a，F=3n-2pL-pH=3×3-2×5-0=-1，因為在平面運動機構中一個低副限制兩個自由度，所以實驗教師可以引導學生在不改變機構總體設計的前提下去掉其中的一個低副，如圖3）為改進后的機構，F=3n-2pL-pH=3×3-2×4-0=1。

圖3 改進機構至其運動確定示例

當自由度F=0 時，已知平面運動機構中，一個構件有3 個自由度，而一個低副又能限制2 個自由度，這時就可以引導學生在原有設計上增加1 個構件和1 個低副。

當自由度F=2 時，在不改變構件數的情況下，可以引導學生增加1 個高副來使機構的運動確定。

2.4 指導學生運用合理的拼接方法，鍛煉學生的實踐能力

在實驗的拼接環節，學生需要將所設計的理論圖搭接成實際的機構，這是一個學生將理論知識向實踐轉化的過程，也是一個鍛煉學生動手實踐能力的環節，而實踐能力的培養是大學生培養的重點，也是難點。很多學生理論知識掌握得很好，能在機構創新設計環節順利地設計出正確且合理的機構運動簡圖，但在實際拼接環節，往往無法將設計圖順利轉化為實際的機構，最終拼不出相應的機構或是拼接出來的機構無法運動。實驗教師應重視學生實踐動手能力的培養，引導和鼓勵學生克服在實踐過程中遇到的問題。學生在拼接環節出現問題的主要原因為構件相互干涉或是構件長度選擇不正確。

干涉問題的產生主要是因為學生沒有將構件拼接在相互平行的平面或是各構件所在的平面間的間距太小。實驗教師要引導學生改進機構的搭接，保證所有構件的運動平面都與機架的鉛垂面平行，且要引導學生設計出合理的運動軸套，保證構件運動平面間的間距能滿足運動所需。

桿件長度選擇錯誤，會使機構產生死點或是運動達不到設計的要求。由于實驗時間有限，學生在設計環節可能并沒有計算構件的長度，也沒有分析構件的運動參數。所以，實驗教師應允許學生通過多次調節各個構件的長度，讓學生觀察不同構件長度對機構運動的影響，并最終選擇合適的構件長度，保證機構的運動達到設計的要求。

2.5 督促學生正確地歸位各零部件，養成良好的實驗素養

平面機構創新設計組合實驗臺所含有的零部件種類多、數量大，為解決學生在找所需零件的過程中浪費大量時間的問題，實驗教師應將各零部件準確命名，并按順序分類分組擺放在零件柜中。學生在拼接完成，將零件從臺架上拆下來后，實驗教師應督促學生將用過的零件擺放回原來的位置，這樣不但可以保證下組穴位上能快速準確地找到所需的零部件，而且也能幫助學生養成良好的實驗素養。

2.6 改革實驗成績的評定方式，調動學生實驗的積極性

針對該實驗原來成績評定方式單一的問題，現對實驗成績的評定方式進行改革，保證評定涉及實驗的各個環節細致合理。重新設置該實驗的成績評定環節為創新設計、組合拼接、問答以及實驗報告四個環節，并且增加實驗過程的分值占比，減弱實驗報告的分值占比。分值占比設置為創新設計30%、組合拼接40%、問答10%、實驗報告20%。在創新設計環節，根據學生設計的機構運動方案圖的創新性、完整性、難易性進行給分；在組合拼接環節，根據每名學生的動手性、參與的積極性以及拼接的完成度進行打分；在問答環節，由教師針對該組的設計與操作進行提問，再根據學生的回答情況進行打分；最后，通過實驗報告的整潔度與完成度進行打分。這樣，不僅使實驗成績的評定方式更公平合理，也調動了學生實驗的積極性。

3 結論

高校培養人才應以社會需求為導向，在機械原理課程體系中，開設平面機構創新設計組合實驗，正是順應現代社會發展對具有創新思維的綜合性人才的需求。在實驗教學中，教師應時刻注意教學思維與方法，并設置合理的成績評定方式，從而調動學生實驗的積極性，引導學生合作完成機構的設計與拼接，鍛煉學生發現問題以及解決問題的實踐能力，同時使學生養成良好的實驗素養，并培養學生進行創新創造的興趣與意識。