基于过程驱动进行实验改革的探索

摘要：以应用型人才的培养为目标，基于过程驱动的思想，改革现有实验方法和内容，促进学生带着问题学习课堂内容，提升学生的学习针对性和学习效果。针对实验滞后于教学、实验与教学结合不紧密、针对性不强的问题，从改革减速器拆装实验入手，以实验问题驱动学生课堂学习，增强学生对上课内容的理解，增加公差配合实践教学内容，并进行三维建模和二维工程图绘制等实践锻炼，以培养学生的综合工程实践能力。

关键词：实验改革；公差配合；教学设备；减速箱拆装

中图分类号：G642.43 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0185-02

为适应教育部卓越工程师培养计划，达到增强学生综合工程能力培养的要求，各高校教学改革不断强化和深入，实验实践环节越来越受到高校的重视。通过逐步增加实验学时、实验课程单独设课等措施，可以增强实验课对学生工程能力的培养。各高校在实验改革方面进行了深入研究，主要体现在以下几个方面：改革教学管理模式，加强实验过程管理；[1]合理设置实验内容，加强学生综合能力培养；[2，3]增强理论与实践结合，改进实践教学环节，增加学生动手机会；[4，5]利用多媒体及计算机技术进行实验探索等。[6-9]实验改革强调实验管理和实验方式等方面的改革，但当前高校在实验课内容设置和实验安排等方面普遍存在一些问题。一方面延续传统实验教学思路和教学内容，单独设课仅仅是一种形式，实验教学内容往往未自成体系，基本上还是依附于各自的理论课程，实验安排依附于理论教学进程；[11]另一方面相关实验安排在课堂教学以后进行，由于学生普遍存在课堂学习目标不明确，学习过程不认真，最后突击应付考试的学习心态等问题，导致学生实验时对实验课所需掌握的先修内容一知半解，实验课堂上还要重新讲解相关内容，实验课和课堂教学成为两门互不相关的课程，无法做到实验教学和课堂教学相辅相成。这些现象在很多高校的实验课教学过程中普遍存在，严重影响了实验课的教学质量，已经引起了许多教育工作者的注意，正逐步上升为亟待解决的共性问题。

一、实验改革目标

针对以上实验教学中存在的各种问题，结合机械设计实验强调工程技能和实践动手能力的特点，以机械设计实验为改革对象，以增强学生的学习主动性和持之以恒的学习态度为教学目标，以改革旧的实验内容安排和实验与课堂教学的协调关系为突破口，逐步实行问题驱动式教学和讨论式教学，引导学生根据实验要求关注和学习课堂内容，思考课堂内容在实验中的应用，最后在实验课中检验和考核课堂所学内容。通过对相关教学内容和教学方式的改革，一方面可以增强学生课堂学习的针对性和主动性，另一方面阶段性实验考核督促学生必须加强课堂教学的日常学习才能较好地完成实验内容，减少应试学习思想，使学生逐渐养成良好的课堂学习方式和实验意识，体现了实验和课堂教学相辅相成的关系。

二、机械设计实验问题分析

减速箱拆装实验是机械设计实验课程中重要的实验内容，所用知识点涉及机械设计课堂教学的多个章节，是机械设计实验中综合性较强的实验，因此，应以该实验内容教学改革为入口，探讨机械设计实验的改革内容和实施方法。

当前的减速箱拆装实验一般安排在机械设计课程后期，要求学生先期完成齿轮、轴、轴承等章节知识的学习。在实验过程中，要求学生首先进行减速箱的拆解，观察各零部件之间的装配关系和零件的定位方法，然后测绘低速轴上的所有零件，包括端盖和部分下箱体，最后根据测绘结果绘制低速轴装配草图。主要目的是通过拆解、测绘和绘图的过程，让学生掌握齿轮箱体的结构、轴和齿轮的结构、轴上零件的定位和固定方法、密封以及各附属零件的作用、构造和安装位置。但由于多数学生在课堂上为被动学习，对学习的相关知识点没有深入理解和认识，导致在轴承和齿轮的定位、套筒的使用、端盖和轴的配合等环节出现了各种错误。虽然指导教师在检查作业时指出了错误并让学生修改，但由于学生理解不深入，没有真正掌握相关知识点，在课程设计环节仍然会出现同样的问题。因此，如何合理安排实验内容和实验方式，让学生真正理解和掌握相关知识点是重点探讨的内容。

三、机械设计实验改革内容

当前开展的卓越工程师教育强调增加学生的实践环节，培养学生的工程实践能力。为适应教学要求，北京工业大学先期对机械设计实验课程进行了改革，实验独立设课，与教学同步进行，一方面增加了实验学时与学生的实践时间，另一方面实验与课程分离，摆脱了原有的依附地位，增强了实验的自主性。针对独立实验的优势和学生实验实践环节存在的问题，以提高学生实践能力和动手能力为目标，以减速箱拆装实验为突破口，对机械设计实验内容及实验安排进行改革，突出让学生带着实验问题去课堂学习的理念和自主学习的思想。

实验改革内容以减速箱拆装实验为基础，调整实验相关内容及实验安排，故图1主要列出了减速箱相关的实验内容，其他没有列出的实验穿行。图1所示的机械设计实验改革内容，是在实验初期提出相关问题后，让学生逐步在课堂学习中找出答案，并逐步完成和完善实验内容；同时针对综合工程实践能力训练的要求，把与机械设计紧密相关的测绘、制图、三维建模、公差标注等技能训练融入到实验内容中，通过逐层推进的方式，让学生逐步掌握和灵活运用知识与技能，从而达到学习和训练同步进行的目的。

四、减速箱拆装实验的具体实施

1.减速箱拆装

原有的减速箱拆装实验一般安排在学生学习完轴、轴承和齿轮设计以后进行，共4学时，导致学生为完成任务而实验，根本没有时间考虑其中的技术细节。为了增强学生对实验内容相关知识点的认识和理解，根据带着问题去学习，自己寻找答案的理念，在实验课第一次课就让学生进行减速箱的拆解和零件测绘，拆解的对象为使用多年的小型实验减速箱。该减速箱经多年使用，零件磨损和人为造成的装配混乱，已无法准确展示零部件的装配和定位关系，所以学生测绘后在后期装配时需要根据所学知识完成零部件装配，对于错误零件尺寸还要根据装配要求自行修改完善，最终达到正确装配和定位关系无误的目的。首次实验不要求绘制装配图，不对测绘结果进行检查，所有检查工作在后期实验内容中逐步进行，留给学生充足的理解和修改时间。实验课堂上仅留下思考题让学生在课堂学习过程中认真总结，寻找答案。

2.减速箱零件绘制及测绘数据检查

三维建模软件和实验课相关教学内容的学习，以简单且易于学习的solidworks为学习对象，让学生掌握基本的三维零件建模和三维装配技术，为后期的课程设计和工作打下基础。在对学生进行三维软件设计教学时，以减速箱零件为建模对象，让学生边学习边绘制自己测绘的零件，自己验证测绘的数据是否完整，在学习软件的同时，完成测绘零件建模任务，同时增强学生对测绘的认识。课后作业要求提交所有测绘零件的三维图原始文件，以检查软件学习和零件绘制情况。针对电子作业易于拷贝的问题，制定相关考核原则，所有拷贝作业全部按0分记。同时要求在课堂学习时关注各类零件结构设计原则和定位方法。

3.减速箱三维模型初装配

完成三维建模软件学习后，要求学生根据测绘情况和所学三维装配技术，完成箱体零部件的装配。装配要求以测绘图为准，对发现错误的位置不需修改，以此考查学生的三维装配知识和箱体测试结果，考评时以和实物一致为考核目标，不考核装配关系是否正确。

4.实习作品减速箱拆解及错误分析

自己往往很难发现自己的错误，而查找别人的错误常常比较容易，且错误点和错误原因也容易掌握，为此应安排一次错误分析实验内容。北京工业大学在学生进行机械制造课程实验时，每年都会产生大量的减速箱作品，由于对相关结构设计认识不足、公差配合设置不合理，所以制作出的作品存在各种各样的问题，这为增加学生认识提供了良好的道具。在错误分析实验中，从学生制作的作品中挑选一批减速箱让学生进行分组拆解，每组学生拆解一台减速箱，分析减速箱存在的各种问题，并向其他组同学进行汇报，以增强学生对结构设计和公差配合选择的直观认识与理解。

5.减速箱三维模型再装配

通过前期三维建模知识和课堂理论知识的学习，以及减速箱错误分析实验，学生对减速箱的正确结构有了充分的认识和理解。结合前期实验内容，要求学生完成箱体装配图的修改，检查零件结构和定位关系是否合理或正确，对当前不能满足装配要求的零件自行修改结构及尺寸，以保证零部件装配关系正确，以此增强学生对零件结构设计和零件定位的认识。

6.零部件二维工程图和装配图绘制

在完成前面的实验内容后，配合公差与实验设备进行公差配合基本知识和使用问题的讲解。课后要求学生绘制低速轴工程图和低速轴二维装配图，绘图时要求关注各类公差的选择和标注、轴的结构、零件定位等问题。通过作业检验前期的学习成果，并进行图纸关键位置错误检查和图纸答辩。

通过各环节的学习和实验，使学生逐步掌握零部件测绘、三维建模和装配、工程图绘制等技术，通过实际应用增强对课题知识的理解，同时也为后期课程设计奠定良好的基础。

五、结束语

针对目前学生普遍存在的学习积极性不高和应试学习的问题，通过对与课堂教学紧密配合的实验教学环节进行相应改革，促进学生的课堂学习；通过提高学生实验作业质量要求，促进学生的学习主动性；同时，实验教学中交互式学习将有效增强学生对所学问题的认识和理解，为培养具有综合实践能力的人才打下基础。

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