機械設計課程實驗教學改革探索
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摘要：機械設計課程教學中，其配套的課程實驗教學是學生在課堂中進行理論結合實際的一個主要途徑，是保證教學效果的一個重要環節，但是目前存在實驗學時有限、實驗內容與手段落后、學生參與實驗積極性不高和與實際工程應用結合不緊密等問題。本文結合工程教育理念，通過增加開放式及綜合性實驗、提高課堂實驗效率、更新優化實驗內容及方法等手段，開展實驗教學改革探索，更好發揮該實驗課程的積極作用。
關鍵詞：機械設計;實驗教學;教學改革;工程教育
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）18-0138-02
在《中國制造2025》的大背景下，我國對于具有工程教育背景的專業型人才需求越來越大，這也對高等學校對于機械類專業學生的培養提出了新的目標和要求。2016年6月，我國成為“華盛頓協議”正式會員，國內高等學校的工程教育進入了一個新的時期。面對新的機遇與挑戰，高校只有不斷深化工程教育改革、培養新型的工科綜合性專業人才，才能持續滿足國家未來的建設需要。
《機械設計》是機械類專業課程中一門重要的專業基礎課，在專業知識體系中具有承上啟下的重要作用。為了應對新形勢的需求，一些教學工作者結合CDIO和OBE理念，對《機械設計》課程教學進行了有效改革。
目前，《機械設計》課程學習中的實踐環節往往由課程配套的課內實驗來完成，有助于學生在學習中理論聯系實際、初步建立工程應用的意識，是保證教學效果的一個重要環節。但是，由于種種原因，《機械設計》課內實驗教學面向新形勢需求的改革步伐相對滯后，開展以工程應用為導向的實驗教學改革顯得極為重要。本文通過分析當前存在的問題，對開展《機械設計》課內實驗教學改革進行了積極地探索。
一、當前《機械設計》課內實驗教學存在的問題
作為《機械設計》課程教學的輔助教學手段，課內實驗當前存在一些問題，很難實現與工程教育的目標接軌，不利于學生綜合能力的培養。存在的問題主要體現在以下方面：
1.實驗教學學時有限，難以有效發揮實驗教學的特點。以《機械設計》課程為例，目前普遍為6學時課內實驗，而這6個實驗學時又分散到幾個實驗項目中，這樣導致實驗進度被分割、教學效果難以保證，不能有效發揮實驗教學理論聯系實際的特點。
2.實驗內容和形式有待進一步更新。當前《機械設計》課內實驗受到教學設備的限制，實驗的內容和形式往往傳統老舊、靈活性差，不具有綜合性、創新性實驗的特點，不利于學生綜合能力的提高。
3.學生在基礎教學實驗中積極性不高。學生在參與實驗過程中，很難提升學習興趣，主動思考的空間被束縛，僅僅是在被動參與實驗，無法在實驗過程中獲得更多有關實際工程應用的有關信息。
4.實驗教學與工程應用結合不緊密。課內實驗往往是針對相應的理論課內容來對一個已知結論進行驗證，而在提升學生解決實際工程問題能力方面尚顯不足，這也影響了課內實驗效果的進一步提升。
二、《機械設計》課內實驗教學改革的實施途徑
《機械設計》課內實驗教學的作用不可忽視，與課堂教學應該是相輔相成的關系。鑒于以上在課內實驗教學中存在的問題，從課內實驗自身出發，利用現有教學資源，在合理利用教學時間、優化實驗內容形式、提升實驗教師工程應用能力等方面著手，持續改進和提高實驗教學效果，發揮課內實驗教學在工程教育中的應有作用。可通過以下途徑對該實驗教學開展改革：
1.利用現有規定的實驗學時，通過多種教學手段，提高實驗課堂時間的利用率。當前形勢下，通過增加實驗學時或者對《機械設計》實驗進行獨立設課尚存在較大難度，唯有充分利用好有限的課內實驗學時。目前，實驗課基本流程是先由實驗教師對實驗原理、設備使用、實驗步驟等進行一定時間的講解和演示后，再組織學生開展實驗。這樣存在的問題是，實驗中很多內容必須要向學生進行展示，但又會占用大量且寶貴的實驗課堂時間，無形中壓縮了學生參與實驗和思考問題、解決問題的時間，而且現場講解過程中很多細節內容很難向全體學生清晰展示。為了解決這個問題，就要采用多種教學手段，提高實驗講解的效率，把更多的課堂時間留給學生。例如，在螺栓組聯接實驗中，通過網絡改造，實驗教師可以將實驗軟件的操作方法直接投放到學生電腦屏幕，讓學生更快地掌握實驗軟件使用方法;在軸系結構設計實驗中，將各種裝配件的圖片和使用方法集中在幻燈片中展示，既避免了由實驗教師逐一展示、占用較多課堂時間，又能夠讓學生在短時間對各種配件有直觀的認識，可以更加準確的知道如何選用配件來用在自己設計的軸系當中。
2.優化實驗內容，將驗證性實驗轉化為開放性綜合性實驗。在前一階段的教學研究中，筆者曾針對《機械原理》課內實驗“齒輪范成原理”進行了教學改革嘗試[7]，通過計算機仿真手段，將齒輪范成原理實驗由傳統驗證性實驗轉化為開放式綜合性實驗，取得了良好的教學效果。在該項實驗的教學改革基礎上，對《機械設計》課內實驗中的“帶傳動效率測定”和“軸系結構設計”實驗項目進行了進一步優化，“帶傳動效率測定”實驗中，學生可以自行選定皮帶形式及初拉力大小，進行多組實驗對比后再得出實驗結論，有效提高了學生的實驗學習興趣，也能夠在實驗中了解到實際應用的多種情況，實驗效果明顯好于教學改革前僅限于一種皮帶效率的測定;在“軸系結構設計”中，在原先設定的綜合性實驗基礎上，設計題目不僅僅局限于給定的若干條目，學生還可以通過查閱資料、根據實際工程應用情況，自己選定工況條件進行設計和組裝，這樣就大大增加了實驗的開放性和工程應用性，學生在實驗課程中的相互交流更可以提高學生綜合能力。
3.將實驗指導書變為應用手冊，提高實用性，激發學生主動學習的興趣。以往編制的實驗指導書往往只注重單一實驗項目的實驗原理、儀器使用、實驗步驟等。為了增強實驗課面向實際工程應用的效果，進行改革后的實驗指導書中加入大量有關實驗的工程應用背景、實際應用中的常用手段、具體設備及配件的應用范圍、引用的現行國家標準、主要參考資料等內容，對理論課教材的相關部分做了有益補充。這樣改編后的實驗指導書可以作為學生開展實驗的應用手冊，具有較高的實用性，在學生參與實驗過程中，有助于激發學生主動進行學習，獲得更多有關實際工程應用的信息，進而舉一反三、擴展視野。 4.實驗報告中增加分析環節，設置開放性問答。在改編實驗指導書的基礎上，對作為實驗數據記錄和分析的實驗報告同樣進行了修改。學生除了要記錄和分析實驗數據，還要對實驗中出現的問題、誤差等現象進行分析和解釋，提出改進方法。此外，除了讓學生在實驗報告中完成“規定動作”的問答外，各實驗項目設置了具有面向實際工程應用的開放性問題，旨在引導學生進行更深更廣層面的思考。
5.實驗測試手段與實際應用接軌。目前《機械設計》課內實驗多使用的是教學實驗儀器，雖然簡單易用，但不利于學生掌握實際工程應用中的測試手段。以此為出發點，對螺栓組聯接實驗臺進行了改造，接入工程實際使用到的應變采集儀。這樣學生在實驗中，能夠對實際的采集原理和采集設備的使用有更加直觀的認識，通過實驗做到了與實際工程應用的接軌。
三、結束語
將傳統的《機械設計》課內實驗進行教學改革，通過提高課堂教學效率、優化實驗教學內容、擴充實驗指導書和實驗報告的深度與廣度等手段，使實驗課內容與實際工程應用結合更加緊密，增強學生自主思考、分析、解決問題的能力，可以更好地配合理論課教學培養學生具備初步解決實際工程問題的能力，為將學生培養成為符合國家建設需求的新型綜合性人才打下良好的基礎。
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[6]李飛，梁順攀，景常海，等.齒輪范成原理的計算機仿真[J].教育教學論壇，2016，（31）：258-259.
Abstract：The experimental teaching of mechanical design is a main way for students to combine theory with practice，and it is an important method to ensure the teaching effect.However，there are some problems such as limited experimental time，backward experimental content and means，low enthusiasm of students to participate in experiments，and weak integration with practical engineering applications.Based on the concept of engineering education，this paper explores the reform of experimental teaching by means of increasing open and comprehensive experiments，improving the efficiency of experimental teaching，optimizing experimental content and methods，so as to give full play to the positive role of this experimental course.
Key words：Mechanical Design;experiment teaching;teaching reform;engineering education
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