杨金花，徐学忠

(常熟理工学院　机械工程学院，江苏　常熟　215500)



机械原理实验教学的改革实践与效果

杨金花，徐学忠

(常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟215500)

摘要机械原理实验教学是学生将理论知识转化成实践经验的重要途径。该文分析了当前普通高校机械原理实验教学的现状及存在问题，提出了新的改革思路并进行了实践。实践表明，重视实验教学，完善、更新实验设备，充实基础实验，开设设计性、综合性实验，建立实验考核制度等是提高机械原理实验教学质量的有效手段。

关键词机械原理实验；教学改革；实践与效果

随着工业技术的快速发展和企业对工程技术应用型人才的需求变化，以及当前高等教育课程体系改革，给实验教学带来了新的挑战。机械原理实验是重要的实践性教学环节，与理论教学有着密切的联系，是开拓学生思维，培养学生独立分析问题、解决问题及观察操作能力的主要环节，对培养学生的创新思维和综合素质起着关键作用[1]。

1机械原理实验教学的现状

机械原理课程根据教学大纲的要求，常熟理工学院2010级机械工程及自动化专业的机械原理课程开设了4个实验，每个实验项目2 学时。

1)机构运动简图测绘实验。

该实验属于验证性实验。要了解机器或模型的用途、工作原理、运动传递过程、机构组成情况和机构的结构分类，绘制10个机构的运动简图，验算机构自由度，进一步了解机构具有确定运动的条件和有关机构结构分析的知识。

2)齿轮范成原理及参数测定实验。

该实验属于验证性实验。要掌握用范成法切制渐开线齿轮的基本原理；了解工厂中实际加工渐开线齿轮(滚齿加工与插齿加工)的生产过程；熟悉渐开线齿轮各参数的计算公式以及不同参数对齿形的影响；了解渐开线齿轮产生根切现象的原因和避免根切的方法；分析比较标准齿轮与变位齿轮的异同点；掌握应用游标卡尺测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法，巩固并熟悉齿轮的各部分尺寸、参数之间的关系和渐开线的性质。

3)刚性回转体的动平衡实验。

该实验属于验证性实验。要加深对回转件平衡原理的理解，观察由于回转件的质量分布不均匀所引起的机械振动现象，提高对回转件进行质量平衡的必要性的认识，初步了解动平衡试验的基本原理和步骤。

4)机构组合创新设计实验。

该实验属于设计性、综合性实验。通过对实际机构的应用设计和搭接，加深对不同机构运动特性的理解；通过对典型机构的组装，掌握活动连接、固定连接的结构和特点，培养实际动手能力和现场应变能力；通过实验的多方案设计培养创新设计能力[2]。

2机械原理实验教学存在问题

1)实验设备陈旧、老化，准确性、稳定性差，不能满足实验要求；部分设备台套数少。

2)实验教学方法枯燥。学生按照实验指导书做好预习报告，实验过程中只要按照指导书的实验步骤即可完成实验。这限制了学生的思维和行为方式，不利于培养学生的实验能力、创新能力和解决问题的能力。

3)实验内容简单，实验中学生只需点击鼠标，取得数据，实验过程缺乏吸引力。

4)实验不进行考核，实验成绩不客观。实验成绩主要是由实验预习报告、实验中表现和实验报告构成。由于实验步骤、内容相同，实验报告有既定的格式，所以实验成绩的评价很难做到客观公正地反映学生真正的实验水平和能力。

5)部分学生对实验的重要性认识不够，不愿意动手。

3机械原理实验教学的改革实践

1)构建新的机械基础实验课程体系，重视实验课教学。

建立培养学生综合设计能力的系列实验新体系，以机械基础实验课程教学大纲为指导，把相关专业基础课(工程材料、机械原理、材料力学、互换性及技术测量、机械设计等)中的实验教学内容统一设置，同时增加综合、设计、研究的实验内容。机械基础实验作为独立设置的一门课程(48学时，3学分)，采用实验模块结构进行教学，将每门课中的基础实验、综合性、设计性实验组成该课程的实验模块，如表1所示，与该课程的理论教学配套进行，突出基本技能的训练。

2)完善更新实验设备，加大实验室开放力度。

常熟理工学院高度重视工科实验室建设，机械工程学院在2012年、2013年都获批了“机械基础实验平台扩建”项目，项目经费达180余万元。在项目建设中，新建了机械原理实验室和数字化设计实验室，淘汰、扩建、改造了一批陈旧实验设备，已经通过学校验收。实验教师和理论课教师共同指导实验教学，教师把自己的科研项目带到实验室，引导学生共同完成。

表1　机械基础实验教学模块

3)充实基本实验，提高分析难度。

齿轮范成及参数的测定是基本实验项目，学生做实验时所用齿轮范成仪为m=15 mm，Z=10，要求分别画出标准齿轮和变位齿轮3～4个，能够理解标准齿轮和变位齿轮齿形的区别，也看清楚了齿条刀具加工渐开线齿廓的包络形成过程。但是，部分学生虽然对于被切齿轮的模数m=15 mm没有疑问，但为什么被切齿轮的齿数Z=10不清楚，因此，在实验报告中要求学生回答以下5个思考题。1)标准齿条型刀具的齿廓与普通齿条相比，有什么不同？2)范成法切出的齿廓曲线全部是渐开线吗？在图上画出渐开线部分及根切部分。3)为什么齿轮范成仪能加工出m=15 mm，Z=10的齿轮？4)更换不同的齿条刀具能否加工出m=2 mm，m=3 mm，m=4 mm的齿轮？5)能否用分度圆压力角α=0°的齿条刀具加工出分度圆压力角α=20°的齿轮？

这5个思考问题的难度是逐渐加大的，学生在做实验时就不能仅仅停留在画出标准齿轮和变位齿轮，而要深入思考范成原理和正确啮合条件。其中，第一个问题，引导学生思考刀具齿轮的顶部高出了c*×m，用于切制出被加工齿轮的顶隙。这一部分齿廓是半径为ρ的圆角刀刃，切制出被加工齿轮的靠近齿根圆的过渡曲线。第三个问题，引导学生把切制齿轮运动与范成仪背面的齿轮齿条传动关系相联系。第四个问题，在更换m=2 mm，m=3 mm的齿条刀具能加工出齿数为整数的齿轮，更换为m=4 mm的齿条刀具则能加工出齿数为Z=37.5的齿轮，因此要求学生更深入地思考，分析加工结果。

4开设设计性、综合性实验，提高学生分析问题和解决问题的能力

机械原理课程的核心内容是各类常用机构的设计和应用，新开实验“机构仿真设计综合实验”是应用计算机软件Solidworks Motion建立机构模型，通过添加相应的初始条件、约束条件得到所求构件之间的相对位置、运动关系，得到机构相应点的运动特性曲线，同时省去了繁琐的计算。通过计算机动态仿真，可使学生对机构原理及运动过程有比较直观和深刻的认识[3]。可通过预先的模拟、演示、验证来预测机构的性能和参数，优化机构的性能。如图1所示，给出机构运动简图，进行运动分析，考察机构在运动中位移、速度和加速度的变化规律，如图2～图4所示，从而确定其运动特性。主要步骤有：1)建立草图；2)制作块；3)设置约束；4)运动分析。

Solidworks是实行数字化设计的造型软件，在国际上得到广泛应用。通过将Solidworks引入实验，使学生掌握了将来在企业从事工程技术工作所要使用的常用软件，为后续机械设计等专业课程的学习和生产实践打下良好的基础[3]。

图1　机构运动简图

图2　显示线性位移

图3　显示线性速度

图4　显示线性加速度

5建立实验考核制度

从2011级进行机械原理实验模块教学开始，建立实验考核制度。考核包括笔试和综合实验两部分。

笔试是教师准备好试题库，考核实验原理、实验参数测定、实验注意事项等。由学生当场抽取，在规定的时间内完成并交卷。

综合实验考核是完成“机构运动方案创新设计实验”。目的在于培养学生综合利用已学习的机械原理的理论知识，注重实验技能的训练考核，需要学生在实验室现场进行实验操作完成。机构创新设计的目的是设计出能够满足预期运动规律的新机构。教师只给出预期运动规律，实验方案由学生自行设计，可以是实物机构搭接完成，也可以在Solidworks Motion中虚拟完成。

6改革取得的效果

机械原理实验学时增加为10学时，新增3个设计性、综合性实验。新建机械原理实验室和数字化设计实验室实行全天开放，是机械工程学院学生参加3D 设计大赛、省级大学生实践创新训练计划项目的实践基地。

实验教师发现学生对实验课的兴趣增强了，实验中提问题的学生多了，积极动手的学生多了，课后进实验室和教师讨论实验方案的学生多了，实验完成质量和实验报告质量大为提高[4]。

7结束语

通过更新实验设备，改革实验内容，实行开放式实验教学，合理规划实验项目，有效地提高了学生的实验分析能力。通过开设综合性、设计性实验，充分调动学生的学习自觉性，在实验的过程中，掌握科学研究的方法，提高创新思维的能力[5]。随着机械原理实验教学改革的进一步深入，通过不断地实践、改进、再实践，机械原理实验教学的改革在提高学生学习兴趣，培养动手能力，建立工程意识等方面起到了积极的作用[6]。

参 考 文 献

[1]何玉林．“机械原理”课程实验教学的现状分析与改革[J].高教论坛，2014(10)：25-27．

[2]郑甲红，王宁侠，周志明．在机械原理教学中培养学生创新意识的探索[J].高教论坛，2006(1)：43-45．

[3]卢梅，李威，邱丽芳．虚拟仿真实验技术在机械原理实验教学中的应用研究[J].仪器仪表用户，2006(4)：25-26．

[4]周志全，吕建国．强化机械原理实验培养理论联系实际的人才[J].中国冶金教育，1995(1)：55-57．

[5]胡建平，蒯苏苏．机械原理实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，1998，17(6)：31-34．

[6]邓红梅，周天．开设综合性、设计性实验教学探讨[J].实验科学与技术，2012，10(4)：148-151．

收稿日期:2015-02-15；修改日期: 2015-04-09

作者简介：杨金花(1968-)，女，硕士，高级实验师，主要从事机械设计，CAD/CAM方面的实验教学。

中图分类号G642.423

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.048

Reform and Practice of Experimental Teaching Effect of Mechanical Principle

YANG Jinhua，XU Xuezhong

(Shool of Mechanical Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China)

AbstractThe experimental principle of mechanical teaching is that students will be theoretical knowledge into an important way of perceptual knowledge.This paper analyzes the present situation ofordinary university mechanical principle experiment teaching and the existing problems，puts forward a new reform.Practice shows that，the unified understanding the importance of experiment teaching，improve experiment equipment update，enrich the basic experiment，comprehensive experiment design，experiment，the establishment of evaluation system is an effective method to improve the teaching quality of mechanical principle.

Key wordsexperimental principle of mechanical；teaching reform；practice and effect