提高学生创新能力为目标的齿轮振动教学实验设计

摘要：为了满足新时代下我国对新工科人才的需求，各高校积极推进新工科教学体系改革。齿轮振动实验属于机械设计制造及其自动化专业的典型实验课程，基于齿轮振动实验设计方法，制定了符合新工科理念的实验改革原则，确立了实验内容，教学方法以及评价标准。并通过开展调研会的形式了解学生问题和意见，不断优化教学方法。以提高学生自主创新能力为目标的实验教学设计方法，在新工科背景下的教学模式对学生创新能力的培养起到了积极的促进作用。

关键词：新工科；教学改革；齿轮振动实验；教学方法；自主创新能力

中图分类号：G420文献标识码：A

ExperimentalDesignofGearVibrationTeachingwiththe

GoalofImprovingStudents'InnovativeAbility

LuWenjia1*OuYangji1HuangKe2ZhanQianping1TanKaitian1WuZefeng1

1.CollegeofMechanicalandAutomotiveEngineering，ZhaoqingUniversityGuangdongZhaoqing526061 ；

2.ZhaoqingNo.1MiddleSchoolGuangdongZhaoqing526040

Abstract：Inordertomeetthedemandfornewengineeringtalentsinthenewera，collegesanduniversitiesactivelypromotethereformofnewengineeringteachingsystem.Gearvibrationexperimentisatypicalexperimentalcourseformechanicaldesign，manufacturingandautomation.Basedontheexperimentaldesignmethodofgearvibration，experimentalreformprincipleisformulatedconformingtothenewengineeringconcept，andtheexperimentalcontent，teachingmethodandevaluationstandardareestablished.Throughtheformofconductingresearchcounciltounderstandstudents’problemsandopinions，andconstantlyoptimizeteachingmethods.Theexperimentalteachingdesignmethodaimingatimprovingstudents’abilityofindependentinnovation，andtheteachingmodeunderthebackgroundofnewengineeringhaveplayedapositiveroleinpromotingthecultivationofinnovationability.

Keywords：Newengineering；Teachingreform；Gearvibrationexperiment；Teachingmethods；Independentinnovationability

随着现代工业的未来带来了更多的可能性，同时也带来了一系列需要我们不断发展，越来越多的机械产品走向智能化、专业化。由学科交叉产生的连锁反应让生产机械产品的技术飞速迭代，成为我们去挑战和面对的新问题。仅仅学好一门专业知识已经无法满足企业乃至国家的需求，于是国家推动新工科建设战略举措，引领我国高等教育改革［1］，为高校培养未来工程人才提供了新的发展方向，2017年6月，教育部办公厅发布改革指南，强调围绕工科学生工程实践能力培养的目标、课程设置、实习实训安排、体制机制等关键环节开展研究，深入分析我国工科学生工程实践能力的现状和问题，设计评价体系，指导改革实践［2］。各高校积极推进新工科建设，对传统教学模式进行改革并进行优化，努力培养出具有扎实理论基础，创新思维和实践能力的复合型人才［3］。

齿轮振动实验作为机械设计制造及其自动化专业的基础实验课程，传统的教学实验方法主要依赖于教师传授与演示，学生缺少自主参与和主动设计实验的过程，在国家新工科教学改革的推动下建立以学生自主设计和自主创新为目标的实验教学方法，符合国家对于新时代创新型人才的战略需求［4］。齿轮传动是连接原动机和动力输出端不可或缺的一部分，通过它可以实现机器的增速，减速等多项运动功能。然而，由于齿轮在传动过程中容易由于自身振动而引发故障，因此对齿轮振动进行研究并进行故障诊断具有重要意义［5］。作为机械设计课程必不可少的一部分，它主要考察了学生对齿轮的理论知识，齿轮耦合方法和齿轮相关分析的掌握和应用情况。根据以往的教学经验和课程反馈，在齿轮振动研究教学中存在以下问题。

（1）教学过程没有完全基于学生的认识规律，教师与学生的见识不同，给学生提出的问题，可能不是学生想了解的，学生对知识的应用不够全面，没办法在研究实验获得兴趣。

（2）参与研究实验的时间少，齿轮振动的研究关系比较多且复杂，没有当场亲自实践，只凭理论考试，对学生能力的考查方式过于单一，无法完全判断学生是否掌握相应的知识并能够灵活运用机器。

（3）实验内容较枯燥，无法充分调动学生积极性，导致学生在实验过程存在抄袭，从而无法判断学生是否掌握相关知识。

随着我国现代工业的发展，国家对于复合型人才的需求越来越大，学生如果只是掌握相应的知识，已经远远不能满足社会的需求，重视新工科背景下当代大学生核心能力的培养［6］，建立以学生为中心的实践教学案例设计［7］，符合新工科人才培养质量通用标准的要求［8］。这就需要指导学生在理论知识学习的基础上，还应不断开拓自己的思维去解决相应的问题。培养学生分析和解决问题的能力，并积极投入实践中，只有这样才能不断提高学生的自主创新能力，成为符合时代发展的综合型人才［9］。

1齿轮振动设计实验改革原则

新工科理念就是以产业需求为导向，以培养跨学科、综合全面、创新能力强、面向未来能够适应并引领产业不断发展的新人才为目标的培养观念。基于该观念从研究内容改革和教学改革两方面入手，能够很好地满足新时代培养人才的需要，全方位提高学生的综合素质。

1.1研究内容与工程实际和科技前沿相结合

通过引入相关的工程实例，让学生不仅可以了解工程实验中的相关知识和经验，还可以知道自己所学知识在工程实例中如何运用，提高学生的认知和思考能力。让学生通过互联网充分吸收相关实验的新方法、新理念等，并在学习和研究中运用，以此作为课程学习的补充和扩展。

1.2培养目标面向提高学生的综合能力

实际工程的问题往往涉及的知识要比自身专业所学的知识要多得多，对学生的综合能力要求较高，往往需要通过团队协作和教师指导，才能够很好地解决问题。在这个过程中通过让教师扮演一个引导者和协助者的角色，引导学生提出问题，积极参与讨论和合作，鼓励学生发表自己的见解，关注学生在实验过程中分析能力和实践能力的培养。

2齿轮振动实验设计教学实施

齿轮振动实验教学设计是以新工科建设要求为目标和指引，在现有实验设备的基础上，合理设置实验目标、实验内容和评价准则，注重以学生为中心，通过“小组制”和“项目制”的教学方法培养学生工程实践能力和自主创新能力的实验教学模式。

2.1确立实验目标和要求

为了能够落实学生能力培养，在实验过程中首先要明确实验目标和要求。参考机械设计制造及其自动化专业培养方案，对照新工科人才培养目标对学生在齿轮振动实验过程中设置以下要求：

（1）掌握齿轮传动相关的工程基础知识，再学习齿轮振动的基本理论，齿轮故障类型及其振动特征和振动信号的采集与处理方法，并能将其用于解决工程应用中有关齿轮传动的相关问题。

（2）通过齿轮振动测试平台及传感器所需调试的振动测量设备，以及数据的记录工具，学会如何设定实验参数，采集和处理实验数据并进行分析总结，再通过网络资源学习三维软件和仿真分析软件的使用，简化并构建出实验设备模型进行动力学仿真，且能将其应用于实验设计的合理性检验。

（3）能结合文献、实验、仿真、调研，对实际工程问题的影响因素和关键环节等进行分析鉴别。

（4）能自主利用网络学习资源拓展专业知识，深化学科思维，丰富个人的专业知识体系。

2.2设定齿轮振动设计实验内容

以现有实验设备和教材资源为基础，结合网络资源，对照实验目标和要求设立实验内容。依据新工科建设目标设计出若干个项目教学方案，并成立多个小组进行项目实验；按照行动回路设计教学思路，将整个实验教学过程分解为多个模块，各模块之间有机结合又层层递进，从而在实验教学实施的过程中调动学生的学习热情，传授给学生基础理论知识，同时培养学生的自学能力、创新能力。该实验主要包括搭建试验台和测试数据，将数据导入软件得到瀑布图、时域图和时频图等图，由此直观地反映出系统结构的运行状态，再通过SolidWorks建立出三维模型导入仿真软件进行仿真分析，以找到优化齿轮系统的方法。具体实验内容如图1所示。

多小组实验能同时进行多个项目教学方案，每个小组内又分出“测试员”与“后处理员”两个工种。教师在教“测试员”使用测试仪器和实验设备的同时，“后处理员”通过网络资源学习振动信号分析软件并对实验数据进行采集和处理，图2为进行振动实验的实验操作台。之后再进行工种互换彼此交流学习。通过这种方式，能有效培养小组的协作能力、实现学习资源共享、促进小组内“教学相长”，提高学习效率。

综述撰写要求学生查阅大量相关文献及各类资源，了解行业及该领域的发展现状及发展趋势，并将收集到的资料进行系统地归类和总结撰写综述报告。教师提前给出综述撰写的一般思路，并要求学生自主查阅文献，利用网络数据资源初步撰写报告。再给出2～3篇范文，并帮助学生修改报告的格式错误及内容偏差、理解综述撰写的意义。通过这种方式，让学生初步体会项目或研究开展的“第一步”，培养学生的系统思维、网络资源检索能力及综述报告撰写能力。

值得一提的是，对于齿轮振动设计实验，在综述撰写前，教师先带领学生使用测试仪器采集设备振动信号，由“后处理”小组对信号分析出图，图3为通过某LMS测试分析软件得到轴承振动加速度时频图，图4为齿轮振动分析得到的齿轮振动信号的时频图。教师再进行相关知识的讲解，以便学生查阅文献资料时对该领域知识的学习与综述撰写时对实验内容及预期成果的定位。

建模要求学生对实验设备各类零件通过看、测、绘的方式进行全面感知，结合实验设备说明书上的相关数据，利用三维软件对实验设备建模，图5为学生通过建模软件建立的三维模型。学生在建模的过程中需要学习齿轮及其配件的相关知识，理解实际零件在整体设计中的安装和作用，在此基础上，鼓励学生自主学习KISSsoft等专业的机械设计软件。学生利用KISSsoft生成齿轮模型进一步校验自己用三维软件构建的齿轮零件，并在接下来的仿真分析模块中，分别对两种模型进行仿真分析处理，将仿真结果与KISSsoft的计算结果进行对比验证。通过这样的学习方式，引起学生对参数化建模和批量化处理等辅助设计处理方法的重视。并结合ADAMS等动力学仿真分析软件对实验测试过程和实验响应结果进行理论分析，提高学生的理论建模能力与创新思维。

仿真分析是将构建出的设备模型导入仿真分析软件，对齿轮系统进行动力学仿真。这要求学生通过网络资源学习仿真软件的使用，同时需要对所建模型的合理性进行验证。在确定模型运动结构的基础上，学生需要进一步学习了解齿轮及其配件的材料属性，在教师的指导下设定参数、设计变量进行仿真分析并优化设计。

建模与仿真分析都要求学生自主学习新软件，旨在培养学生学习新知识、新技术去解决问题的能力。在此过程中，学生学习实验设备的运行结构及材料属性，并进一步验证其合理性，旨在扩展学生的专业知识并加深对所学知识的理解，培养学生的探究意识及实验验证能力，为其以后自主设计奠定基础，以达成培养其自主创新能力的目标。

2.3落实以学生为中心的教学方法

基于以上实验教学内容，落实以学生为中心的实验教学方法，能够更有效地实现培养学生工程实践能力及创新能力的目标。在建构主义教学中，教师的角色是引导者和协助者，教师通过创建一个充满挑战和支持的学习环境，引导学生提出问题、积极参与讨论和合作，鼓励学生发表自己的见解，并在必要时提供指导和支持。这就要求教师在实验教学过程中需要注意以下几点：

（1）采用“先问题再学习”的方式。例如，建模环节直接给定目标，学生在观察实验设备结构、测量相应零件数据后进行建模软件的学习时，能明确意识到所学内容的实际应用，且能及时应用于实验。通过这种方式能有效调动学生的学习热情、提高学习效率，且对学生以后解决现有问题具有重要意义。

（2）实验过程中学生遇到的重点问题或具有典型教学意义的问题不直接给出答案，而是引导学生思考探究解决方法并进行验证，帮助其塑造解决问题的思维模式。

（3）对于实际存在但并未解决的问题，教师给予学生方向指导的同时鼓励学生积极探索并提出自己的观点。

2.4设立评价标准

新经济发展背景下，工程实验教学的评价标准需对照新工科建设目标去设定。传统教学的评价标准注重理论知识的考核，实验教学的评价同时注重能力、过程及实验项目的难度和意义的考核。

（1）对理论的考核以考试为主，实验教学也为考查理论知识的应用提供了条件。

（2）对能力的考核在定量的同时也应进行定质评估。例如，对建模软件的使用能力评价，一般通过考查建模的时间及其正确度和完整度，参照建模的难度进行评价。

（3）对过程的考核需对学生在实验过程的贡献进行定量评估，同时考查学生实验过程中的学习积极性及个人品德等。

（4）对实验项目的难度和意义的评价应基于实验的内容和方向对社会发展的意义，同时对实验教学的最终成果进行客观评价。

3实验反馈

为了进一步了解学生的学习情况，优化教学方案，在实验结束后各组指导教师和各组学生代表开展实验调研会，通过各个教师对其组学生在学习中遇到的问题和采用的解决方法进行讨论，通过集思广益，得出一套适合大部分学生的教学方法。在这次会议中，不少学生代表表示通过在做实验和解决工程问题中学习要比在课本中学习要有兴趣得多，对学科知识的理解和记忆也更加深刻，还提出了小组分工不够明确等问题，根据以上学生反馈的信息，为完善教学体系提供了明确的方向，基于学生代表提出的问题，老师们认真记录并深入探讨解决方案。他们决定在后续教学中更加注重小组分工的明确性，同时进一步增加实验和工程问题的比重，让学生在实践中更好地掌握知识。相信通过不断优化，教学体系将更加完善，学生的学习效果也会显著提升。

结语

在国家要求大力培养复合型人才的背景下，实验教学模式应调整为拓宽学生专业知识，深化学生学科思维，提高学生的认知和实践能力，通过把理论知识和实际问题相结合，让学生对自己所学的知识真正做到“学以致用”，让教学成果得以更加具体化、直观化地展现出来。在改革后的齿轮振动设计实验中，学生通过自主搭建试验台并进行数据测试、设计建模、仿真分析和讨论总结，不仅让学生了解了齿轮振动的相关理论知识和分析方法，还在无形中培养了学生的团队协作能力和解决问题的能力。这些为后续学生参加相关专业竞赛（如挑战杯等）打下了坚实的基础。这种实验教学模式的重要性和意义重大，它不仅能满足国家对复合型人才的培养需求，还为学生的未来发展开辟广阔道路。通过实践，学生将理论与实践应用紧密结合，提升综合能力。这不仅有助于他们在专业竞赛中脱颖而出，更能为他们未来步入社会、投入工作做好充分准备。

参考文献：

［1］路勇，郑洪涛，谭晓京，等.“新工科”背景下能源动力类人才培养模式探索与实践—以哈尔滨工程大学船舶动力创新人才培养实验班建设实践为例［J］.高等工程教育研究，2019（S1）：1416.

［2］赵兵涛.面向国际认证体系及新工科的实践教学体系构建［J］.实验技术与管理，2020，37（5）：912.

［3］钟登华.新工科建设的内涵与行动［J］.高等工程教育研究，2017（3）：16.

［4］鲍宇，姜旭，刘可宁，等.“以本为本、四个回归”背景下工程实训教学改革［J］.中国冶金教育，2023，4：4952.

［5］郭韶山，杨华，陈洋，等.转子系统机械振动故障模拟诊断实验台设计［J］.南通职业大学学报，2019，33（03）：8893.

［6］钟柏昌，刘晓凡，陈岚鑫.“新师范”背景下师范生跨学科创新能力培养的基本框架与实践案例［J］.电化教育研究，2023，44（7）：114120.

［7］葛艳，卢晓东.“以学生为中心”的实践教学案例设计与实现［J］.实验技术与管理，2020，37（2）：178181.

［8］林健.新工科人才培养质量通用标准研制［J］.高等工程教育研究，2020（3）：516.

［9］吴冰清，蒋豪，卢元龙，等.高校综合性人才培养反馈机制研究［J］.成才之路，2023（6）：58.

基金项目：国家自然科学基金青年项目（52302521）；广东省教育厅青年创新人才项目（2022KQNCX099）

*通讯作者：鲁文佳（1989—），男，河北承德人，博士研究生，副教授，主要从事机械动力学、机械可靠性方面的科研与教学工作。