机械类课程模块化实验教学模式的构建：以“齿轮实验”课程为例

王猛猛 陈 劭 刘晋浩 冯 敏

（北京林业大学工学院，北京 100083）

机械类课程实验教学是提高课程教学质量的重要手段，更是大学生理论联系实际，实现知识向技能转化的重要平台。实验教学旨在培养学生掌握基本的实验能力和科学研究方法，提高学生的科学素养，培养学生的创新意识、创新精神、创新思维和创新能力，在高校创新人才培养中起着基础性的作用［1-2］。

一、机械类课程实验教学的现状

目前，我国大部分工科院校的机械类课程的实验教学课程总体上依附于理论教学，机械基础实验虽已设置为单独的课程，但各实验项目之间相互独立，没有完整配套的实验课程体系，而且实验课时少、形式单一、内容陈旧。这导致学生的知识结构不够系统化，大大降低了实验教学的质量，不利于综合性、探究性和研究性实验的开展［3］。

针对上述状况，北京林业大学林业工程装备与技术实验教学中心提出实验教学模块化改革的思路，即将机械类实验项目进一步细化，同时梳理部分专业课程的实验项目，整合同一门类的实验课程，建立一体化、多层次、开放式、研究性的实验教学模块体系。

二、机械类课程模块化实验教学模式的构建

基于模块化教学思想，实践类课程不再纯粹地依托于理论课程，机械实验不再附属于某课程的课内实验，而是按照该实验的原理方法、实验手段、实验目标进行模块化打包归类。现将主要的实验课程进行模块化构建，见图1。

图1 机械类课程的实验教学模块

齿轮是汽车、船舶、航空、工程机械及国防工业等行业重要的基础传动元件，它的设计、制造水平已成为现代工业技术的标志之一，在机械类课程教学中占有相当大的比重。现以“齿轮实验”课程教学为例，对机械类课程实验教学模块的可行性进行研究和探讨。

传统的以齿轮为核心的实验教学主要包括基础性实验和综合性实验。基础性实验一般为“机械原理”课程的课内实验，主要有齿轮范成原理实验、齿轮参数测量实验、齿轮传动实验等；综合性实验一般为“机械设计”课程的课程设计、“金属切削机床”课程的课内实验，主要包括减速器拆装及测绘、机床传动系统分析等。由于这些课程的离散性，致使实验教学比较分散，学生对齿轮部分的学习不够连贯和深入。

本次实验教学的模块化改革，对以齿轮为核心的实验课程进行了梳理，将实验室的资源进一步整合，构建多层次、开放式、科研性的齿轮实验课程教学体系。以机械类课程为基础，强化课程融合，实现齿轮实验教学模块化，见图2所示。

图2 齿轮实验教学模块的构成内容

三、机械类课程模块化实验教学模式的实施

（一）实验项目

实施模块化教学模式后，齿轮实验作为独立的一门课程开设，并对实验内容进行了必要的调整，减少和压缩了基础性实验的学时数，相应地提高了设计性、创新性实验的学时比重，总学时仍为24学时，具体分配情况见表1所示。如齿轮几何参数测定、齿轮范成等基础性实验，以教会学生实验方法为主，尽量发挥学生的主动性，利用测绘仪器完成对原理的验证；设计性实验以实际生产中的加工实例为课程导入，指导学生按照产品设计、加工原则开展实验；创新性实验主要是借以计算机辅助设计、计算机仿真模拟等软件对机构进行优化设计。

表1 齿轮实验项目的学时分配情况

1.基础性实验

齿轮的检测、范成原理、参数测量等实验属于基础性实验。在传统的实验过程中学生缺乏主动性和探索性，教师无法对学生进行创造性思维能力的培养，不利于实验教学新体系的建立，因此必须提高实验教学的开放性。而开放性教学的目的就是要促进学生发现问题、解决问题基本素质的形成，在培养学生动手能力和创新能力的同时引导他们养成科学求真的态度和团结协作的精神。如齿轮的检测实验，首先教师给出齿轮的工作条件和使用条件，对实验方法进行讲解，让学生独立地对齿轮进行精度设计，确定齿轮精度等级和齿厚极限偏差，并选择评定指标和相应的公差；其次学生自行拟定实验方案，选择计量器具；最后对齿轮进行检测和误差分析，确定齿轮的合格性。这不仅使学生在精度设计和测量技术方面得到综合训练，而且使实验更贴近于生产实际［4］。

2.设计性实验

设计性实验以培养学生的动手操作能力为首要目标，尤其对机械类专业学生尤为重要。学生在进行齿轮加工实习时，主要以Y38 滚齿机为实验设备。首先，学生可自行选择毛坯材料，根据机器加工能力和行业标准，加工不同参数的齿轮，加工成形后进行参数测定及误差分析；其次，学生可根据自己设定的实验目标，对加工成形的齿轮选择不同的热处理工艺（如渗碳、碳氮共渗淬火或高频淬火等），进而对所加工的齿轮在力学综合实验室进行性能分析；最终，学生撰写书面实验报告。

通过设置“齿轮加工实习”与“齿轮热处理及性能分析实验”，培养学生零件设计、加工的实践能力和创新能力，并让学生掌握工程材料成形加工和机械制造的知识和技能，使学生具备从事机械制造的能力［5］。

3.创新性实验

创新性的综合性实验对学生提出了比较高的要求，要求学生综合运用机械专业知识，打破以往课程设计仅在教室进行的模式，借助实验中心的实验设备及计算机软件来完成对机械产品的分析、设计、仿真优化等学习任务。齿轮的创新性实验是以齿轮为主要研究对象，以工业减速器、汽车变速器等机械产品为教学示例，以pro／e、ADAMS、ANSYS等CAD软件为设计分析手段的实验教学模式。首先，学生通过拆装变速器，了解齿轮变速器的一般结构设计、主要零件的加工工艺以及基本参数的测定方法；其次，学生自主设计实验完成对变速器传动能力的测试，以建立变速传动和齿轮传动效率的定量概念［6］；最后，学生自己选择机械产品或结合创新大赛自主设计产品，并借助计算机软件进行仿真分析。

（二）教材

为配合改革后的实验教学活动，我实验教学团队完成了《模块化机械实验课程指导书》的编写工作。新的实验指导书不是单纯的将之前的实验指导书进行汇总，而是结合改革后的实验教学体系重新编撰而成，将原传统的冗余部分剔除，完善、增加了创新设计部分的实验内容。实验报告是实验教学活动的重要组成部分。随着实验教学改革的推进，实验报告的格式和提交方式也需要进行必要的革新。传统的实验报告格式统一，包括实验名称、实验目的、实验要求、实验原理、实验器材、实验步骤、数据记录与处理、实验分析与结论等，但大多数学生认为这样的报告过于死板，不能反应学生学习的积极主动性。改革后的实验报告分为设计性实验报告、综合性实验报告、单独性实验报告，对实验报告的形式和内容不做特殊要求，学生可根据实验类型的不同自主设计撰写实验报告。学生对实验报告的撰写不仅培养和锻炼了学生的动手、写作能力，而且也是实验水平的一种证明［7］。

（三）考核体系

加强实验各个环节的考核，注重学生实验素养的培养。打破传统的纯粹以实验结果或实验报告为主的考核评价方式，构建侧重平时考核、技能考核的新的评价体系，其考核方法见表2所示。

表2 模块化实验教学的考核体系

四、机械类课程模块化实验教学模式的实施效果

在提出实验教学模块化思想以后，笔者针对北京林业大学机械类课程模块化实验教学模式进行了改革，取得了一定的成绩。但由于初次尝试，模块化实验教学模式也存在一些问题，如部分学生提出，由于机械CAD 等软件工具应用不熟练，导致创新设计部分实验学时紧张；由于部分理论知识太久没有接触生疏了，造成综合性实验进展缓慢。因此，笔者认为模块化实验教学模式应该在日后的改革中进一步完善，并适当调整学时与课程深度，以期更大程度地提高学生的综合能力。

总之，机械类课程模块化实验教学模式突破了传统的实验教学方式的离散性，使学生的理论知识体系更明朗［8］。在改革实验教学模式的同时也改进了原有的实验方式，重点增加了综合性、设计性、实践性实验，不仅提高了学生实验水平，而且提高了学生学习的积极主动性。

［1］杨洋，席平，张玉茹.注重素质 面向创新 构建机械基础实验教学体系［J］.实验技术与管理，2008，25（1）：11-15.

［2］许家瑞，周勤，陈步云，等.构建创新实验教学体系的探索与实践［J］.实验技术与管理，2009，26（5）：1-4.

［3］马臣，孟延红，曹智贤，等.机械实验课程教学体系构建的探索［J］.实验室科学，2010，13（1）：44-46.

［4］吴明远，韩建海，曹铁珍.齿轮检测开放性实验教学模式探讨［J］.中国现代教育装备，2008（1）：83-84.

［5］宋立权，何玉林，李成武，等.机械基础实验实践教学体系改革与实践［J］.实验室研究与探索，2009，28（9）：88-91.

［6］钱向勇.机械原理与机械设计实验指导书［M］.杭州：浙江大学出版社，2005：3-56.

［7］伍洪标，陈玲莉，冯小平，等.学生实验报告改革方法的探索［J］.理工高教研究，2002，21（5）：112-113.

［8］廖晓莲，高英武，田梅.面向创新教育的机械基础实验教学中心建设［J］.实验室研究与探索，2009，28（12）：134-137.