周曉玲, 汪中厚, 徐名聰

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機械系統(tǒng)集成實驗教學方法的構思與實踐

周曉玲, 汪中厚, 徐名聰

(上海理工大學機械工程學院, 上海200093)

論述了影響我國機械類專業(yè)基礎實驗教學質量的存在問題,構思了機械系統(tǒng)集成實驗方案試驗臺的設計目的和設計思想,分析了該試驗臺的組成原理,介紹了試驗臺的功能以及開設該實驗后的實際教學效果。

機械系統(tǒng); 集成; 實驗

機械專業(yè)基礎課程實驗是我國各高校機械類專業(yè)所有學生必修的具有實踐性的課程環(huán)節(jié),不僅從短期看,為后續(xù)專業(yè)課程以及畢業(yè)設計打下良好的基礎,而且從長遠的觀點來看,在培養(yǎng)學生良好的觀察與動手能力、一定的科研基礎,以及應有的創(chuàng)新能力方面起著舉足輕重的作用。

一、專業(yè)基礎實驗教學現(xiàn)狀

建國以來,由于我國的大學教育課程沿襲了前蘇聯(lián)的課程體系,對于當時的中國來說,應該說是取得了很大的成功。但是,隨著時代的發(fā)展,我國的基礎實驗教學與那些制造業(yè)強國,如美國、日本、德國等國的相應實驗教學相比,對專業(yè)基礎實驗課程的重視就顯得明顯不夠。盡管經過近年來遍布全國的本科評估,各校的專業(yè)基礎實驗教學水平有了顯著的提高,但仍存在不足之處,具體主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.重理論輕實驗

重理論輕實驗,不利于學生動手能力的培養(yǎng)。自上世紀50年代以來,我國各工科高校機械工程專業(yè)普遍都是重視專業(yè)理論教學,在師資力量的配備方面,也是將優(yōu)秀教師幾乎都集中到理論課教學領域。實驗課的師資力量相對較弱,且有相當數(shù)量的實驗教師上課時講解和演示過細,對學生們的理解能力差異與可能性重視不足,僅著眼于準時、快速地完成實驗,而沒有著眼于在有限的實驗課時內,如何使學生盡可能掌握實驗原理和儀器的使用方法,進而培養(yǎng)好學生良好的實驗動手能力。

2.方法與手段陳舊

實驗教學方法與手段陳舊,不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在傳統(tǒng)的實驗教學中,學生每人都有一本類似于標準實驗過程的詳細實驗報告書。一般來說,學生只要按照實驗指導書上提供的實驗要求、方法、步驟,就可以基本完成實驗。學生自己不需要多動腦筋,最后導致不求甚解,實驗效果不盡如人意。在很多情況下,只有一部分同學能夠操作一下實驗儀器。這些都會導致學生的實驗能力、分析問題的能力以及解決問題的能力不能得到充分培養(yǎng),更談不上探索精神和創(chuàng)造力的培養(yǎng)。

3.實驗內容單一

實驗內容單一,缺乏連貫性和系統(tǒng)性,不利于學生系統(tǒng)性學習。專業(yè)基礎實驗課大多是單純?yōu)橐婚T課程開設的實驗,而且基本上都是理論驗證性實驗,這對于某一個理論與概念的理解進行加強鞏固是非常有幫助的。但由于這些實驗課都附屬于相應理論課部分,很多實驗課程相互獨立,綜合性不強,學生可操作性項目也不多。這不僅不利于學生實驗能力的培養(yǎng),也不利于學生系統(tǒng)地學習實驗理論,更無法達到理論與實驗相互融會貫通的目的。

二、機械系統(tǒng)集成實驗的設計目的及設計思想

針對傳統(tǒng)的機械專業(yè)基礎實驗教學現(xiàn)狀的不足,基于兩個思路來考慮實驗裝置：a.機械系統(tǒng)集成實驗力求為大學生的機械設計問題提供了一個實踐的平臺,即集設計、拼裝、控制、動力學及運動學、檢測于一體。學生可通過設計和組裝實踐加深對機械系統(tǒng)設計的綜合認識,在更高層次上啟迪創(chuàng)新思維。b. 努力使機械系統(tǒng)集成實驗臺成為開放性平臺,它為學生們提供了開放式的機械平臺、基本零部件庫以及開放式的軟件平臺等。學生可根據(jù)平臺自行設計確定實驗方式。因此,按照以下幾個目的構思并設計了本試驗臺裝置及其實驗方法。

1.培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

學生自主構思實驗裝置與測量方法,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的實驗多數(shù)是老師動手,學生看,或者是按照標準實驗來操作,或者是僅僅記錄一下儀表數(shù)據(jù)而已,無法達到融會貫通的目的。本實驗臺裝置只是提供一個拓撲固定構架,以及相應的元件庫(見下頁表1),由學生自己構思實驗裝置方案與測量方法,從而達到良好的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.培養(yǎng)學生的動手能力

學生能夠直接裝拆組合實驗設備,培養(yǎng)學生的動手能力。學生根據(jù)需要和功能設計機械傳動系 統(tǒng),確定機械傳動系統(tǒng)實驗裝置方案,在實驗裝置方案確定好以后,根據(jù)方案選擇傳動零部件,并進行安裝、連接、調試,直至運轉(可參考產品的裝配圖)。這些過程,對于一直沒有機會動手安裝與調試儀器設備的學生來說,是一個很好的機會,可以極大地鍛煉學生的動手能力。

3.具體實驗內容與方案

比如在實際實驗方案處理中,主要有3個方面具體內容來讓學生考慮：a. 利用給定的實驗平臺及零部件庫,組合出滿足一定要求的機械系統(tǒng); b. 通過實驗測試,分析機械系統(tǒng)的性能,評價傳動方案的優(yōu)劣; c. 通過實驗了解機械系統(tǒng)輸入端轉矩、轉速與輸出端轉矩、轉速的變化關系。

三、實驗構成

機械傳動系統(tǒng)是機械的重要組成部分,其作用不僅是為了實現(xiàn)減速(或增速)、變速、轉換運動形式以及使各執(zhí)行構件協(xié)調配合工作等運動要求,同時還將原動機輸出的功率和轉矩傳遞到執(zhí)行構件上去,以克服生產阻力。實現(xiàn)預期運動和傳遞動力是機械傳動系統(tǒng)的兩個基本任務,也是機械傳動系統(tǒng)設計時所需解決的兩個主要問題。為了使學生深刻理解與掌握這些基本原理,采用了以下傳動方案。

1.采用相同的減速器組建傳動方案

該類方案是在選定一種減速器(擺線針輪減速器或圓柱齒輪減速器)的條件下,通過設計,選擇合適的電機、帶傳動或鏈傳動與減速器共同構成滿足要求的傳動方案。在構成傳動方案時傳動路線各不相同,即帶、鏈以及減速器在方案中的位置可任意設置。

表1 元件庫

Tab.1 The units and parts

2.采用不同的減速器組建傳動方案

該類方案是在選用兩種不同的減速器時(即比較采用擺線針輪減速器或圓柱齒輪減速器時的方案),通過設計,選擇合適的電機,采用相同的傳動路線、相同的傳動元件(帶傳動或鏈傳動)與不同的減速器共同構成滿足要求的傳動方案。

可見,在采用相同的減速器、不同的傳動元件與傳動路線時,有很多種機械系統(tǒng)傳動方案構成方式;在采用不同的減速器、相同的傳動元件與傳動路線時,也會有很多種機械系統(tǒng)傳動方案構成方式。在實驗時,要求學生根據(jù)給定的條件,設計出所有可能的機械系統(tǒng)傳動方案(即進行傳動方案的綜合設計),從元件庫中選用適當元件,在實驗臺平板上用所選的元件來依次搭建所有傳動方案所對應的機械系統(tǒng),并進行裝配、調試,然后對這些搭建好的機械系統(tǒng)分別進行傳動效率測試。通過對效率、成本、噪聲及振動等因素的比較,比出傳動方案的優(yōu)劣,從而找出最優(yōu)的機械系統(tǒng)傳動方案。

四、實施方法

首先,由教師介紹實驗的基本原理及實驗內容,將機械設計里關于減速器、帶、鏈以及聯(lián)接件等內容同實驗室的元件實物聯(lián)系起來進行講解,讓學生通過對實物的認知來加深對書本上知識的認識,由想象到形象,對機械設計內容有了更加直觀的了解。

其次,提出實驗要求,讓學生按一定的實驗規(guī)范,設計并搭建一個符合特定要求的機械系統(tǒng)。學生以3~4人為一組,自由組合進行實驗。與以往老師做實驗給學生看的實驗教學方式相比,學生積極性明顯提高。大家形成一種競爭氣氛,參與性很高,都希望自己所在小組可以做得更快更好。

實驗完成后,學生需提交以下實驗成果。

1. 在所提供實驗平臺上搭建一套符合要求的機械系統(tǒng)。

2. 設計報告,包括：

1) 最終方案的CAD圖;

2) 方案設計階段各種方案的手繪設計草圖;

3) 佐證設計方案的各種分析。

3. 口頭答辯。

最后進行分組答辯,每個小組成員都要參加。學生實驗情況見表2。

圖1是一例學生自己搭建的實驗裝置。根據(jù)學生的反饋信息,他們的積極性提高了很多,少了過去濫竽充數(shù)的狀況。存在的不足一點是,極少數(shù)同學不愿意動手,只是在旁邊觀看,缺少積極性和參與意識。

圖1 學生自主搭建的實驗裝置

表2 學生實驗情況

Tab.2 Experimental conditions of students

五、結論

通過開設機械系統(tǒng)綜合實驗,使學生進一步加深了解了機械設計中有關通用化、系列化的知識,了解了現(xiàn)代測試儀器及測試手段,拓寬了學生的視野和知識面,對培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力以及動手能力起到了很好的推動作用,為后續(xù)課程的學習和從事生產技術工作打好基礎。同時,培養(yǎng)了學生的團隊合作精神,鍛煉了科研隊伍,為今后的實驗上水平、上臺階積累了有益的經驗。

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The Practice the Idea of Teaching Methods for Mechanical System Integration Test

Zhou Xiaoling, Wang Zhonghou, Xu Mingcong

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Foundation courses experiment is a compulsory course for every mechanical major. In the short term, it can lay a good foundation for the students’ subsequent specialized courses and graduation design, and in the long term, it plays a pivotal role in cultivating the students' observation and manipulative ability, scientific research ability and innovation ability. This paper mainly discusses some problems that influence foundation experiment teaching in our country, summarizes the design aim and design thought of the test stand of Mechanical system integration experiment scheme, introduces the theory of constitution and function of the test stand in detail, above all it shows some good teaching results after opening experimental courses.

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TH112

A

1009-895X(2011)01-0072-04

2010-11-10

上海市第三期本科教育高地建設資助項目

周曉玲(1966-),女,工程師。研究方向：機械工程實驗。E-mail: wangzhonghou@yahoo.com