提高學生創新能力為目標的齒輪振動教學實驗設計

摘要：為了滿足新時代下我國對新工科人才的需求，各高校積極推進新工科教學體系改革。齒輪振動實驗屬于機械設計制造及其自動化專業的典型實驗課程，基于齒輪振動實驗設計方法，制定了符合新工科理念的實驗改革原則，確立了實驗內容，教學方法以及評價標準。并通過開展調研會的形式了解學生問題和意見，不斷優化教學方法。以提高學生自主創新能力為目標的實驗教學設計方法，在新工科背景下的教學模式對學生創新能力的培養起到了積極的促進作用。

關鍵詞：新工科；教學改革；齒輪振動實驗；教學方法；自主創新能力

中圖分類號：G420文獻標識碼：A

ExperimentalDesignofGearVibrationTeachingwiththe

GoalofImprovingStudents'InnovativeAbility

LuWenjia1*OuYangji1HuangKe2ZhanQianping1TanKaitian1WuZefeng1

1.CollegeofMechanicalandAutomotiveEngineering，ZhaoqingUniversityGuangdongZhaoqing526061 ；

2.ZhaoqingNo.1MiddleSchoolGuangdongZhaoqing526040

Abstract：Inordertomeetthedemandfornewengineeringtalentsinthenewera，collegesanduniversitiesactivelypromotethereformofnewengineeringteachingsystem.Gearvibrationexperimentisatypicalexperimentalcourseformechanicaldesign，manufacturingandautomation.Basedontheexperimentaldesignmethodofgearvibration，experimentalreformprincipleisformulatedconformingtothenewengineeringconcept，andtheexperimentalcontent，teachingmethodandevaluationstandardareestablished.Throughtheformofconductingresearchcounciltounderstandstudents’problemsandopinions，andconstantlyoptimizeteachingmethods.Theexperimentalteachingdesignmethodaimingatimprovingstudents’abilityofindependentinnovation，andtheteachingmodeunderthebackgroundofnewengineeringhaveplayedapositiveroleinpromotingthecultivationofinnovationability.

Keywords：Newengineering；Teachingreform；Gearvibrationexperiment；Teachingmethods；Independentinnovationability

隨著現代工業的未來帶來了更多的可能性，同時也帶來了一系列需要我們不斷發展，越來越多的機械產品走向智能化、專業化。由學科交叉產生的連鎖反應讓生產機械產品的技術飛速迭代，成為我們去挑戰和面對的新問題。僅僅學好一門專業知識已經無法滿足企業乃至國家的需求，于是國家推動新工科建設戰略舉措，引領我國高等教育改革［1］，為高校培養未來工程人才提供了新的發展方向，2017年6月，教育部辦公廳發布改革指南，強調圍繞工科學生工程實踐能力培養的目標、課程設置、實習實訓安排、體制機制等關鍵環節開展研究，深入分析我國工科學生工程實踐能力的現狀和問題，設計評價體系，指導改革實踐［2］。各高校積極推進新工科建設，對傳統教學模式進行改革并進行優化，努力培養出具有扎實理論基礎，創新思維和實踐能力的復合型人才［3］。

齒輪振動實驗作為機械設計制造及其自動化專業的基礎實驗課程，傳統的教學實驗方法主要依賴于教師傳授與演示，學生缺少自主參與和主動設計實驗的過程，在國家新工科教學改革的推動下建立以學生自主設計和自主創新為目標的實驗教學方法，符合國家對于新時代創新型人才的戰略需求［4］。齒輪傳動是連接原動機和動力輸出端不可或缺的一部分，通過它可以實現機器的增速，減速等多項運動功能。然而，由于齒輪在傳動過程中容易由于自身振動而引發故障，因此對齒輪振動進行研究并進行故障診斷具有重要意義［5］。作為機械設計課程必不可少的一部分，它主要考察了學生對齒輪的理論知識，齒輪耦合方法和齒輪相關分析的掌握和應用情況。根據以往的教學經驗和課程反饋，在齒輪振動研究教學中存在以下問題。

（1）教學過程沒有完全基于學生的認識規律，教師與學生的見識不同，給學生提出的問題，可能不是學生想了解的，學生對知識的應用不夠全面，沒辦法在研究實驗獲得興趣。

（2）參與研究實驗的時間少，齒輪振動的研究關系比較多且復雜，沒有當場親自實踐，只憑理論考試，對學生能力的考查方式過于單一，無法完全判斷學生是否掌握相應的知識并能夠靈活運用機器。

（3）實驗內容較枯燥，無法充分調動學生積極性，導致學生在實驗過程存在抄襲，從而無法判斷學生是否掌握相關知識。

隨著我國現代工業的發展，國家對于復合型人才的需求越來越大，學生如果只是掌握相應的知識，已經遠遠不能滿足社會的需求，重視新工科背景下當代大學生核心能力的培養［6］，建立以學生為中心的實踐教學案例設計［7］，符合新工科人才培養質量通用標準的要求［8］。這就需要指導學生在理論知識學習的基礎上，還應不斷開拓自己的思維去解決相應的問題。培養學生分析和解決問題的能力，并積極投入實踐中，只有這樣才能不斷提高學生的自主創新能力，成為符合時代發展的綜合型人才［9］。

1齒輪振動設計實驗改革原則

新工科理念就是以產業需求為導向，以培養跨學科、綜合全面、創新能力強、面向未來能夠適應并引領產業不斷發展的新人才為目標的培養觀念。基于該觀念從研究內容改革和教學改革兩方面入手，能夠很好地滿足新時代培養人才的需要，全方位提高學生的綜合素質。

1.1研究內容與工程實際和科技前沿相結合

通過引入相關的工程實例，讓學生不僅可以了解工程實驗中的相關知識和經驗，還可以知道自己所學知識在工程實例中如何運用，提高學生的認知和思考能力。讓學生通過互聯網充分吸收相關實驗的新方法、新理念等，并在學習和研究中運用，以此作為課程學習的補充和擴展。

1.2培養目標面向提高學生的綜合能力

實際工程的問題往往涉及的知識要比自身專業所學的知識要多得多，對學生的綜合能力要求較高，往往需要通過團隊協作和教師指導，才能夠很好地解決問題。在這個過程中通過讓教師扮演一個引導者和協助者的角色，引導學生提出問題，積極參與討論和合作，鼓勵學生發表自己的見解，關注學生在實驗過程中分析能力和實踐能力的培養。

2齒輪振動實驗設計教學實施

齒輪振動實驗教學設計是以新工科建設要求為目標和指引，在現有實驗設備的基礎上，合理設置實驗目標、實驗內容和評價準則，注重以學生為中心，通過“小組制”和“項目制”的教學方法培養學生工程實踐能力和自主創新能力的實驗教學模式。

2.1確立實驗目標和要求

為了能夠落實學生能力培養，在實驗過程中首先要明確實驗目標和要求。參考機械設計制造及其自動化專業培養方案，對照新工科人才培養目標對學生在齒輪振動實驗過程中設置以下要求：

（1）掌握齒輪傳動相關的工程基礎知識，再學習齒輪振動的基本理論，齒輪故障類型及其振動特征和振動信號的采集與處理方法，并能將其用于解決工程應用中有關齒輪傳動的相關問題。

（2）通過齒輪振動測試平臺及傳感器所需調試的振動測量設備，以及數據的記錄工具，學會如何設定實驗參數，采集和處理實驗數據并進行分析總結，再通過網絡資源學習三維軟件和仿真分析軟件的使用，簡化并構建出實驗設備模型進行動力學仿真，且能將其應用于實驗設計的合理性檢驗。

（3）能結合文獻、實驗、仿真、調研，對實際工程問題的影響因素和關鍵環節等進行分析鑒別。

（4）能自主利用網絡學習資源拓展專業知識，深化學科思維，豐富個人的專業知識體系。

2.2設定齒輪振動設計實驗內容

以現有實驗設備和教材資源為基礎，結合網絡資源，對照實驗目標和要求設立實驗內容。依據新工科建設目標設計出若干個項目教學方案，并成立多個小組進行項目實驗；按照行動回路設計教學思路，將整個實驗教學過程分解為多個模塊，各模塊之間有機結合又層層遞進，從而在實驗教學實施的過程中調動學生的學習熱情，傳授給學生基礎理論知識，同時培養學生的自學能力、創新能力。該實驗主要包括搭建試驗臺和測試數據，將數據導入軟件得到瀑布圖、時域圖和時頻圖等圖，由此直觀地反映出系統結構的運行狀態，再通過SolidWorks建立出三維模型導入仿真軟件進行仿真分析，以找到優化齒輪系統的方法。具體實驗內容如圖1所示。

多小組實驗能同時進行多個項目教學方案，每個小組內又分出“測試員”與“后處理員”兩個工種。教師在教“測試員”使用測試儀器和實驗設備的同時，“后處理員”通過網絡資源學習振動信號分析軟件并對實驗數據進行采集和處理，圖2為進行振動實驗的實驗操作臺。之后再進行工種互換彼此交流學習。通過這種方式，能有效培養小組的協作能力、實現學習資源共享、促進小組內“教學相長”，提高學習效率。

綜述撰寫要求學生查閱大量相關文獻及各類資源，了解行業及該領域的發展現狀及發展趨勢，并將收集到的資料進行系統地歸類和總結撰寫綜述報告。教師提前給出綜述撰寫的一般思路，并要求學生自主查閱文獻，利用網絡數據資源初步撰寫報告。再給出2～3篇范文，并幫助學生修改報告的格式錯誤及內容偏差、理解綜述撰寫的意義。通過這種方式，讓學生初步體會項目或研究開展的“第一步”，培養學生的系統思維、網絡資源檢索能力及綜述報告撰寫能力。

值得一提的是，對于齒輪振動設計實驗，在綜述撰寫前，教師先帶領學生使用測試儀器采集設備振動信號，由“后處理”小組對信號分析出圖，圖3為通過某LMS測試分析軟件得到軸承振動加速度時頻圖，圖4為齒輪振動分析得到的齒輪振動信號的時頻圖。教師再進行相關知識的講解，以便學生查閱文獻資料時對該領域知識的學習與綜述撰寫時對實驗內容及預期成果的定位。

建模要求學生對實驗設備各類零件通過看、測、繪的方式進行全面感知，結合實驗設備說明書上的相關數據，利用三維軟件對實驗設備建模，圖5為學生通過建模軟件建立的三維模型。學生在建模的過程中需要學習齒輪及其配件的相關知識，理解實際零件在整體設計中的安裝和作用，在此基礎上，鼓勵學生自主學習KISSsoft等專業的機械設計軟件。學生利用KISSsoft生成齒輪模型進一步校驗自己用三維軟件構建的齒輪零件，并在接下來的仿真分析模塊中，分別對兩種模型進行仿真分析處理，將仿真結果與KISSsoft的計算結果進行對比驗證。通過這樣的學習方式，引起學生對參數化建模和批量化處理等輔助設計處理方法的重視。并結合ADAMS等動力學仿真分析軟件對實驗測試過程和實驗響應結果進行理論分析，提高學生的理論建模能力與創新思維。

仿真分析是將構建出的設備模型導入仿真分析軟件，對齒輪系統進行動力學仿真。這要求學生通過網絡資源學習仿真軟件的使用，同時需要對所建模型的合理性進行驗證。在確定模型運動結構的基礎上，學生需要進一步學習了解齒輪及其配件的材料屬性，在教師的指導下設定參數、設計變量進行仿真分析并優化設計。

建模與仿真分析都要求學生自主學習新軟件，旨在培養學生學習新知識、新技術去解決問題的能力。在此過程中，學生學習實驗設備的運行結構及材料屬性，并進一步驗證其合理性，旨在擴展學生的專業知識并加深對所學知識的理解，培養學生的探究意識及實驗驗證能力，為其以后自主設計奠定基礎，以達成培養其自主創新能力的目標。

2.3落實以學生為中心的教學方法

基于以上實驗教學內容，落實以學生為中心的實驗教學方法，能夠更有效地實現培養學生工程實踐能力及創新能力的目標。在建構主義教學中，教師的角色是引導者和協助者，教師通過創建一個充滿挑戰和支持的學習環境，引導學生提出問題、積極參與討論和合作，鼓勵學生發表自己的見解，并在必要時提供指導和支持。這就要求教師在實驗教學過程中需要注意以下幾點：

（1）采用“先問題再學習”的方式。例如，建模環節直接給定目標，學生在觀察實驗設備結構、測量相應零件數據后進行建模軟件的學習時，能明確意識到所學內容的實際應用，且能及時應用于實驗。通過這種方式能有效調動學生的學習熱情、提高學習效率，且對學生以后解決現有問題具有重要意義。

（2）實驗過程中學生遇到的重點問題或具有典型教學意義的問題不直接給出答案，而是引導學生思考探究解決方法并進行驗證，幫助其塑造解決問題的思維模式。

（3）對于實際存在但并未解決的問題，教師給予學生方向指導的同時鼓勵學生積極探索并提出自己的觀點。

2.4設立評價標準

新經濟發展背景下，工程實驗教學的評價標準需對照新工科建設目標去設定。傳統教學的評價標準注重理論知識的考核，實驗教學的評價同時注重能力、過程及實驗項目的難度和意義的考核。

（1）對理論的考核以考試為主，實驗教學也為考查理論知識的應用提供了條件。

（2）對能力的考核在定量的同時也應進行定質評估。例如，對建模軟件的使用能力評價，一般通過考查建模的時間及其正確度和完整度，參照建模的難度進行評價。

（3）對過程的考核需對學生在實驗過程的貢獻進行定量評估，同時考查學生實驗過程中的學習積極性及個人品德等。

（4）對實驗項目的難度和意義的評價應基于實驗的內容和方向對社會發展的意義，同時對實驗教學的最終成果進行客觀評價。

3實驗反饋

為了進一步了解學生的學習情況，優化教學方案，在實驗結束后各組指導教師和各組學生代表開展實驗調研會，通過各個教師對其組學生在學習中遇到的問題和采用的解決方法進行討論，通過集思廣益，得出一套適合大部分學生的教學方法。在這次會議中，不少學生代表表示通過在做實驗和解決工程問題中學習要比在課本中學習要有興趣得多，對學科知識的理解和記憶也更加深刻，還提出了小組分工不夠明確等問題，根據以上學生反饋的信息，為完善教學體系提供了明確的方向，基于學生代表提出的問題，老師們認真記錄并深入探討解決方案。他們決定在后續教學中更加注重小組分工的明確性，同時進一步增加實驗和工程問題的比重，讓學生在實踐中更好地掌握知識。相信通過不斷優化，教學體系將更加完善，學生的學習效果也會顯著提升。

結語

在國家要求大力培養復合型人才的背景下，實驗教學模式應調整為拓寬學生專業知識，深化學生學科思維，提高學生的認知和實踐能力，通過把理論知識和實際問題相結合，讓學生對自己所學的知識真正做到“學以致用”，讓教學成果得以更加具體化、直觀化地展現出來。在改革后的齒輪振動設計實驗中，學生通過自主搭建試驗臺并進行數據測試、設計建模、仿真分析和討論總結，不僅讓學生了解了齒輪振動的相關理論知識和分析方法，還在無形中培養了學生的團隊協作能力和解決問題的能力。這些為后續學生參加相關專業競賽（如挑戰杯等）打下了堅實的基礎。這種實驗教學模式的重要性和意義重大，它不僅能滿足國家對復合型人才的培養需求，還為學生的未來發展開辟廣闊道路。通過實踐，學生將理論與實踐應用緊密結合，提升綜合能力。這不僅有助于他們在專業競賽中脫穎而出，更能為他們未來步入社會、投入工作做好充分準備。

參考文獻：

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基金項目：國家自然科學基金青年項目（52302521）；廣東省教育廳青年創新人才項目（2022KQNCX099）

*通訊作者：魯文佳（1989—），男，河北承德人，博士研究生，副教授，主要從事機械動力學、機械可靠性方面的科研與教學工作。