王雪

东北大学机械学院 沈阳 110819

0 引言

创新是国家科技进步的动力，创新型人才的培养是高等院校肩负的重大责任[1-2]。机械原理课程是机械类学生的专业基础课，在承担教授学生理论基础任务的同时，也应承担起培养学生创新创造能力的任务。因此，机械原理实验作为衔接理论知识与实际应用的重要桥梁，不但应有验证性的基础实验，也应有培养学生创造性思维的设计性实验[3]。平面机构创新设计组合实验作为一个创新性和综合性很强的实验应用到机械专业本科生实验教学中，可以提高学生的创新设计和实践动手能力[4-5]。该实验需要学生自主设计机构的运动方案，并最终将设计的运动方案拼接成实际的机构，对学生的要求较其他实验要高。在实验过程中，面对学生可能出现的各种问题，实验教师不应该直接给出解决方法，而是要及时地改变教学方法和教学思维，以学生为主体，引导学生自己发现问题并最终找到解决方法。本文对平面机构创新设计组合实验教学进行了进一步的研究，总结了实验出现的各种问题，同时提出了相应的实验教学改革方法。

1 实验基本情况

1.1 实验现状

平面机构创新设计组合实验是一个创新设计类实验，对学生的创新能力和实践动手能力有很强的锻炼性。实验时可由学生自主设计机构系统方案，构思机构运动简图，并根据机构运动简图选择零部件，完成最后机构的拼接[6]。

该实验的实验台如图1 所示，实验台机架中有5 根铅垂立柱，每根立柱都可沿x 轴方向移动。移动前需旋开立柱上的紧固螺钉，当立柱移动到需要的位置后，再旋紧紧固螺钉来固定立柱的位置。并且每根立柱上都有滑块，滑块可在立柱上沿y 轴方向移动，通过旋紧与旋松紧固螺钉即可实现固定与移动滑块的位置。立柱X 轴方向的移动和滑块的y轴方向的移动，就可实现在机架的X、Y 平面内的任一位置固定铰链。

图1 实验台示意图

实验台不但配有旋转电机，还配有直线电机。直线电机是一种将电能直接转化为直线运动机械能的电机。直线电机机构简单、定位精度高、反应迅速，常被应用在短时间、短距离内需要提供较大直线运动能的机械装置当中。因此，学生设计搭接的机构主动件既可以做旋转运动，也可以做直线运动。

1.2 实验出现的问题

平面机构创新设计组合实验是机械专业学生的必修实验课程，它不但完善了机械原理和机械设计课程的教学环节，而且锻炼了学生理论联系实际的实践能力，更培养了学生的创新意识。但该实验作为创新性、动手性较强的实验，学生遇到的问题也较基础性实验多，教师对实验成绩的评定方式也存在问题，现将产生的问题进行归纳。

1.2.1 创新设计环节

机构运动方案的创新设计是本实验的第一个环节，学生在该环节存在的问题主要有两个。问题一是学生对运动方案的设计没有思路或是觉得比较困难。在学习机械原理与机械设计课程后，虽然学生已掌握平面机构的组成原理，但让学生设计新的平面机构，还是有部分学生觉得困难，没有思路。问题二是学生设计出的机构运动不确定。机构具有确定运动的条件是主动件的数目等于机构的自由度数。当主动件的数目大于机构的自由度数时，机构不能运动或会被破坏；当主动件的数目小于机构的自由度数时，机构运动将是不确定的。学生在设计机构的运动方案时，往往设计的只有一个主动件，但机构的自由度却不为1，最终导致机构不能运动或相对运动不确定。

1.2.2 组合拼接环节

组合拼接环节需要学生根据自己设计的机构方案，搭接实际的机构，并保证机构实现运动，该环节能极大限度地锻炼学生理论联系实际的能力以及动手能力。

该环节的问题一为学生搭接出来的机构无法正常运动。虽然在创新设计环节，学生已经正确地设计出机构运动方案，并计算了自由度，保证了机构运动的确定性，但是在组合拼接环节，由于杆件长度以及构件干涉等问题，导致学生实际搭接出来的机构无法运动。问题二为学生无法快速准确地选择正确的零件。为保证学生设计的各种机构运动方案能顺利地搭接出来，平面机构创意拼接实验台配备了种类丰富、数量充足的零件，零件的种类近70 种，数量近500 个。实验前，虽然学生已经完成各种典型零部件的理论学习，但是没有见过实物，因此在4 学时的实验中，学生花费了大量时间去选择所需的零件，且往往最后还没有选择到正确的零件。

1.2.3 实验成绩评定环节

实验成绩是对学生理论知识的掌握与实践操作能力的一个初步评判，要使实验评定结果准确，就应设定一套合理的评定方式。考评方式不合理，不但会使实验成绩不公平，而且也会打击学生理论学习与实验的积极性。该实验以往的成绩评定方式较简单，主要以实验操作与实验报告两个方面进行评定，其中实验操作所占成绩比例较小，而实验报告所占成绩比例较大。这种成绩评定的方式问题很多。首先，该实验并不是一名学生配有一个实验台，而是2 ～3 名学生为一组合作完成的，由于实验成绩的给定主要以实验报告为主，这就无法调动所有学生的积极性和兴趣，导致部分学生在实验过程中不能积极参与思考和动手实验操作，产生“坐车”现象；其次，实验报告抄袭现象严重，以实验报告为主的成绩评定方式根本无法对学生的实验情况进行有效评价；最后，这种评定方式没有包含实验的全部环节，比如有的组创新设计很好，但动手能力较差，但由于没有设置创新设计方面的评定，该组学生成绩就会较低，导致实验成绩评定不公平。

2 实验教学的改革

与传统基础性实验相比，平面机构创新设计组合实验的创新性和开放性很强，且是以学生为主体的，因此，学生实验的难度也增大。作为实验教师要及时地改革实验教学方法和思维，启发引导和鼓励学生，并对该实验的成绩评定方式进行修改，保证向学生提供公平积极的反馈，从而调动学生实验的积极性。现总结该实验的教学指导经验，提出以下几点具体的教学改革方法。

2.1 尊重学生“无用”的机构设计，培养学生的创新思维

创造性思维的培养是创新创造的前提，对当代大学生而言，创造性思维的培养既满足了学生自身进步发展的需求，也符合社会时代发展的需求。因此，实验教师在指导学生的过程中，不仅要鼓励学生锻炼创造性思维，而且不能固守陈旧观念打击限制学生的创造性想法。在平面机构创新设计阶段，有些学生会按照自己天马行空的想法去设计，最后搭接出来的机构可能完全没有实用价值。面对此类情况，实验教师在指导的过程中，不要以“从实际生产生活需求出发来设计机构”等要求，来限制学生的想象力和创造力，更不能批评学生天马行空的想法，反而更应充分尊重学生“无用”的机构设计，发挥学生的主体地位和作用，保护学生的奇思妙想，引导和鼓励学生大胆地创新设计，从而培养学生的发散思维和创新能力。

2.2 启发学生利用已有的机构进行再创造设计，提高学生的学习兴趣

在创新设计环节，仍存在部分学生经过长时间的思考后确实没有思路，不知道如何入手去设计的情况，这往往会在实验开始阶段就打消了学生实验的兴趣。此时，实验教师应该改变教学方法，启发鼓励学生从熟悉的机构进行再创造设计。如图2a所示，教师可以为学生在机构测绘实验中分析绘制的牛头刨床的运动简图，因为这是学生比较熟悉、理解比较透彻的机构。实验教师可以引导学生通过改变构件间的连接次序、主动件等方式，创造设计出新的机构进行拼接，如图2b 为再创造设计出的机构运动方案。

图2 再创造设计示例

2.3 引导学生改进机构至其运动确定，锻炼学生分析问题与解决问题的能力

实验用的每个台架都只配有一台电机，因此学生设计的机构只能有一个主动件，根据机构运动确定条件已知：机构的自由度数也只能是1，才能保证机构运动确定。但往往学生在设计阶段或是在搭接阶段，都会出现机构自由度数不等于1 的情况。这时，实验教师如果全盘否定学生的设计或是已经搭接出的部分机构，而要求学生重新设计、重新搭接，就会很大程度地打击学生实验的兴趣和信心，让学生失去实验的成就感。学生设计或是拼接出来的机构出现运动不确定的，大致有自由度F=-1、F=0、F=2 三种情况。实验教师要以学生为主体，引导学生先发现问题，即判断自己的机构自由度等于几，进而再引导学生在已设计或是搭接的机构上进行改进，使其运动确定。

图3 为一些机构改进的具体方法。当自由度F=-1 时，如图3a，F=3n-2pL-pH=3×3-2×5-0=-1，因为在平面运动机构中一个低副限制两个自由度，所以实验教师可以引导学生在不改变机构总体设计的前提下去掉其中的一个低副，如图3）为改进后的机构，F=3n-2pL-pH=3×3-2×4-0=1。

图3 改进机构至其运动确定示例

当自由度F=0 时，已知平面运动机构中，一个构件有3 个自由度，而一个低副又能限制2 个自由度，这时就可以引导学生在原有设计上增加1 个构件和1 个低副。

当自由度F=2 时，在不改变构件数的情况下，可以引导学生增加1 个高副来使机构的运动确定。

2.4 指导学生运用合理的拼接方法，锻炼学生的实践能力

在实验的拼接环节，学生需要将所设计的理论图搭接成实际的机构，这是一个学生将理论知识向实践转化的过程，也是一个锻炼学生动手实践能力的环节，而实践能力的培养是大学生培养的重点，也是难点。很多学生理论知识掌握得很好，能在机构创新设计环节顺利地设计出正确且合理的机构运动简图，但在实际拼接环节，往往无法将设计图顺利转化为实际的机构，最终拼不出相应的机构或是拼接出来的机构无法运动。实验教师应重视学生实践动手能力的培养，引导和鼓励学生克服在实践过程中遇到的问题。学生在拼接环节出现问题的主要原因为构件相互干涉或是构件长度选择不正确。

干涉问题的产生主要是因为学生没有将构件拼接在相互平行的平面或是各构件所在的平面间的间距太小。实验教师要引导学生改进机构的搭接，保证所有构件的运动平面都与机架的铅垂面平行，且要引导学生设计出合理的运动轴套，保证构件运动平面间的间距能满足运动所需。

杆件长度选择错误，会使机构产生死点或是运动达不到设计的要求。由于实验时间有限，学生在设计环节可能并没有计算构件的长度，也没有分析构件的运动参数。所以，实验教师应允许学生通过多次调节各个构件的长度，让学生观察不同构件长度对机构运动的影响，并最终选择合适的构件长度，保证机构的运动达到设计的要求。

2.5 督促学生正确地归位各零部件，养成良好的实验素养

平面机构创新设计组合实验台所含有的零部件种类多、数量大，为解决学生在找所需零件的过程中浪费大量时间的问题，实验教师应将各零部件准确命名，并按顺序分类分组摆放在零件柜中。学生在拼接完成，将零件从台架上拆下来后，实验教师应督促学生将用过的零件摆放回原来的位置，这样不但可以保证下组穴位上能快速准确地找到所需的零部件，而且也能帮助学生养成良好的实验素养。

2.6 改革实验成绩的评定方式，调动学生实验的积极性

针对该实验原来成绩评定方式单一的问题，现对实验成绩的评定方式进行改革，保证评定涉及实验的各个环节细致合理。重新设置该实验的成绩评定环节为创新设计、组合拼接、问答以及实验报告四个环节，并且增加实验过程的分值占比，减弱实验报告的分值占比。分值占比设置为创新设计30%、组合拼接40%、问答10%、实验报告20%。在创新设计环节，根据学生设计的机构运动方案图的创新性、完整性、难易性进行给分；在组合拼接环节，根据每名学生的动手性、参与的积极性以及拼接的完成度进行打分；在问答环节，由教师针对该组的设计与操作进行提问，再根据学生的回答情况进行打分；最后，通过实验报告的整洁度与完成度进行打分。这样，不仅使实验成绩的评定方式更公平合理，也调动了学生实验的积极性。

3 结论

高校培养人才应以社会需求为导向，在机械原理课程体系中，开设平面机构创新设计组合实验，正是顺应现代社会发展对具有创新思维的综合性人才的需求。在实验教学中，教师应时刻注意教学思维与方法，并设置合理的成绩评定方式，从而调动学生实验的积极性，引导学生合作完成机构的设计与拼接，锻炼学生发现问题以及解决问题的实践能力，同时使学生养成良好的实验素养，并培养学生进行创新创造的兴趣与意识。