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机械设计基础“四位一体实验教学模式”探讨
作者：刁建国
关键词：四位一体；实验教学；创新能力
新世纪实验教学改革的要求是加强学生的工程实践能力的训练，拓宽学生的知识面，培养学生的工程实践动手能力，培养学生创新意识及综合设计的能力，从而提高学生设计创新能力和综合应用知识解决实际问题的能力。
天津工程师范学院机械设计基础实验教学改革始终遵循着实验教学内容及教学方式改革重点以设计为主线，注重创新设计能力培养，淡化实验论证，加强综合设计性实验，不断实践与探索“理论、实验、实训、设计”四个环节在实验教学中的综合运用。在实验教学中只提供各种传动零件、机构与动力元件，不向学生提出具体要求，只提出需实现的功能及研究的内容，由学生在实验室提供实验设备的基础上任意选择实验设备和相应仪器，并独立实验，编写、总结实验报告，同时在实验教学改革中开发自制实验设备。
实验教学形式、内容及创新设备的开发坚持以学生为主体。学生在实验过程中掌握设计的基本方法与技能，在完成一系列不同类型的实验过程中培养设计创新能力和综合应用知识解决实际问题的能力。
实验装置的开发
要培养学生的工程实践动手能力，培养学生的创新意识及综合设计能力，必须为学生创造相应的条件。实验装置的开发应以工程实际为背景，以学生实验中遇到的问题为出发点，使学生可以更具体地进行实验技能、工程实际设计能力训练，培养学生创新思维，使学生从被动实验变为主动探索学习。
笔者根据近几年的教学体会，研究开发了“渐开线齿轮范成原理加工实验装置”。实验装置依据渐开线齿轮范成法加工原理设计，主要实现主运动、展成运动、竖直进给运动和辅助运动。相应的传动链有主运动传动链、展成运动传动链、轴向进给运动传动链和辅助运动传动链。传动链构成包括蜗轮蜗杆传动、滑槽传动、齿轮传动和联轴器等等。实验时学生根据实验资料可自行拼装组合，可完成实际齿轮模拟加工。具体实验装置组成如图所示。
1． 齿轮坯料2.工作台3.刀架（第一部分）4.滚刀5.刀架（第二部分燕尾滑块）6.溜板（燕尾滑槽部分） 7.齿轮的轴8. 溜板（燕尾滑块部分）9.手柄10.万向联轴器11.滚刀轴12.蜗杆13.蜗轮14.锥齿轮15.垫片16.工作台17.圆锥销18.螺母19.丝杠（竖直） 20.丝杠（水平）
机构原理图
突出学生的自主性和实验的设计性
实验教学环节作为认知活动的重要环节，可使学生加深对某一理论知识的理解。实验教学环节要有利于学生实验技能、分析解决问题的综合能力的培养，即学生综合素质的培养。这就要把以教师为中心转变为以学生为中心，让学生成为实验的主体，教师在实验教学中起到启发、引导的辅助作用，培养学生独立解决问题的能力。
设计性实验在高校实验教学中普遍受到重视，是培养学生创新能力的一种有效途径，是实验教学模式和教学方法改革的一大进步。在设计性实验的各个阶段，始终要求学生主动学习与创新，始终贯穿观察能力、想象能力、思维能力、实践能力和信息获取能力等创新能力的培养。
学生根据本实验装置、实验室原有设备以及教师提供的研究性问题进行实验。例如：齿轮加工的方法有哪些？加工原理是什么？用齿条型刀具加工齿轮的两个重要因素是什么？运用范成法加工的齿廓曲线全部是渐开线吗？齿廓曲线由哪几部分组成？齿廓渐开线的起始位置在什么部位？用齿条型刀具和齿轮型刀具加工齿轮有什么不同？……学生以自主性、研究性、设计性的态度来完成实验，改变以往教师“满堂灌”的做法，改变以往教师示范、学生“依葫芦画瓢”的实验状态。学生自主设计实验方案，包括毛坯尺寸选择、毛坯加工、齿轮种类选择、齿轮参数选择、加工工艺制定、齿轮参数测量等。经指导教师审核批准后，学生自主完成齿轮加工全过程。这样，学生由被动模仿转变为主动设计，杜绝了以往对实验没兴趣、拼凑数据、抄袭报告等现象，学生更为主动地探索问题、解决问题。实验课从简单重复型变成综合创造型、设计型，给学生发挥的空间，使学生成为主体。教师在实验教学中起着启发、引导的辅助作用。该装置提倡学生的自主性、实验的设计性，更适合应用于实验教学。
推进“四位一体”教学模式实现实验教学改革
我院自实施面向21世纪教学改革以来，逐步形成了理论、实验、实训、设计“四位一体”教学模式的概念和框架。渐开线齿轮范成原理加工实验装置应用于实验教学，对“四位一体”教学模式的实施具有很好的推动作用。该实验装置应用于实验教学，要求学生自己设计实验方案，改变了学生对实验只看表层、不思考问题、不结合理论课内容的不良习惯。
采用该装置做实验，学生必须首先自主设计一个齿轮。在设计中学生会面临一些问题，如设计一个什么类型的齿轮、直齿还是斜齿或锥齿轮、齿轮材料如何定、该齿轮参数如何定等。这就要求学生结合机械设计课程上的相关内容和实验装置的基本要求动手计算并得出结论，这一过程锻炼了学生设计能力。接着学生要根据自己的设计加工一个齿轮（如直齿圆柱齿轮），并观察包络线的形成。加工将面临以下问题：采用什么工艺？如何加工？渐开线齿轮包络线如何形成？应要求学生结合机械设计课程和机械制造课程自己思考、自己解决。这就实现了设计与加工的有机结合，培养了学生发现问题和解决问题的能力，锻炼了学生的动手动脑能力。
实验进程由学生自己掌握。实验中，也有问题出现：需要哪些运动才能加工出渐开线齿轮?如何变位？由于齿轮生成实验装置完全由手动输入动力，操作时可以一边思考一边操作，试着进行实验，一有错误可以及时改正，不影响实验效果。学生完全可以看清包络线的形成过程，弄清什么是变位齿轮以及如何变位。这样，学生不仅了解了渐开线齿轮包络线形成的真实过程，也理解了齿轮加工原理与方法，对机械类相关课程有了综合性的理解。实验过程是培养学生设计能力、实验能力、动手能力、思考能力的过程，是学生理论水平和实际运用能力的提高过程。
该实验装置应用于教学，加强了理论与实践的结合。通过学生独立自主地学理论、做实验、练技能、搞设计，推进了“四位一体”教学模式的实施，提高了学生的综合素质。
参考文献：
[1]李海，王美云，杜永清.大学生创新意识、创新精神及创新能力培养的探索[J].雁北师范学院学报，2006，（6）.
[2]刘雁红.加强实验教学改革 提高学生创新能力[J].中国轻工教育，2006，（12）.
作者简介：
刁建国（1965—），男，天津工程师范学院高级实验师，研究方向为机电一体化。（本栏责任编辑：周秀峰）