机械设计基础实验教学的思考

竺志超，王 勇，谢剑云

(浙江理工大学 机械基础实验教学中心，浙江 杭州310018)

0 引 言

较多舆论认为，与欧美等教育发达国家学生相比，国内培养的工科大学生缺乏创新思维和技能，缺乏动手能力，工程实践能力与创新能力明显处于劣势［1-4］。这些问题不解决，从深层次看会阻碍国家科技实力的发展提升。所以，2010 年开始我国实施卓越工程师教育培养计划，要求高等工程教育面向社会需求，造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。

显然，在“卓越计划”大环境下，工科院校工程实验和实践教学综合改革亟需深化创新，相应的教材建设亦刻不容缓。“机械设计基础实验”对机械大类专业的教学、工程技术人才的培养都具有举足轻重的作用。我们根据“卓越计划”的要求，结合实验教材建设中的体会，对“机械设计基础实验”课程的教学提出一些改革的方向和举措。

1 实验教学目标的确立与改革思路

“机械设计基础实验”是覆盖机械制图、机械原理和机械设计三门主要技术基础课的系列实验，它对后续的机械制造基础、专业课实践以及毕业设计极为重要，很多学校已独立设课。但是教学实践中问题还不少［5-8］，如教学内容与工程需求脱节，教学工程背景弱化等，导致实验教学效果不佳，学生缺乏最基础的工程能力和综合应用知识的能力，难以学以致用，毕业设计时对实验设计无从下手，就业时反映出学生工程实践经验缺乏，脱离实际，适应性差等。究其原因，既有教学决策问题，也有教学活动中各种要素问题，需要综合解决之。

首先，教学目标是教学活动的动力;“学以致用”是社会的需要，也是卓越计划的培养要求。作为工科的重要基础实验课程，明确教学目标，满足社会需求，是提高实验课程质量的关键。本实验课程教学目标一般是培养学生系统地掌握机械设计基础领域的实验原理、方法手段和实验技能。但在实际教学过程中，常常只是要求学生理解原理和学会操作，而忽略了工程中的应用和拓展，这显然不符合高等工程教育改革回归工程［9-10］的要求。

因此，需要以先进教学理念为指导，做好教学决策，特别是教学目标设计。学生能力培养比知识传授更重要是众所周知的人才培养理念，实验教学必须实实在在地服务于人才的培养和学生的发展。根据卓越计划要求，实验教学目标必须突出社会所需要的各种能力的培养，除动手能力外，尤其要着眼于学生未来发展，关注知识综合应用能力、创新意识和思维能力。从机械大类专业培养要求来看，我们认为“机械设计基础实验”教学目标需要重新定位，必须强调学生机械工程基础实验方面发现问题的能力培养，掌握实验系统集成方法，将来独立地进行相关工程实验研究(包括实验目的确定、方案设计、仪器设备选用和系统搭接，实验过程操作，实验数据分析处理以及实验方面的自主创新)，实现实验教学“学以致用”的终极目标。

其次，针对“卓越计划”学以致用的目标要求，重视实验教学活动中4 个要素的作用，即教师、学生、教材和平台。教学双方须认清实验教学环节的不可替代性，强化教学过程“主导”和“主体”的作用，同时创新有利于两者积极性发挥的实验教学模式。必须充分利用现有的先进实验资源平台，围绕机械大类专业培养目标，结合社会用人需求［11］，更新实验教学的内容体系，更新实验教材，从专业人才培养模式的大视角来分析，在广度和深度上拓展实验课程教学目标，保证学生拓宽视野、接触工程、综合应用，促使学生工程实践和创新意识、创新能力的提高。

2 实验内容体系设计与教材建设

“机械设计基础实验”一般独立设课，课时大大增加。但很多学校独立设课仅仅是一种形式，实验教学内容往往未自成体系，基本上还是零散依附于各自的理论课程，实验安排也仍依附于理论教学进程。实践表明若只是一个个零碎的孤立的实验，没有系统的模块化的内容教育，是不利于学生对实验集成方法掌握的;没有大的设计性、综合性的实验项目，综合能力也是难以培养的;没有研究性的自主的实验项目，创新能力培养也是不现实的。所以，迫切需要科学地、系统地构建本实验课程教学内容体系以及内容结构模块，按学以致用目标要求创新实验项目，编写实验教材。

实验教学内容体系是实验教学具体目标的支撑。面向工程实际、社会需要的实验内容是学生学以致用的前提，也是设计“机械设计基础实验”教学内容体系的根本。机械设计基础系列理论课程主要教学目标是培养机械设计工程师需要掌握的领域基本理论知识、基本方法和基本技能。但如果撇开原系列理论课程的知识体系，从机械工程设计实际需求分析，内容可以归纳为工程图表达，机械原理方案设计，机械结构设计，运动学分析与设计和动力学分析与设计等5 个模块。相应地作为实验课程，以机械工程设计为主线，遵循工程设计实践需要什么就教什么［12］的原则，可以构建包含工程图表达实验，原理和结构分析实验，运动、动力学参数测定与机械性能测试实验三大模块实验内容新体系;并且为促进学科知识综合应用和创新能力培养，内容体系做适当拓展，即将3 门课程的相关实验内容与新技术、创新技法交融，构成第四个模块——创新性、研究性实验模块。这样的实验内容体系设计［13］打破了原机械设计基础系列课程内容体系，内涵得到强化提升，更符合工程设计实际需要和创新应用型人才培养需要，有利于最大程度地实现本课程的学以致用实验教学目标要求。

教材是实现教学目标的载体，作为实验教学四要素之一是课程质量的关键。优秀的实验教材除满足教学目标需要外，能体现不同学生的要求，体现教学资源的先进性，通过实验项目的创新提升实验体系的内涵。因此，教材编写要强调传统与现代、基本与拓展、继承与创新、课内与课外的结合，并贯彻以下几个原则。

(1) 体现梯度性。即实验项目层次化，内容结构上划分为两大层次:大量的包括基础性实验模块(验证、认知)和设计性、综合性实验模块两类的基本型实验，少量的包括创新性实验和研究性实验的提高型实验。这样，实质上从认知和验证性实验，到设计性和综合性实验，再到创新性和研究性实验，建立了众所周知的3 个层次的实验教学体系。

(2) 体现改革成果。实验教学改革需要主动推进，从依附于理论教学转到教学整体优化来设计，有的教学内容需从纯理论教学转为实验教学，如动平衡原理及其精度等直接由实验教学承担，减少理论授课学时;有的理论教学内容过分抽象，需要通过现场实验教学来深化理解和巩固，如机构运动简图掌握，具体结构设计等。

(3) 同类项目可选性。同类项目在实验对象、实验设备等教学要素上具备可选择性。如拆装实验对象有减速器、发动机、变速器可选，实验仪器设备类型也可选，符合学生需要和各校的实际。

(4) 实验项目新颖性。教材需要广泛吸收优秀的实验项目，采用先进的资源，并具有工程应用背景;同时提倡从科学研究、生产实践和实验室建设等项目中提炼出新实验项目，也应该鼓励学生自主选择实验课题进行自主开放实验。

另外，必须指出教材编写需要注意同步配合实验教学模式的改革。实验教材与实验活动的组织紧密相关，一个实验的目的、内容、过程方法等统一在教材体系中，实验项目的编写结构要体现实验教学目的明确，学生主体地位突出，保持学生有浓厚的兴趣、自始至终参与实验全过程，或者适合学生自主实验和开放管理;传统实验项目要“改造一新”，强调实验过程及实验报告撰写中融入学生的自学、自问、探索、应用、动手、编程、改变实验条件、查找资料等要素，有利于提高学生的学习兴趣和能力的培养，避免以往“电钮一按，数据一抄，报告一交”了事的弊端;实验项目具有独立性和可选性，便于因材施教、因校施教和开放选修管理，满足学生个性化培养需要;重视理论指导实践，对一些实验前必须理解的或实验中需结合的知识点专门提出要求，以求好的实验效果;配套制作PPT 课件，制作或采购相关影视资料，建设立体化教材体系。

3 实验大环境的工程化建设

目前机械设计基础实验突出的问题是工程背景弱化，表现在实验对象、内容与工程实际结合不够，应用性不强，使学生主体作用不强，也成了学以致用的障碍。高等工程教育是为工程服务的，培养的学生必须有良好的工程素质，对工程实际有较强的适应力，所以实验教学过程必须建立起良好的工程氛围。这是激励学生实验兴趣，实现“卓越计划”的学以致用要求的有效途径之一。

首先是实验大环境的工程氛围，客观上强化工程背景，采用企业级测试仪器，利用行业典型设备，减少模型实验，加强实验内容工程化。因为面对工程实际对象开展教学活动，可以真正理论联系实际，提高教学质量。一是通过实物直观观察，印象深刻，记忆强烈;二是应用背景明确，实验结合实际需求，利于知识的应用及拓展;三是吸引学生的注意力，因他们往往关注事物新颖性，对企业、工程实际项目会感兴趣，提高学习积极性。以我们实验中心为例，一直坚持实验项目内容工程化，强调对象追求真实，有直接的工程应用背景，强调仪器设备工程化及工程应用，吸引了众多学生的参与。如动平衡实验，实验对象工程化，平衡零部件来自于生产企业;实验内容工程化，动平衡要求按企业图纸进行;实验手段工程化，平衡设备用企业级的。又如对于基础性实验，尽量结合工程问题，如齿轮参数测量在实验过程中结合齿轮的加工技术。又如汽车发动机、变速器拆装，丝织机、灌装机等典型机械认知，机械手运动规划，三坐标机测量都按工程化的要求进行。

其次，在实验过程中，主观上加强学生工程意识，包括创新意识、实践意识等，制造精神氛围。现代青年学生工程认知和体验相对缺失，有关对科学技术与工程的关系认识不清，对高等工程教育回归工程实际的改革趋势不理解，所以需要通过宣传教育引导他们对工程的认识，使他们喜爱工程类专业，不仅喜欢思考，而且喜欢动手。在学生认识提高后，实验过程做到尽量按工程实际提出要求，激励学生自主实验，让学生亲自搭接实验系统，自己寻找问题，自己处理问题，以便获得实际技能，取得工程经验和体会，掌握进行机械工程实验的系统方法。此外，从大工程观来说，与工程相关的人文、情感意志方面的培养也需在实验过程中充分体现，如实验室环境布置，实验小组协作分工等，使学生在这一过程中感受、理解知识产生、发展、关联、综合、应用的过程，养成严谨的科研作风，培养创新思维，形成良好习惯。

另外，实验教学需要加强工程化方面制度建设，教学过程中体现工程化的规范，引导制约实验教学活动高质量地开展。例如，实验评价需要关注过程中学生行为规范，学生发现、分析和解决工程问题的实践能力，包括动手能力;实验报告中关注学生的工程思维，分析实际问题能力。又如在指导教师队伍工程化建设方面，积极选派青年教师下企业锻炼，熟悉工程，懂得工程问题的解决思路和处理方法，丰富工程领域实践经验，或者开展岗位培训，使他们具有工程教育的先进理念，如大工程观教学理念等，热爱工程教育，同时自身工程素质高，有强烈的工程意识，掌握工程化的教学方法，基于工程化视角去理解施展实验教学。

4 实验教学方法和实验教学模式

工程实践能力是工科学生创新能力的重要组成部分［14］。实验教学模式是实验教学目标实现的关键，先进的实验教学模式必须将学生工程实践能力作为高校工科人才培养的关键之一，在教学各相关环节进一步强化实践，同时保证学生在理论知识广度和深度上的获得与工程创新能力的提高在工程实践中达到协调发展。但是，目前机械设计基础实验教学一个大的问题是片面强调设备先进性及计算机应用，造成学生动手少，动脑少，实验时开关一按数据结果全部完成，严重阻碍了学生对实验原理的掌握，实验系统搭接技能锻炼，学生的创新思维训练。为此，需要针对性地开展实验教学模式的改革，尤其是教学方法和手段的改革更应重视，要明确实验教学目标和具体目的，根据实验项目结合学生特点探索有效的实施途径［13，15］。

(1) 坚持“实验中创新，实践中完善”。在实验过程中重视创新教育，不同类型的实验甚至基础性实验对学生而言都可以有创新;在实践过程中完善能力培养，弥补理论教学的不足。只有总体上把握好问题关键，才能引领实验教学模式的改革方向。

(2) 不同类型实验不同方法实施。针对不同的实验项目，不同的学生，采用不同教学模式，不同的方法和手段。例如，实施分层次指导，因材施教，满足学生的个性化的需求，充分发挥学生的学习自主性;鼓励自主选修，对于钻劲足的学生，积极引导参与开放性的提高型实验;合理采用“项目驱动”方法，将实验项目设为一个课题，学生主持研究，提出实验的新想法，评价可行性，同时过程中提倡自主学习、研究性学习方法;提倡“比较思维”方法，教师在引导学生关注共性测试技术的同时要强调具体实验对象和方法、手段的特殊性，进行比较和评价，加深印象，拓展学生能力。

(3) 实验中以学生为主体。对于机械类大学生来说，关键是必须提高对本实验课程的认识，理解工程实验的内涵及其重要性，发挥自己的主动性、钻研精神。这是提高实验教学效果、学生学以致用的关键。因此，在实验过程中的每一个环节都需要引导好。

(4) 实验中以教师为主导。充分理解实验课程是以理论为基础的实践性环节程，注意两者的教学协调和结合，重视理论指导，对于拓展性的内容，教师要首先做好理论知识铺垫，以免学生因理论基础不足失去实验兴趣。另外，教师要积极鼓励学生创新，在实验中培养创新意识，加强创新技法的应用，培养学生创新能力。在教师主导上要体现“‘五用’并行教学法”，使实验主体学生在教学过程中“用耳、用脑、用眼、用手、用嘴”，充分发挥学生的能动性，引导学生深入把握实验原理，强化动手环节和强化数据分析处理环节，培养表达能力，包括口头表达和书面表达。

5 结 语

“机械设计基础实验”是机械大类专业的重要教学环节，要提升教学质量，首先必须明确实验教学目标，其次必须理清实验做什么，怎么做。以上对实验教学目标、内容体系及实验教学模式上的一些思考在我校进行了实践，教学效果明显。这里，仅是作为抛砖引玉，希冀与广大同行一起，通过教育创新，使独立设课的初衷能够逐步实现，为推进卓越计划作出贡献。

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