機械基礎一體化實驗環境研究與建設

江勛林，熊春友，廖飛，劉琦峰

(陸軍步兵學院，江西 南昌)

一 引言

傳統的機械基礎實驗偏重驗證性實驗，各實驗彼此關聯性較少，實驗教學相對單一，無法激發學生的學習動機[1]。因此，在機械基礎室建設過程中應當充分考慮到該因素，將實際工業背景結合到實驗教學中去，強化綜合類實驗，增強實驗教學應用價值。在實驗課程的教學過程中，也不能只是針對學生的基礎實驗能力進行訓練，而應該更多地考慮綜合設計能力和創新實踐能力[2]。這些能力的生成需要有科學的實驗課程和實訓內容支撐，當然也需要有機械實驗室良好的實驗環境支撐。

機械基礎實驗內容一般在理論內容教學結束后及時通過相應的實驗內容加以驗證，加深印象，深化理解。機械基礎課程通常還安排課程的實訓內容來提升創新實踐能力，例如設計一個實用機械產品[3]?；蛲ㄟ^設計項目的方式，將特定機器拆解成不同的子項目，通過項目將理論知識和創新實踐結合起來[4]。在這個過程中，需要完成原理方案設計、可行性分析、結構設計和零件設計等工作。這個過程也是學生綜合和創新能力的生成過程。

機械基礎課程的特點要求強化學生的創新實踐能力培養，從而提高學生分析問題、解決問題的能力[5]。實驗教學，特別是開放實驗可以高效地發揮實驗室設備的價值，同時更好培養學生的創新實踐能力，讓學生融入到實驗管理中去[6]。在實驗教學和實訓教學的過程中，學生可以體會“學中做，做中學” 的樂趣，通過實驗成果的成就感提升學習興趣[7]。

省時、高效的課程體系改革是當前教育改革的方向[8]，課內的理論學時在逐步減少，知識體系卻在不斷拓展，課后的工程實踐在逐步增多，原來的灌輸式教學模式將被自主學習型教學模式取代[9]。課程教學不能只是關注課內的有限學時，而應該關注學生課后的實踐學習，注重學生的工程意識、工程實踐動手能力及創新精神的培養[10]。

二 實驗內容框架

實驗教學，可使學生更好地掌握機械系統的工作原理、承載特性、影響因素分析方法，了解典型機械零部件的實驗方法以及力學、機械量的測定原理與方法，進一步了解機械性能指標的重要性，促進學生在機械設計過程中能力的生成，有利于培養學生的動手能力、數據采集能力、分析與解決問題能力以及創新意識和創新能力。

一般來說，從實驗類型角度，可以將實驗內容區分為認知實驗、驗證實驗、研究實驗以及創新實驗等類型[11]。從實驗方式角度，可以將實驗內容區分為必修、選修和開放等方式。根據實驗類型和實驗方式的二維結構模型如圖1所示。機械基礎實驗中，認知實驗主要是對課程內容中涉及到機構、零部件、模型、工具、儀器設備等的感性認知。在理論開課之前完成認知實驗，可以補足部分學生的想象力短板，有利于理論教學。而理論課后的再認知，有利于理論知識的消化吸收。因此，認知實驗應設置為必修實驗，且部分項目可作為開放實驗。驗證實驗主要是對理論學習中一些關鍵環節進行實際驗證，一方面加強對理論知識的理解，一方面加強鍛煉學生的動手實踐能力。在理論教學過程中，可根據學生的認知程度和實際的教學效果，設置驗證實驗內容。驗證實驗大部分項目應為必修，部分項目可為選修。研究與創新實驗主要是針對一些學有余力的學生設計的，教學中因材施教，使學生得到更多的鍛煉和個性化發展。研究與創新實驗應設置為開放實驗，由學生提出實驗需求，在第二課堂時間組織學生展開實驗活動。

圖1 實驗內容體系框架

依據機械基礎課程的實踐要求，并結合實驗室的教學條件建設情況，根據以上實驗內容體系框架，構設了13項基本實驗項目，具體見表1所示。

表1 基本實驗項目

以上實驗項目包括了機械基礎實驗教學的大部分內容。但是，要使學生的綜合能力以及創新能力得到提升，還需要綜合實踐類內容做支撐。綜合實踐類內容不僅僅是對理論原理的驗證，更讓學生帶著發現的眼光去完成實驗，也能讓學生從實驗的自主行為中取得更多的獲得感，激勵學習動機。而要高效地完成綜合類實驗，就需要有一體化實驗環境做支撐。

三 一體化實驗環境

現代實驗室的發展趨勢體現出形態的開放性、內容的綜合性，基礎實驗的一體化集成可以得到更好的管理實效[12]。實驗室不僅是對課程理論進行驗證的場所，而且是學生動手實踐能力生成的基地?，F代實驗環境應該是開放性的，更多地支持學生對機械科學的探索活動。因此，實驗室需要在功能上高度集成，將包含有機械原理、機械設計、機械材料、機械制造等相關的實驗與實訓設備集成為一體，支撐學生從理論學習到機械設計實踐，再從機械設計實踐到機械制造實踐的全過程。學生可以從理論學習中體驗機械設計原理，在機械產品設計過程強化理論基礎，實現知識與技能的同步提升。

圖2 一體化實驗環境

隨著教學改革的逐步推進，機械基礎的學時有逐步遞減的趨勢。在少學時的情況下，學生綜合實驗技能的提升，需要有一體化實驗環境做支撐。通過若干個環節，將機械基礎涉及到的實驗和實訓項目串聯起來，構成一個閉環系統。在這個系統中，學生可以參與某個環節的實驗項目，鍛煉基本能力，也可以通過團隊合作的方式有效地完成簡單的機械產品設計。

設計環節：設計是整個課程教學的核心，是能力素質的綜合體現，是將實驗與實際應用結合起來。

原理驗證環節：既包括對基本理論原理的驗證，也包括設計產品原理方案的可進行驗證。在該環節中可利用創新實驗的相關設備。

制造與裝配環節：讓學生參與加工制造工藝要求不高的小型機械零件，體驗制造與裝配過程。

檢驗與測試環節：對加工出來的機械樣品的力學性能等進行檢驗，測試其功能是否滿足要求，讓學生體驗機械設備的檢驗環節，理解測試原理。

改進與再創新環節：根據檢驗與測試過程中發現的問題，對改進設計方案，集中集體智慧，對方案進行再創新。

此外，依托實驗室條件建設，還設計部分課外活動項目，為學生參加第二課堂和機械創新設計俱樂部等活動提供場所和設備支撐，為學生參加相關的創新設計大賽提供學習和訓練的平臺。

四 實驗布局鏈路

由于機械基礎實驗設備種類較多，設備大小規格難于統一。當實驗教學任務不是很飽滿的情況下，需要充分考慮各實驗設備的功能和大小，合理布局，以便科學組織實驗教學活動。

實驗室布局總的要求是：功能區分，空間共享。在功能上，將實驗室區分為機構零件認知實驗區、機械基礎驗證實驗區、金屬材料力學性能及金屬工藝實驗區、機械創新設計實驗區等四個區域。各區域之間通過學生的學習過程形成一個閉環鏈路，各區彼此獨立又相互支撐。

圖3 實驗室布局功能鏈路

基礎認知實驗區：通過陳列柜語音播報、模型展示等方式，完成機械原理和機械設計的基本認知，通過模型將生活實例與理論設計結合起來，實現感性認知向理性認知的升華。

驗證實驗區：主要用于機械基礎課程實驗教學，對相應機構原理和零件設計進行理論認證。通過實驗，讓學生從基本認知進入到深度認知。

金屬材料實驗區：在學時少的背景下，金屬材料的實驗主要是彌補知識鏈路的不足，在掌握機械設計基本理論的基礎上，能夠實現材料性能的測試和小型零件的加工制造。包括數控多軸加工和三維快速成型等多種先進制造技術。

創新設計實驗區：創新設計是整個鏈路的終點和核心，區域內主要通過一些輔助創新設計設備來幫助學生實現創意、改進創意。比如平面機構創意組合和軸系結構創意設備輔助學生進行創意設計。

五 結語

機械基礎課程在培養機械類學生的創新設計能力以及工程實踐能力方面具有重要作用[13]。實驗教學，在工科基礎類課程教學中必不可少的重要環節，也是課程建設以及學科專業建設的重要組成部分。開展好實驗教學的前提，是建設好實驗室。而實驗室的建設則需要以學生的綜合實踐素質提升為根本任務，科學規劃，合理布局。機械基礎課內實驗教學解決的是強化基本理論的理解，動手實踐能力的培養，而綜合能力和創新能力的提升則需要有一體化實驗環境的支撐。