王雪

東北大學(xué)機械學(xué)院 沈陽 110819

0 引言

創(chuàng)新是國家科技進(jìn)步的動力，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是高等院校肩負(fù)的重大責(zé)任[1-2]。機械原理課程是機械類學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，在承擔(dān)教授學(xué)生理論基礎(chǔ)任務(wù)的同時，也應(yīng)承擔(dān)起培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的任務(wù)。因此，機械原理實驗作為銜接理論知識與實際應(yīng)用的重要橋梁，不但應(yīng)有驗證性的基礎(chǔ)實驗，也應(yīng)有培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的設(shè)計性實驗[3]。平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計組合實驗作為一個創(chuàng)新性和綜合性很強的實驗應(yīng)用到機械專業(yè)本科生實驗教學(xué)中，可以提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計和實踐動手能力[4-5]。該實驗需要學(xué)生自主設(shè)計機構(gòu)的運動方案，并最終將設(shè)計的運動方案拼接成實際的機構(gòu)，對學(xué)生的要求較其他實驗要高。在實驗過程中，面對學(xué)生可能出現(xiàn)的各種問題，實驗教師不應(yīng)該直接給出解決方法，而是要及時地改變教學(xué)方法和教學(xué)思維，以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題并最終找到解決方法。本文對平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計組合實驗教學(xué)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，總結(jié)了實驗出現(xiàn)的各種問題，同時提出了相應(yīng)的實驗教學(xué)改革方法。

1 實驗基本情況

1.1 實驗現(xiàn)狀

平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計組合實驗是一個創(chuàng)新設(shè)計類實驗，對學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐動手能力有很強的鍛煉性。實驗時可由學(xué)生自主設(shè)計機構(gòu)系統(tǒng)方案，構(gòu)思機構(gòu)運動簡圖，并根據(jù)機構(gòu)運動簡圖選擇零部件，完成最后機構(gòu)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(dāng)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(xiàn)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(xiàn)在機架的X、Y 平面內(nèi)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(zhuǎn)電機，還配有直線電機。直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運動機械能的電機。直線電機機構(gòu)簡單、定位精度高、反應(yīng)迅速，常被應(yīng)用在短時間、短距離內(nèi)需要提供較大直線運動能的機械裝置當(dāng)中。因此，學(xué)生設(shè)計搭接的機構(gòu)主動件既可以做旋轉(zhuǎn)運動，也可以做直線運動。

1.2 實驗出現(xiàn)的問題

平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計組合實驗是機械專業(yè)學(xué)生的必修實驗課程，它不但完善了機械原理和機械設(shè)計課程的教學(xué)環(huán)節(jié)，而且鍛煉了學(xué)生理論聯(lián)系實際的實踐能力，更培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。但該實驗作為創(chuàng)新性、動手性較強的實驗，學(xué)生遇到的問題也較基礎(chǔ)性實驗多，教師對實驗成績的評定方式也存在問題，現(xiàn)將產(chǎn)生的問題進(jìn)行歸納。

1.2.1 創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)

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

1.2.2 組合拼接環(huán)節(jié)

組合拼接環(huán)節(jié)需要學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計的機構(gòu)方案，搭接實際的機構(gòu)，并保證機構(gòu)實現(xiàn)運動，該環(huán)節(jié)能極大限度地鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力以及動手能力。

該環(huán)節(jié)的問題一為學(xué)生搭接出來的機構(gòu)無法正常運動。雖然在創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生已經(jīng)正確地設(shè)計出機構(gòu)運動方案，并計算了自由度，保證了機構(gòu)運動的確定性，但是在組合拼接環(huán)節(jié)，由于桿件長度以及構(gòu)件干涉等問題，導(dǎo)致學(xué)生實際搭接出來的機構(gòu)無法運動。問題二為學(xué)生無法快速準(zhǔn)確地選擇正確的零件。為保證學(xué)生設(shè)計的各種機構(gòu)運動方案能順利地搭接出來，平面機構(gòu)創(chuàng)意拼接實驗臺配備了種類豐富、數(shù)量充足的零件，零件的種類近70 種，數(shù)量近500 個。實驗前，雖然學(xué)生已經(jīng)完成各種典型零部件的理論學(xué)習(xí)，但是沒有見過實物，因此在4 學(xué)時的實驗中，學(xué)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(huán)節(jié)

實驗成績是對學(xué)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(jié)果準(zhǔn)確，就應(yīng)設(shè)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(xué)生理論學(xué)習(xí)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(jìn)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(xué)生配有一個實驗臺，而是2 ～3 名學(xué)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(diào)動所有學(xué)生的積極性和興趣，導(dǎo)致部分學(xué)生在實驗過程中不能積極參與思考和動手實驗操作，產(chǎn)生“坐車”現(xiàn)象；其次，實驗報告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，以實驗報告為主的成績評定方式根本無法對學(xué)生的實驗情況進(jìn)行有效評價；最后，這種評定方式?jīng)]有包含實驗的全部環(huán)節(jié)，比如有的組創(chuàng)新設(shè)計很好，但動手能力較差，但由于沒有設(shè)置創(chuàng)新設(shè)計方面的評定，該組學(xué)生成績就會較低，導(dǎo)致實驗成績評定不公平。

2 實驗教學(xué)的改革

與傳統(tǒng)基礎(chǔ)性實驗相比，平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計組合實驗的創(chuàng)新性和開放性很強，且是以學(xué)生為主體的，因此，學(xué)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(xué)方法和思維，啟發(fā)引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生，并對該實驗的成績評定方式進(jìn)行修改，保證向?qū)W生提供公平積極的反饋，從而調(diào)動學(xué)生實驗的積極性?，F(xiàn)總結(jié)該實驗的教學(xué)指導(dǎo)經(jīng)驗，提出以下幾點具體的教學(xué)改革方法。

2.1 尊重學(xué)生“無用”的機構(gòu)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維

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

2.2 啟發(fā)學(xué)生利用已有的機構(gòu)進(jìn)行再創(chuàng)造設(shè)計，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

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

圖2 再創(chuàng)造設(shè)計示例

2.3 引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)機構(gòu)至其運動確定，鍛煉學(xué)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(xué)生設(shè)計的機構(gòu)只能有一個主動件，根據(jù)機構(gòu)運動確定條件已知：機構(gòu)的自由度數(shù)也只能是1，才能保證機構(gòu)運動確定。但往往學(xué)生在設(shè)計階段或是在搭接階段，都會出現(xiàn)機構(gòu)自由度數(shù)不等于1 的情況。這時，實驗教師如果全盤否定學(xué)生的設(shè)計或是已經(jīng)搭接出的部分機構(gòu)，而要求學(xué)生重新設(shè)計、重新搭接，就會很大程度地打擊學(xué)生實驗的興趣和信心，讓學(xué)生失去實驗的成就感。學(xué)生設(shè)計或是拼接出來的機構(gòu)出現(xiàn)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(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生先發(fā)現(xiàn)問題，即判斷自己的機構(gòu)自由度等于幾，進(jìn)而再引導(dǎo)學(xué)生在已設(shè)計或是搭接的機構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，使其運動確定。

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

圖3 改進(jìn)機構(gòu)至其運動確定示例

當(dāng)自由度F=0 時，已知平面運動機構(gòu)中，一個構(gòu)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(dǎo)學(xué)生在原有設(shè)計上增加1 個構(gòu)件和1 個低副。

當(dāng)自由度F=2 時，在不改變構(gòu)件數(shù)的情況下，可以引導(dǎo)學(xué)生增加1 個高副來使機構(gòu)的運動確定。

2.4 指導(dǎo)學(xué)生運用合理的拼接方法，鍛煉學(xué)生的實踐能力

在實驗的拼接環(huán)節(jié)，學(xué)生需要將所設(shè)計的理論圖搭接成實際的機構(gòu)，這是一個學(xué)生將理論知識向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化的過程，也是一個鍛煉學(xué)生動手實踐能力的環(huán)節(jié)，而實踐能力的培養(yǎng)是大學(xué)生培養(yǎng)的重點，也是難點。很多學(xué)生理論知識掌握得很好，能在機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)順利地設(shè)計出正確且合理的機構(gòu)運動簡圖，但在實際拼接環(huán)節(jié)，往往無法將設(shè)計圖順利轉(zhuǎn)化為實際的機構(gòu)，最終拼不出相應(yīng)的機構(gòu)或是拼接出來的機構(gòu)無法運動。實驗教師應(yīng)重視學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)，引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生克服在實踐過程中遇到的問題。學(xué)生在拼接環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題的主要原因為構(gòu)件相互干涉或是構(gòu)件長度選擇不正確。

干涉問題的產(chǎn)生主要是因為學(xué)生沒有將構(gòu)件拼接在相互平行的平面或是各構(gòu)件所在的平面間的間距太小。實驗教師要引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)機構(gòu)的搭接，保證所有構(gòu)件的運動平面都與機架的鉛垂面平行，且要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出合理的運動軸套，保證構(gòu)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(gòu)產(chǎn)生死點或是運動達(dá)不到設(shè)計的要求。由于實驗時間有限，學(xué)生在設(shè)計環(huán)節(jié)可能并沒有計算構(gòu)件的長度，也沒有分析構(gòu)件的運動參數(shù)。所以，實驗教師應(yīng)允許學(xué)生通過多次調(diào)節(jié)各個構(gòu)件的長度，讓學(xué)生觀察不同構(gòu)件長度對機構(gòu)運動的影響，并最終選擇合適的構(gòu)件長度，保證機構(gòu)的運動達(dá)到設(shè)計的要求。

2.5 督促學(xué)生正確地歸位各零部件，養(yǎng)成良好的實驗素養(yǎng)

平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計組合實驗臺所含有的零部件種類多、數(shù)量大，為解決學(xué)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(yīng)將各零部件準(zhǔn)確命名，并按順序分類分組擺放在零件柜中。學(xué)生在拼接完成，將零件從臺架上拆下來后，實驗教師應(yīng)督促學(xué)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(zhǔn)確地找到所需的零部件，而且也能幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的實驗素養(yǎng)。

2.6 改革實驗成績的評定方式，調(diào)動學(xué)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(xiàn)對實驗成績的評定方式進(jìn)行改革，保證評定涉及實驗的各個環(huán)節(jié)細(xì)致合理。重新設(shè)置該實驗的成績評定環(huán)節(jié)為創(chuàng)新設(shè)計、組合拼接、問答以及實驗報告四個環(huán)節(jié)，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(shè)置為創(chuàng)新設(shè)計30%、組合拼接40%、問答10%、實驗報告20%。在創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)，根據(jù)學(xué)生設(shè)計的機構(gòu)運動方案圖的創(chuàng)新性、完整性、難易性進(jìn)行給分；在組合拼接環(huán)節(jié)，根據(jù)每名學(xué)生的動手性、參與的積極性以及拼接的完成度進(jìn)行打分；在問答環(huán)節(jié)，由教師針對該組的設(shè)計與操作進(jìn)行提問，再根據(jù)學(xué)生的回答情況進(jìn)行打分；最后，通過實驗報告的整潔度與完成度進(jìn)行打分。這樣，不僅使實驗成績的評定方式更公平合理，也調(diào)動了學(xué)生實驗的積極性。

3 結(jié)論

高校培養(yǎng)人才應(yīng)以社會需求為導(dǎo)向，在機械原理課程體系中，開設(shè)平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計組合實驗，正是順應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展對具有創(chuàng)新思維的綜合性人才的需求。在實驗教學(xué)中，教師應(yīng)時刻注意教學(xué)思維與方法，并設(shè)置合理的成績評定方式，從而調(diào)動學(xué)生實驗的積極性，引導(dǎo)學(xué)生合作完成機構(gòu)的設(shè)計與拼接，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題以及解決問題的實踐能力，同時使學(xué)生養(yǎng)成良好的實驗素養(yǎng)，并培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)造的興趣與意識。