以解决实际机械工程问题为主线的实验课程群建设探索

吴兵 陈嵘 李屹

摘要：针对高校实验课程之间缺乏有机联系的问题，整合多方面的实验技能训练内容，设立独立于理论课程之外的、以解决实际机械工程问题为目的的、包含多个综合性实验项目的课程群。该实验课程群以某个典型机械零部件的实际生产过程为主线，把原来相对独立的多门实验课程串联起来，教学周期持续整个本科学习阶段，可同时满足多门机械工程专业课程的实验教学需求，使学生能够在四年本科学习中体验机械零件加工生产的完整环节。

关键词：独立实验课程；综合性实验；课程群；实际生产

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）32-0276-03

一、前言

实践教学是高校教学中的重要组成部分，而对于工科类院校尤其重要。各高校都在着力解决高等教育中日益严重的理论与实践、教学与生产脱节的问题，也在不断探索改革实践教学模式，提高学生工程实践能力，特别是解决实际工程应用问题的能力，[1，2]以突出实验教学的基础性和综合性，强调培养学生的基本实验技能，加强创新能力的提升，达到以学生为本，逐步培养解决工程实际问题能力的教学目标。[3，4]工科类院校中的实验教学主要包括基础实验、专业基础实验、专业实验、创新实验、综合设计实验。[5]在经过高校集中开展通识教育后，基础实验通常由通识教育中的基础实验室统一完成，各学院下属的专业实验室主要面向本学院学生和其他学院有相关性专业的学生开展其他的实验教学。[6-8]这些实验之间总体来说是相互独立的。

在高校开展的各类教改活动中，创新实践教学一直都是热点，但创新的前提是拥有扎实的基础知识，因此在实践创新时，更应该重视专业基础及专业实验，使学生在学习专业基础和专业理论课程中，能够通过有效的实验教学掌握应知应会的基本知识。在专业实验室的实践教学活动中，专业基础、专业实验教学是工作重心，创新实验、综合性设计实验面向的受众学生相对较少，但却是专业实验室开展实践教学活动的成果展现。

机械工程基础及专业实验一直都是相关理论课程的课带实验，实验教学的大纲、目的、内容是由理论课程决定的，并且在制订培养计划的时候也把实验教学的内容定性为本课程的验证手段，比如，机床机构剖析在机床控制技术、现代加工设备等设备类课程中都是该门课程的课带实验。在理论课程教学结束的时候，会有课程设计或毕业设计作为学生掌握该门课程或本专业知识综合性的应用检验，而对于实践性教学内容，学生仅仅在所附带的课程结束后就基本上再也不会接触了，造成了越到高年级，对于越基础的实践操作掌握丢得越多的现象。

针对以上问题，在配合理论教学的同时，整合多方面的实验技能训练，设立一门独立于理论课程之外的、面向解决实际工程问题的、包含综合性项目群的实验课程。该实验课程以如何解决实际工程问题为主线，把原来相对独立的多门实验课程串联起来，教学周期持续整个本科学习阶段，可同时面向多门机械工程专业课程的实验教学需要，使学生能够在四年本科学习中经历机械零件加工生产的完整环节。

二、教学实施过程

以典型的机械加工零件——连杆为实例对教学安排进行相关分析。

（一）零件分析

根据零件装配图了解该零件在装配机构或设备中的作用及基本结构，根据零件外形图了解该零件拆卸成单独部件时的外观情况，并结合实际零件进行测绘，将所得数据记录，并查阅相关资料，逐步分析零件的技术要求，包括尺寸、公差、表面粗糙度、形位公差等，完成该零件的完整零件图。该部分内容可以作为机械制图的实践教学部分以取代现有的零件测绘实验。

该部分实验教学主要针对大学本科一年级学生学习《机械制图课程》后的实践操作，也可以针对二年级学生学习《互换性与测量技术》课程的实验教学，学生可以掌握零件的拆装、量具的使用及读取方法、测量数据的分析、零件技术要求的分析等。

针对不同阶段的学生，各实验内容对学生提出的实验要求也不同，比如，对于一年级阶段的同学，只需要根据部分已知条件查阅对应的技术要求，即根据已知的零件尺寸及公差，查阅填写表面粗糙度。而对于高年级阶段的同学，则还需要对数据进行分析，对零件进行评价。

（二）机械设计及原理

利用绘制的零件图，结合零件的工作原理，搭建零件的模型。比如，利用现有的连杆机构，分析其工作原理，绘制该零件的机构简图，分析其受力情况。该部分内容可以作为机械设计、机械原理的原课带实验。

（三）机械加工工艺设计

根据前期获得的零件图及工作分析，设定生产纲领的加工条件，拟定本零件的加工工艺路线、确定加工设备及工装方法，制定全套零件加工的工艺。该部分内容可以作为机械制造工艺学、机床夹具、机械加工设备等专业课程的实验内容。要求学生能根据已知零件的技术要求，拟定加工工艺方法，包括毛坯制造、加工准备、加工方法、加工设备、刀具选择、加工辅助、工时计算、成本计算等多方面加工工艺制定。该阶段面向三年级学生专业课设定实践教学内容，零件是学生前期一直接触并学习的，各方面情况已经较为熟悉，对学生有针对性地练习加工工艺制定提供了较为具体的条件，避免了在学习中因突然接触一些空洞和抽象的设计目标而增加学习难度的情况。

（四）数控编程

针对在零件加工中采用数控机床进行加工的具體情况，结合机自专业课中的数控技术类课程，选取较为典型的加工工序，根据学生所学的编程方法，对零件进行某一加工工序的数控程序编制。采取的途径为：分析数控加工工艺方案、数控机床加工的特点，根据对待加工零件的分析，利用编程软件或手动编程，选取合适的加工参数，将编制好的数控程序在数控加工仿真软件中进行加工仿真，根据仿真过程检查并修改程序，直至程序调试正确；利用数控操作培训机，掌握将该程序用于加工零件的正确操作步骤，逐步将本工序调试正确。完成以上实践后，提交实践报告，获指导教师批准后，操作机床实际加工，直至获得预期的零件实体。

（五）零件加工精度检测

这部分的内容主要是利用各种测量工具对已经加工好的零件进行检测，学习精密测量方法，强化学生对测量仪器的使用，掌握根据检测结果分析加工结果的方法，总结加工精度的影响因素，并提出改进措施，对学生综合利用所学基础及专业知识分析实际問题提供较好的训练方式。该阶段实验内容采用游标卡尺、螺旋测微仪、角度测量仪、百分表、千分表等常用手动测量工具，测长仪、等精密测量仪器，三坐标测量机床等开展。

通过以上以实际零件的实际生产全流程为主线的实践教学过程，涵盖了典型机械零件生产加工中所涉及的机械制图、机械设计、机械原理、零件测量等机械基础实践教学内容，也包含了机械制造工艺、数控技术、夹具设计等专业实践教学。

三、调整培养计划，适应新实践教学内容

原来制定的培养方案是根据本专业培养目标，分解为各门基础及专业课程，并根据教学大纲将各门课程的实验教学计划同时列出。这种教学内容的制定执行起来较为方便，但造成了各实验教学内容相互割裂的现象。为改善这种实践教学的不足，可针对不同专业特点，在单独设立的实验教学课程群中选取符合本专业教学课程的实验内容。因此，在制定以特定生产目标为教学主线的实验项目群的时候，就应该将各专业需要开设的实验内容包含在内，以供各教学课程根据课程的教学学时及要求，灵活选取相应的实验内容。

四、整合实验教学内容，独立设立实验课程

原来理论课程在制订教学大纲、教学计划时均将实验教学内容作为课带附属内容，以致部分教师将课程的总学时错误理解为自己的教学学时=总学时-实验学时，甚至有部分任课教师为了提高理论教学时数，不严格按照教学大纲开展实验教学，造成理论课程与实验课程学时数方面的对立性。为改变这种情况，独立设立实验课程，将实验教学学时单独设定，无疑是一种较好的方法。比如，数控技术课程理论学时按不同专业为40学时或28学时，按教学大纲的要求，该门课程的实验学时为8学时或4学时，因此，选修数控技术课程的学时应该同时按要求选修符合课程教学要求的实验项目，具体的实验项目可以按不同的专业在独立设置的实验课程中选取。这样，数控技术课程的教学学时应该=理论课程学时数+实验课程学时数，这8个学时的实验课程内容只是该专业学生所有实验课程中的一部分，并不单独设立学分，但如果实验教学内容考核不合格，将导致学生没有资格参加该门课程的考核，也没有资格取得该门课程的学分，而单独设立的实验课程的学分只有在学生所有实验均考核合格后才能获得。

五、综合考评内容，全面考核能力

实验考评是为了全面综合地检测学生的实验学习效果。[9]为了改变以往实验考核主要以学生提交的实验报告为依据的方式，充分考虑学生贯穿整个本科实验学习中的状况，根据专业要求，在每个学期以学分方式对实验准备（实验预习）、实验过程的动手能力、实验结果分析等多方面进行综合评价。考核中，学生提交的实验设计方案占30%、实验过程考核占40%、实验结论分析占30%。[10]

六、总结

第一，独立设置实验课程群，可以将实验课程独立于理论课程，避免了实验学时与理论学时的纠缠，对实验教师的工作量认定有了明确的方法。

第二，实验项目群可以面向不同专业、不同课程、不同阶段的学生灵活开展实验教学。

第三，独立设置的实验项目群可以将本专业各门基础课程、专业基础课程及专业课程有机地串联起来，更有针对性地面向不同专业的学生，使丰富多样的实验项目生动地应用于实际生产，避免了空洞的实验教学形式。

第四，虽然实验课程在形式上剥离于理论课程，但绝不能在教学上完全脱离理论教学而存在，一定要与理论课程紧密相连，特别更需要为理论教学做好对应教学阶段的补充。

第五，利用现有实验资源，将分散的实验设备整合到同一实验项目群下统一调配使用，提高设备利用率。

参考文献：

[1]宋永臣，杨明军，刘卫国.本科生专业实验教学研究探讨[J].实验室研究与探索，2014，（02）：161-165.

[2]冯其红，胡伟，王增宝.改革实验教学模式 培养大学生的工程实践能力[J].实验室研究与探索，2013，（02）：130-132.

[3]丁彩红，吴喜如.机械综合实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2012，（04）：318-321.

[4]于柏.加强实验教学改革 深化实验教学示范中心建设[J].实验室科学，2017，（03）：153-155.

[5]刘吉轩，陈雪峰，訾艳阳.开放式机械创新实验教学模式体系研究与实践[J].实验室研究与探索，2015，（07）：184-187.

[6]金悦，杨培林，陈晓南.机械设计基础综合实验教学的实践与探讨[J].实验室研究与探索.2014，33（9）：231-235.

[7]杨延梅，杨清伟，周富春.高等学校开放式实验教学的探讨[J].高校实验室工作研究，2012，112，（2）：6-7，84.

[8]崔彦，代中现.以学习者为中心的教学设计与实践[J].全球教育展望，2010，39（6）：92.

[9]刘洪艳.项目化教学模式在专业综合实验中的探索研究[J].实验科学与技术，2018，16（1）：61-64.

[10]宋永臣，杨明军，刘卫国.本科生专业实验教学研究探讨[J].实验室研究与探索，2014，（02）.