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中图分类号:G424 文献标识码:A
Reform Experiments and Design Training and Promote Innovative
Teaching of Machinery Basic Courses
HAN Shangyun
(Guangzhou Public Utility Technician College, Guangzhou, Guangdong 510100)
Abstract Machinery foundation course as a professional basic course of machinery professional, has a strong theoretical and practical, is the successor of students studying professional courses necessary theoretical foundation courses, mechanical foundation courses on innovative teaching mechanical engineering training innovative talents with important effect. Based on the mechanical basis for curriculum reform experiment with design, develop and improve students' innovative design and practical ability, so as to promote innovative teaching mechanical foundation courses.
Key words machinery basic course; innovative teaching; experiment; design
1 在教学中增加研究性实验和创新性实验
我国的机械工程技工教育的教学目标就是为了培养具备工程实践能力和创新能力的技术人才,根据这一目标就可以发现,传统的机械基础教学实验注重于课程基本原理的演示、理论验证以及实验操作技术的掌握方面,而忽视了对学生的实验设计、实验技术、创新能力等培养,因此在教学中关于工程实践环节方面相对比较薄弱,而要培养和提高学生的动手能力和创新能力就需要各种试验进行配合。实验不仅仅只是对教材知识的验证和演示,而应该更加关注实验是否能够激发学生的创新思维和提高学生的动手能力。
因此,就可以在以往的实验项目基础上增加一些具有创新性与综合性的实验项目,如3DMC机构组合与创新实验、JPCC平面机构组装实验、轴线结构创意设计实验等。通过这些实验让学生亲自动手进行组装、调试、设计、研究,从而培养学生的综合能力。如在3DMC试验台的开发和研制中,就是按照机构组成原理和创造性思维原理进行设计的,它是具有综合性较强的智能化实验测试设备。这个试验台可以对学生在机械原理、机械设计学习中所萌发的各种创新性思维进行实现。试验台不仅包括了组成机构的高、低副杆组,组成这些杆组的各种构件、机架以及其它的辅助连接件等,也包括了关于机械转动方面的内容,有凸轮机构、齿轮机构、带传动、蜗轮蜗杆传动,通过对实验台的研究提高学生的机械传动方案的设计能力。通关试验台还可以对执行构件和中间任意构件的速度、位移、加速度进行测试通过进行实验,让学生将教材中的知识与自身的思维、动手能力相结合,对实验题目进行分析,对实验方案进行构思和优化,对试验设备进行拆装等,从而逐渐培养和提高学生的分析能力和解决问题的能力,将理论与实践相结合,通过实践让理论知识得到验证、延伸和创新。
2 对课程设计模式进行改革,使设计内容更具创新性
机械基础设计训练一般有课程设计和机械设计创新活动。在机械课程体系中,课程实践是一个非常重要的实践环节,传统的课程设计模式与设计内容已经不符合对创新人才培养的要求,因此需要改变课程设计。如在机械原理课程设计中,将原来使用解析法和图解法在做机构的运动分析改成了机械系统的运动方案设计。可以在完成理论教学后进行课程设计任务,也可以在理论教学完成一定程度就与其同步进行。提前将任务告诉学生,让学生做好准备,查阅资料。这样就可以发现问题,如果遇到不懂的问题就可以自己查阅资料进行解决,或者是教师在进行教学时,就可以针对性地去解决问题,从而提高学生的自学能力以及加深他们对知识的理解。在进行课程设计时,要本着学生是主体,而教师只是辅导的思想进行,提高学生的主观能动性。同时课程内容的设计要具有灵活性,可以让教师给出,也可以让学生自己拟定题目,而学生自定题目就要求他们要进行更多的调研工作,这样就可以了解更多的设计内容。在进行机械系统运动方案的设计时,可以分小组进行,这样学生通过交流合作发挥出集体的力量,同时学生个人也能够发挥出自己的独特见解,这样有利于学生综合素质和创新能力的提高。又如在机械设计中改变课程设计模式时,利用CAD编程代替原来的减速器传统设计模式,这样不仅可以让学生熟悉现代设计理论,同时也可以提高他们的计算机编程水平。在课程设计环节利用计算机仿真软件,可以辅助学生制作虚拟样机操作等。 (下转第107页)(上接第103页)
3 开展创新设计活动与创新型实验开发
在课程设计与创新设计中将实验装置作为相关载体,是课程改革的一项重要任务。在实验室中进行课程设计或创新设计,如通过对3DMC试验台的开发和研制中,完成一些学生的课程设计,通过试验台将学生在机械原理、机械设计学习中所萌发的各种创新性思维进行实现。对于各个基本结构,它们的性能是非常有限的,只是针对基本结构进行创新也是不容易的,如果将多个基本结构进行联合使其成为一个组合机构再进行利用,这样就能够满足人们对机械性能、运动规律和形式的需要。通过利用试验台提供的组合机构供拼装置,对组合机构进行创造和研究,从而让学生认识到各种组合结构的各种性能,为以后的机械创新和工程设计创造良好的条件。可以利用“黑箱”的形式来体现出课程设计内容中对机构的功能要求,在给出的机构创新设计题目中,要求学生对机构的功能要求进行仔细具体的研究,用多个子功能来表现总体功能,并对各个子功能的功能元解进行有效选择和确定实现对机构的功能设计。运用的方案需要具有灵活性,符合对题目的要求,对各个方案进行对比分析并进行交流,不断促进学习的提高。同时学生也可以自己给出题目,但关于构件方面做好要求控制在试验台配置范围内。在进行题目的设计时,要不断地研究,从中找到问题,并从中设计出具有创新性的实验,实现设计与试验的有效结合。
同时开展一些形式多样的机械创新设计活动,来激发学生对创新设计的积极性和主动性。将一些好的作品设计拿到机械创新设计比赛中进行评比,有利于验证设计的成果,同时可以加强技术的交流 。创新设计活动的开展为学生提供了一个展示自我、提升自我的良好平台。在实验室中也可以进行一些创新设计,将一些实验对学生开放,让他们对试验内容进行自主选择,并安排好设计步骤,通过老师的指导下,发挥自己的创造性思维和动手能力独立完成设计。通过这种实验设计,来提高学生的创造能力和实践能力。
4 总结
通过对机械基础课程教学的改革,不断加强实践环节教学,激发学生对学习的兴趣,调动他们对学习的积极性和主动性,这样提高了教学质量,同时也让学生得到了各种机械工程的实践训练,从而有利于培养和提高学生的工程实践能力、动手能力及创新能力等综合素质。
参考文献
[1] 徐建生,吕亚清,张志.基于项目制的《机械基础》课程创新模式[J].教育教学论坛,2013.27:46-48.
[2] 王世刚,林景凡,李西兵.机械基础系列课程创新教学平台的构建[J].科技信息(学术研究),2008.27:360.
1试题分析
江苏省近3年高考物理实验试题分析见表1。
2014年第11题2015年第11题2016年第11题
实验目的验证力的平行四边形定则小磁铁在铜管中下落的运动规律验证机械能守恒定律
实验装置
考查内容(1)力的图示(作图法)。
(2)比较实验过程中拉力的大小。
(3)实验误差理论分析。
(4)实验注意事项分析。(1)实验操作注意事项。
(2)实验数据处理(纸带处理)。
(3)实验现象分析。
(4)实验结论归纳。
(1)ΔEp=mgh中h的理解。
(2)ΔEk=12mv2中v的计算。
(3)[ZK(]实验数据处理(ΔEp与ΔEk关系的理解)。[ZK)]
(4)实验改进建议。
易错点分析第(2)问中比较实验过程中拉力的大小,橡皮筋中的弹力不满足胡克定律,此时应根据题目给的具体情景具体分析,不能盲目经验主意,Fa=Fb才是正确答案。
第(2)问中实验数据处理(纸带处理),确定一合适的点为O点,每隔1个计时点取1个计数点,计算打4个点时纸带的速度时应用到5.60和4.04这两个数据。
第(3)问中实验数据处理(ΔEp与ΔEk关系的理解),凭经验和简单记忆盲目认为是空气阻力的影响,没有从理论上分析ΔEp小于ΔEk在真正原因是v的测量偏大造成的。
审题突破分析
“他用弹簧测力计先后两次将橡皮筋拉伸到相同长度,发现读数不相同”是否意味着:用弹簧测力计先后两次将橡皮筋拉伸到不同的长度时,读数才可能相同,为Fa与Fb的关系铺垫。
“将装置中的铜管更换为相同尺寸的塑料管,重复上述实验操作,结果表明磁铁下落的运动规律与自由落体运动规律几乎相同”对比实验的目的是引导学生理解电磁阻尼的原因。
“在钢球底部竖直地粘住一片宽带为d的遮光条”和“取v=dt作为钢球经过A点时的速度”,这两句话即暗示学生ΔEk的测量误差偏大的原因是v的测量偏大造成的,为第(3)问中ΔEp与ΔEk关系的原因判断铺垫。
2命题特色
2.1注重基本规律、基本原理和实验基本技能的考查
2014年第11题第(1)问考查学生的作图能力(力的图示法求合力的大小)。第(3)问考查学生对实验过程的把握和对实验结果影响因素的判断,尽管是以选择题的形式考查,但得分情况仍不容乐观,要求学生具有细致的审题能力和信息加工的能力,会顺势答题。
2015年第11题第(1)问考查学生对小磁铁在铜管中下落时受电磁阻尼作用的运动规律实验装置和操作细节的理解,要求学生理解打点计时器的工作原理,先通电后释放的原则,在竖直方向上纸带保持竖直的做法。第(2)问考查纸带处理的实验运算技能,会用极限思想通过平均速度代替瞬时速度。
2016年第11题第(1)问考查学生对ΔEp=mgh中h的理解。应测量释放时的钢球球心到钢球在A点时的球心之间的竖直距离。第(2)问考查学生对ΔEk=12mv2中v的计算,实质仍是极限思想的理解,这两问属于基本原理和基本运算的考查。
2.2注重传统与创新的衔接和过渡,不拘一格设置情景
2014年第11题第(2)问考查学生对非弹性形变背景下的三力平衡的理解。先后两次将橡皮筋拉伸到相同长度,发现读数不相同,这表明胡克定律已不适用,传统的F=kx的思维应该摒弃,需要构建新思维。先后两次将橡皮筋拉伸到不同的长度时,读数有可能相同,根据实验过程最终O点和a、b两点在同一条直线上,即前后两次偏离竖直方向上的夹角相同,得出Fa=Fb。
2015年第11题第(3)问考查学生语言组织表达能力。通过观察表格中的数据,体会数据的变化规律,总结出磁铁运动速度的变化情况以及磁铁受到阻尼作用的变化情况,实质是对变加速直线运动的理解,牛顿第二定律是解决问题的理论基础。
2016年第11题第(3)问考查学生对数据的敏感程度和数据分析能力。表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异,且ΔEp小于ΔEk,这绝对不是由于空气阻力造成的(本实验空气阻力会使ΔEp大于ΔEk),使得学生再次回归实验装置和实验过程,寻找ΔEk大的原因(实质是v的测量偏大)。从传统思维到创新思维的演变要紧跟实验装置的特点和实验数据的获取过程,决不能盲目的凭经验主义,不假思考的死记硬背式的答题。
2.3注重开放性问题的设置,激发学生的兴趣
2014年第11题第(4)问考查验证力的平行四边形定则实验的注意事项,该问题具有开放性。学生可从实验器材的角度(橡皮筋的选择),实验操作的角度(水平力缓慢移动),实验改进的角度(改用弹簧称或力传感器)作答,只要合情合理就行。
2015年第11题第(4)问考查学生的对比思维能力。铜管更换为相同尺寸的塑料管,结果磁铁下落的运动规律与自由落体运动规律几乎相同,这表明塑料管对磁体没有任何影响,没有电磁阻尼作用,对比实验的结果得出的结论实质是对法拉第电磁感应的理解。
2016年第11题第(4)问考查学生对实验的改进建议,在理解实验误差产生原因以及v的测量偏大的原因的基础上,才能提出可行性建议。分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l,计算ΔEk时,将v折算成钢球的速度v′=lLv。
3备考策略
3.1加强对力学实验基本原理和常规设计方案的理解
力学实验有以下4个实验:①实验探究:速度随时间的变化规律;②实验探究:力的平行四边形定则;③实验探究:加速度与物体质量,物体受力的关系;④实验探究:机械能守恒定律。4个实验中①③④都与打点计时器有关,所以关于纸带处理和打点计时器工作原理及使用注意事项要倍加关注,同时还要关注物理思想,如实验②中等效替代的思想,实验③控制变量的思想,实验④中转化的思想。
3.2加强对力学实验考查细节的关注
实验①纸带处理时应关注瞬时速度和加速度计算时时间间隔t的计算,不能盲目的误以为t=0.02 s或t=0.10 s。实验②弹簧测力计读数时应关注估读问题。实验③应关注是否需要平衡摩擦力以及怎样才能恰好平衡摩擦力。实验④数据处理时应关注空气阻力对实验的影响。
3.3加强对力学实验常规设计方案和创新设计方案的比较分析
实验②有教材常规设计方案的构建(结点O的位置同一次实验前后保持一致),也可在常规设计方案的基础上进行创新设计方案的构建(结点O的位置前后两次实验可以不一致),不管怎样,都是共点力作用下的三力平衡问题,通过力的图示构建平行四边形。
实验③可利用木板模型完成实验(需要平衡摩擦力且满足mM),也可以利用气垫导轨完成实验(不需要平衡摩擦力但要满足mM),还可以借助传感器测量小车受到的拉力(不需要满足mM),故要结合具体的实验器材和实验过程具体分析。
引言
目前产品创新设计对企业发展具有重大作用。产品须不断创新才能适应多变的市场。而价值工程作为一门集技术和经济于一体的学科对产品创新设计具有实际意义。
价值工程
1.概念
价值工程是一项把产品功能分析作为核心,用最低寿命周期成本实现产品真正价值的创造性活动。是研究产品功能与成本关系的现代管理科学。价值工程的基本原理:价值(V)=功能(F)/成本(C),即包括价值、功能和成本3个基本要素。
2.特点
把用户利益放在首位、以功能分析为核心、以提高经济技术效益为目的是价值工程的三大特点。以用户需求为出发点,在满足产品功能的同时追求最低成本,最大限度地实现产品技术经济效益的提高。
3.意义
价值工程以质量管理体系、功能优化体系等理念为基础,寻求成本和功能的最佳匹配,最大限度地降低产品生产成本,实现产品功能的最优化,对产品创新设计具有直接指导意义。
产品创新设计
1.概念
产品创新设计指为提高产品质量,应用新技术,采用新生产方式和经营管理模式,开发新产品、提供新服务、创造新市场的一种设计方法。
2.产品创新设计的特点
首创性、差异性、文化基础性是产品创新设计的三大特点。首创赋予创新设计旺盛的生命力,差异性设计是产品创新设计未来的发展方向,而文化基础性赋予产品创新设计深厚的文化底蕴。
3.产品创新设计的意义
产品创新设计对企业的兴衰存亡起着重要作用,对推动企业的技术创新、品牌创新、管理创新具有较大的现实意义。将技术创新与设计创新结合,创造出更符合用户需求的创新产品。
价值工程在产品创新设计中的应用
以儿童滑板车为例,从功能和成本两方面分析价值工程在其创新设计中的应用。
1.功能分析
通过调查儿童对滑板车各功能重要度分析(见表1)。可知顾客对儿童滑板车的锻炼身体、培养运动兴趣、控制车体等功能较为重视。儿童滑板车的创新设计应以满足这些功能为基础,以便设计出一款既满足顾客功能需求,又能给企业带来高收益的儿童玩具车。
表1 儿童滑板车各功能重要度分析(04评分法)
序号 构成要素 功能名称 一对一比较打分 得分值 功能重要度系数 重要度顺序
锻炼身体 运动兴趣 支撑儿童 承载儿童 滑动车体 控制车体 增加美感
0 儿童滑板车 锻炼身体 * 3 3 3 3 3 3 18 0.19 1
运动兴趣 1 * 3 3 3 3 3 16 0.17 2
1 扶手部分 支撑儿童 1 1 * 3 2 1 3 11 0.12 5
2 滑板部分 承载儿童 1 1 1 * 2 1 3 9 0.10 6
3 滑轮部分 滑动车体 1 1 2 2 * 1 3 10 0.15 4
4 刹车部分 控制车体 1 1 3 3 3 * 3 14 0.16 3
5 车体表面加工工艺 增加美感 1 1 1 1 1 1 * 6 0.06 7
总计 6 8 3 16 14 10 18 94
2.成本分析
降低成本,实现儿童玩具车材料的多样化、结构的标准化及合理化上。即要求材料轻便、无毒无味,防摔打和撞击。可选择塑料材料为主体造型材料,易于成型,可减轻自重,方便处理圆角过渡,避免对儿童的伤害。
结语
产品创新设计已逐渐成为企业取得市场主动权的决定性手段。为提高产品创新设计的力度和效率,用寻求功能与成本最佳比而获最优价值的价值工程原理的角度探索产品创新设计的方法值得学习和推广。
参考文献:
[1] 陈红娟,彭星辰. 价值工程在产品创新设计中的应用研究[J]. 包装工程,2011,32(8): 62-64.
[2] 傅毓维,杨红影. 价值工程在企业技术创新中的应用研究[J]. 价值工程,2006,3: 62-64.
[3] 林岳,徐燕申. 基于价值工程的产品创新研究对象的分析与评价[J]. 机械设计,2001,18(3): 8-11.
[4] 胡艳营,师忠秀,程强. 基于价值工程的机械产品创新设计对象的确定[J]. 机电工程技术,2006,35(6): 26-28.
[5] 伍斌.设计思维与创意[M].北京:北京大学出版社,2007.
(作者单位:陕西科技大学设计与艺术学院)
关键词:机械设计基础课程;教学探索与实践;教学方法;教学手段
中图分类号:G712 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)20-0207-02
机械设计基础课作为高等职业教育机电类各专业重要的技术性基础课程,对于提高学生的实践与创新能力起着非常重要的作用。本课程的学习,旨在培养学生对常用机构基本结构的分析、机械零部件选用及设计能力,使学生初步获得正确的管理、使用和维护机械的基本知识和要领,为后期专业课的学习以及从事本专业相关工作的可持续性发展打下良好的基础。探索并采用与专业及课程特点相适应的教学内容、教学过程、教学方法和教学手段,是提高教学质量之关键。本文根据机械设计基础的课程特点,就如何精选教学内容、正确采用各种先进的教学方法和手段,进行了探索与实践。
一、优化课程教学内容,培养学生工程素质
据教育部16号文件对高职机电类专业培养“高素质技能型人才”的人才培养目标,结合行业企业对人才职业能力的需求,优化教学内容,教学内容的选取以突出适用性为原则。机械设计基础的课程特点是理论性强,涵盖了机械原理、机械设计、工程力学等方面内容,知识点比较多,同时这门课程还具有很强的应用性和实践性,在教学安排时,应适当调整理论教学时数,增加一定的实践教学时数。
1.精选并更新理论教学内容。在教学内容的选取上调整思路,强调基本知识、基本原理和基本方法,注重理论知识与工程实际应用相融合。从实际应用出发,围绕机器组成,以工程实际项目及创新能力培养等为主选取知识点;以机构分析、零件选用、机械传动及创新设计为主线,引入能体现机械设计现状的、与日常生活和实际生产相关的新型机构及现代机械设计方法等最新成果,突出技术发展前沿,拓宽知识面,丰富课堂信息量,调动学生学习的兴趣及积极性,提高教学效果,完成课程教学及学习目标。
2.贴近工程,增加实践教学内容。接触本门课程前,学习学生对机械的了解局限于生活之中,缺少工程观念,缺乏抽象思维,无法将理论知识和工程实际相结合,但是他们的共性是好奇心强,很容易被新鲜事物所吸引。针对这一现状,我们在教学中穿插一定的实践教学环节。例如,开课前安排学生参观机构与刀具陈列室,机械原理及机械传动陈列室等;开课三周后,安排学生现场参观典型机械产品和现代化机械加工设备,并进行机械拆装实训,课程学习最后阶段安排实践性创新设计等。这一环节,使学生深切感受到工程,建立工程观念,实现理论与实践的有机融合,为课程的深入学习奠定必要的基础。
3.教学内容的组织与实施。机械设计基础课程的特点是各章节内容的关联性少,学生一接触本课程就会产生“没有系统性”、“逻辑性差”等错觉。针对这一现状,教师应该怎么教?学生应该怎么学?在教学内容的组织和实施过程中,遵循由易到难、由简单到复杂、由具体到抽象的原则,对学生引导鼓励。针对需要解决的难题,采用教师引导,学生分组分析讨论的措施,调动学生的主观能动性,使学生成为课堂的主体,将教、学、做融为一体,激发学生的学习兴趣。
二、改进教学方法,培养学生的学习能力
在教学过程中,怎样才能把以教师为中心转变为以学生为中心,怎样才能充分调动学生自主学习兴趣和学习能力,是我们一直在思考和探索的问题。高职学生比较习惯和适合感性认知的教学方式,因此在课堂教学中,应以精讲多练为原则,以启发式教育为主,同时注重采用“对比式”、“案例式”、“演示法”、“现场教学式”等多种教学方法,对理论性较强的内容,可结合工程案例的分析进行讲解,以理论的应用为切入点,使学生能对基本概念有较具体的认识。对实践性较强的内容,则采取任务驱动、学做合一、行动导向的现场教学法等,强调以知识为载体,培养学生发现问题、理解问题、分析问题、解决问题的思维方式与方法。
1.启发式教学法。启发式教学重在调动学生“学”的积极性。在教学过程中,联系工程实际,充分调动学生学习的主动性和积极性,启发学生积极思考问题,加深对基本知识的理解和掌握,并在求解过程中进一步思考,培养创新意识,取得良好的效果。例如在讲解“机构的死点”内容时,首先播放缝纫机的工作过程以及飞机起落架在降落和起飞时相关工作视频与动画,继而抛出问题:飞机着陆时其起落架为什么能稳固地支撑在地面,起飞时又是怎样收缩回机身的呢?缝纫机脚踏板机构在工作时为什么会出现瞬间卡死甚至反转现象,又是怎样克服“卡死”而继续工作的?等等。学生进行观看视频并思考,随后在与学生相互讨论的基础上展开授课,引导学生对机构的运动进行分析,找出机构死点位置,引出“死点”概念,并对工程中众多实例进行剖析与归纳,说明“死点”在工程中的利用以及传动中“死点”的克服方法。合理的启发式教学法能使枯燥的理论知识与实际生活相结合,使“教”与“学”的过程具体又生动,使学生在主动学习的同时更加深刻地理解并掌握相关概念及原理,提高课堂效率。
2.对比式教学法。对比分析法是通过相关类型的对比激发学生积极思维,加深对各种事物和现象相互联系的系统化认识,并学会类似问题的处理方法。例如:在学到压力角的内容时,打破以往传统的授课顺序,先引出压力角的概念,再将齿轮的压力角、连杆机构的压力角、凸轮机构的压力角等加以对比,分析压力角在机构中的共性,判断压力角在每种机构运动过程中所起的作用、机构传动过程中压力角的瞬时变化情况以及对机构传动的影响等,掌握在机构设计时压力角的大小控制等问题。又如:在讲到凸轮机构从动件的运动规律时,将常见的等速运动、等加速等减速运动、余弦加速度运动、正弦加速度运动等几种运动规律通过运动方程及运动线图进行分析比对,明晰每种运动规律的运动特点,总结其应用范围,加深理解,便于记忆。在机械设计课程教学中正确使用对比式教学方法,不但使学生易于掌握机械知识,在培养学生思维方式和创新意识方面也起着重要的作用。
3.案例式教学法。实行案例教学的宗旨是为了使学生成为教学的主体,有针对性地培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力与意识。例如:在讲解齿轮啮合传动时,首先给出汽车变速箱的工程案例,通过对传动过程的仿真模拟,实现对啮合传动的感性认识,掌握啮合传动的基本原理、类型及其在工程中的应用。通过案例引导学生分析讨论,学生可以获得初步的感性知识,以便于后续知识的学习与理解。
4.演示教学法。通过展示各种实物装置、模型、录像等进行的演示法教学,学生可以通过观察获得对机构与机器等的感性认识,促进学生对所学内容的理解与掌握。机械设计课程教学中,对于比较抽象的知识点,例如,对于联轴器与离合器的学习,就可采用演示法教学,首先通过爆炸图及动画对联轴器及离合器的结构及工作过程进行分解演示,学生对联轴器与离合器进行感观上的认识,了解联轴器及离合器的构成和应用,再进行理论讲解,使复杂问题简单化、直观化,使单调死板的课堂趣味化。
5.现场教学法。现场教学法是将抽象性的、不易理解的理论知识以现场实物的形式进行直观展现并进行讲解,使学生在亲身体验中学习知识、完成任务;例如在执行“带式输送机传动装置”的设计任务时,通过“观看带式输送机传动装置工作视频―教师现场示范拆装并现场讲解―学生分组拆装并现场提问―小组讨论,归纳总结”四步走的方法,学生可以掌握带式输送机传动装置的基本组成、工作原理以及设计时应该注意的事项,然后结合所学知识,在教师的引导下完成设计工作任务。现场教学法重在使学生在提高动手能力及实践操作能力的同时加深对知识的理解与掌握。
三、合理采用现代化教学手段,提高教学效果
机械设计基础课程实践性很强,课程内容包括机构工作原理、机械传动等,传统的、以教师为中心、语言加粉笔的教学模式需要教师花费大量的课堂时间来表达讲解,课堂信息量较少,无法从根本上解决少课时多内容等矛盾。
随着计算机技术的应用与普及,广泛采用多媒体技术与手段,充分利用多元化现代技术与多媒体相结合,针对相关知识特点,采用形象逼真的动画、爆炸图、图片等制成PPT、CIA教学课件或教学视频,虚实结合,教学过程中给学习者以强烈的视觉冲击,变抽象教学为直观教学,不仅扩大了课堂信息量,而且使教学内容更加形象、生动,学生兴趣高,教学效果好。
多媒体教学和传统教学手段各有所长,不能互相替代,所以在采用现代化教学手段的同时,应以传统教学手段的成熟模式为框架,根据教学内容的特点及学情不断调整,灵活运用,实现媒体教学和黑板板书教学有机结合,达到最佳教学效果。
四、结语
职业教育改革的目的是提高教学质量,而采用科学的教学方法和手段是提高教学质量的突破口。教无定法,只有结合课程内容和学情特点,不断挖掘并总结合理的教学方法和教学手段,才能获得更加理想的教学效果,提升人才培养质量。
参考文献:
摘 要:夹具的创新设计思想的培养提高了学生工程训练综合能力,也是提升了学生解决实际生产能力的重要途径。通过引入TRIZ理论的设计思想以及解决算法,进一步加深了学生的创新设计理论基础。学生通过不断运用TRIZ理论进行设计运用,为解决以后生产制造过程的工程问题打下了坚实的理论基础。
关键词:夹具 创新设计思想 TRIZ理论
中图分类号:TB472 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2017)04(b)-0188-03
Based on the Theory of TRIZ Fixture Innovation Design Ideas
Huang Chunping Guo Gang
(1.Guangdong Province Sanshui Polytechnic School Foshan City,Fushan Guangdong, 528137, China;2.Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong, 510006,China)
Abstract:Fixture of the cultivation of the innovative design ideas to improve the students’ engineering training comprehensive ability, and improve the students’ ability to solve practical production important way.By introducing the designing idea of TRIZ theory and solving algorithms, further deepen the students’ innovation design theory basis.Students by using TRIZ theory to carry on the design, to solve the problem of manufacturing process of the project after laid a solid theoretical basis.
Key Words:Fixture; Innovative design ideas; TRIZ theory
1 A具的创新设计思想背景
1.1 创新思想的提出
创新思想在现在社会生产发展中起了重要的指导方法,是社会物质新旧更替、科技发展的重要理念,在职业教育过程中也是体现的淋漓尽致,尤其是机械制造加工教学过程中。为了更好地提升学生的综合实践能力,学校都会通过学生加工零件的方式来提高学生动手操作能力。而加工零件的过程中总会出现零件二次装夹的问题,根据学生加工零件的复杂程度以及零件精度的要求就要求同时设计不同规格要求的夹具。夹具的设计要求就决定了零件是否能够加工完成或者是否按设计要求加工。
1.2 夹具的创新设计思想
夹具的创新设计思想是机械创新设计过程中重要组成部分,它也是问题解决思想的真实体现。夹具创新设计思想的提出是由实际问题的需求应运而生,是建立在创新制造过程之中,是依托需求问题之上的。作为夹具本身是没有任何价值意义的,但在机械制造过程夹具在特定零件加工过程中又是不可缺少的。好的夹具可以提高零件的精度水平,同时也降低了零件的装夹难度,使加工过程由复杂变得简单。
夹具的创新设计思想的提出是职业学校在培养学生工程训练综合实践能力过程中必不可少的理念。学生在工程训练过程中对不同零件加工过程所遇到的加工难题,通过设计夹具的方式来降低加工难度,将难易完成的工艺变得简单化。
1.3 夹具的创新设计思想的要求
学生通过对夹具的创新设计思想的掌握,就是要求能够正确运用自身所掌握的基本知识,解决零件加工过程中的问题,这种思想的根本性的作用就是要解决实际问题;那么如何更好更快的提高学生解决实际生产问题就是对夹具的设计思想的贴近于学生教学的要求了;夹具的创新设计思想就要求具备以下几个方面:(1)夹具的创新设计思想要有实用性;就是能够让学生把这种思想正确的运用于社会生产之中,这种思想的本身就要求有一定的生产实用效果。失去实用价值的设计思想最终只能停留在纸面上,对学生的生产能力的提升毫无作用。(2)夹具的创新设计思想要可操作性;夹具本身指的是一类零件,它的概念、结构、尺寸根据零件的不同没有定值,它的设计随着零件的改变而改变。那么夹具的创新设计思想就要求能够指导学生面对不同的零件根据装夹当中出现的问题设计不同的夹具,这种设计可以是多样性,不同的学生设计的夹具可能是一样的,但是指导学生去设计的思想是统一的。(3)夹具的创新设计思想要最优化;在职业教学过程中,要贯彻学生设计夹具时注意到夹具的制造过程要易于零件的制作过程。不能出现夹具的加工制造难于或者等同于零件的加工制造,毕竟要让学生明白夹具的真正作用只是辅助于零件的加工,加工夹具不是最终的目的,夹具只是为了使零件易于加工、提高加工精度。一旦出现夹具难于或者等同于零件的加工难度,就会使整个加过程出现死循环,最终无法加工零件或者降低零件的加工精度。
2 TRIZ理论的概述及运用
2.1 TRIZ理论的概述
TRIZ理论创始于1946年,是由前苏联著名发明家阿利赫舒列尔(G.S.Altshuller)研究并提出。其主要含义就是通过理论的指导解决实际问题,尤其是创新设计过程中出现的问题。1946年阿利赫舒列尔带领自己的研究团队通过对世界上250万件发明专利进行分析总结,提出了一套专门用于创新设计的问题解决理论――TRIZ理论;这种理论思想在当时为前苏联在航天航空、军事等领域的创新发展提供了强有力的理论指导,随着前苏联的解体才逐步让世界了解了TRIZ理论原理
TRIZ理论来源于实践又应用于实践,这正好唯物辩证的印证了马克思列宁主义最基本的思想――实践是检验真理的唯一标准。TRIZ理论提供了创新设计的基本思想、设计法则以及设计过程中问题解决途径。人们通过运用掌握TRIZ理论中的设计思想结合实际问题,正确选择使用问题解决工具就可以高效率得进行创新设计。
TRIZ理论的基本思想是指任何一个简单或者复杂的系统,都遵循其客观发展规律,同时也都是通过解决一个个小问题最终得到。而且这些小问题的解决都是通过各种模块组合而成。那么要解决这些小问题,TRIZ理论就提出各种解决方法和工具,其中包括:矛盾矩阵和创新原理、物质场分析模型和76个标准解、创新问题解决算法(ARIZ)、科学和技术效应库;TRIZ提出创新问题中的40个发明原理,包括分割、分离、嵌套等基本原理。在技术系统设计的过程中,TRIZ理论分析了包括运动物体的质量、速度、力等39个工程参数之间的关系,为创新设计过程创造出最优化设计的捷径。
2.2 TRIZ理论的运用
在前苏联时期,二战后TRIZ理论为苏联的的科技的发展奠定了坚实的理论基础,提高了苏联的工业的发展创新能力。当时,苏联的大多数的科学技术的成果都离不开TRIZ理论的指导,为苏联跻身于超级大国立下了汗马功劳。苏联解体之后,随着技术的解封,TRIZ理论传入了西方国家,西方国家对TRIZ理论进行剖析以及不断完善,也逐步将该理论运用于其工业领域,首先、在航天航空领域,飞机的创新设计制造过程,包括飞机的发动机的设计制造、火箭发动机的设计制造等;其次,在军事领域,作战用的枪支、舰艇已经坦克火炮等的创新设计;最后,在民用领域,包括软件的开发、计算机辅助设计以及计算机辅助制造的创新过程等。
3 夹具的创新设计
针对职业学校中的实践教学过程,为了提高学生的创新生产能力,通过尝试探索逐步将TRIZ理论的原理与方法引入教学过程。让学生掌握TRIZ理论的基本思想以及创新方法。根据职业学生的认知能力以及知识储备等因素,选择易于去思考的零件供学生设计。
在职业学校里数控车削的教学内容里,主要是要求学生掌握内(外)轮廓以及钻孔、镗孔加工的工艺过程。该次就以高脚酒杯为例,如图1。
加工工艺分为左右两边加工,先从右向左加工,加工完成酒杯的右边基本轮廓之后需要二次装夹加工左侧端面,左侧端面要求有一定的表面粗糙度。对于酒杯的二次装夹就是摆在学生加工中需要解决的主要问题了,此时酒杯的右边内外轮廓已经加工完毕,基本属于薄壁件了,不能直接装夹容易使轮廓发生变形,而且右侧轮廓属于曲面。不易于车床卡盘装夹。此时就是考察学生如何去解决加工问题。有同学提出放弃左侧端面的表面要求,直接采用切断刀具在加工完右侧端面后直接切断,在切断的过程中完成左侧端面的表面粗糙度的要求。学生进过尝试后,发现切断刀在切断的过程中,左侧的端面无法达到设计过程中表面粗糙度的要求,并且切断刀在切断后酒杯的左侧面会遗留下直径2 mm、长度4 mm的圆柱凸起,这种方法根据无法解决最终酒杯的加工问题。
教师通过引导灌输将TRIZ理论引进加工过程,让学生去学习了解该理论的原理和思想。学生通过对TRIZ理论的掌握,运用该理论中的设计思想中的矛盾矩阵,对此次加工中问题进行分析,最终决定设计专用夹具进行二次装夹对酒杯的左侧端面进行车削加工,以此达到最终的工件的基本精度要求。紧接着学生又通过工程参数的探索,对夹具提出新的要求,要求夹具本身(1)易于加工;(2)易于装拆;(3)夹具要有一定的可靠性;(4)装夹过程对酒杯没有影响。根据提出的要求,学生参照TRIZ理论给出的76个标准解以及创新问题解决算法对该夹具进行创新性设计,设计出如图2所示酒杯的夹具。
这种夹具的设计就解决了酒杯二次装夹的过程中所出现的一系列的问题,并且也达到了夹具设计的基本要求。学生很快通过车削加工以及线切割加工制作出如图2所示的夹具。并且也完成了酒杯的左侧端面的加工。酒杯二次装夹的效果图如图3所示。
4 综述
教师通过学生对一次实训课程中零件加工过程中所遇到的二次装夹的问题的引导解决,向学生讲授介绍了TRIZ理论的思想原理以及运用方法,让学生充分掌握了该理论在加工过程中出现二次装夹的情况下夹具的创新设计思想。学生通^学习与了解,能够辩证唯物的将该理论运用与接下来的几周实训课程中。教师还会接下来进一步地将该理论运用在机械设计过程的零件设计之中,培养学生实践创新能力,将这种能力运用与未来的实际生产加工当中。
参考文献
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【关键词】机械设计;课程;创新能力培养
0.前言
创新是一个民族的灵魂,是人类社会发展的不竭动力,自19世纪工业革命以来,创新推动着机械工业不断发展。特别是近十余年来,包括信息科技在内的高新科技与传统机械科技的融合,形成了新的概念与思想、新的结构与功能,新产品新工艺不断涌现。机械工业的进步促进了机械工程学科的创新与发展,同时对机械工程教育提出严峻的挑战。在我国,高职院校机械类专业均开设了《机械设计》课程,它为一般的机械类产品设计提供了基本原理和设计方法,而设计原理、设计方法的创新同产品综合性能的创新是一脉相承。因此,对于机械类大学生而言,如何在课程教学中加强创新意识、创新思维、创新知识、创新人格的培养就体现的尤为重要。本文将分析目前高职院校机械设计创新教育存在的问题,通过创新教学思想、创新理论教学内容、创新实践教学内容和创新综合课程设计等,对培养学生创新能力进行了有益的探索。
1.目前高职院校《机械设计》创新教育存在的问题
1.1教学方法与手段方面
随着科学技术的日益发展,提倡在教学中充分利用多媒体技术的背景下,受教育资源等客观因素的影响,相当一部分学校的《机械设计》课程教学仍处于传统的教学模式中,即教师借助于挂图、简易的实物模型等来说明机械的工作原理、结构、设计理论与计算方法。由于教师语言的表达能力的差异和学生知识水平的参差不齐,这种教学方式很难达到教与学的共鸣,理论与实践的严重脱节,部分学生听完也只能知其然但不知其所以然,导致学生在下面被动听的应试教育,把设计看作是自己遥遥不可及的顶点,甚至认为和自己没有关系,被动学习,没有创新意识。
1.2人才培养的目标不明确,影响创新教育
教学目标是教学的灵魂,教学要以目标为起点,又要以目标为归缩。我国在很早就提出建设创新型国家,所以高等学校都具有培养创新型人才的重任,即把培养具有创新精神和实践能力作为重要的质量目标,重点是提高学生的发展能力。什么是学生的发展能力?我们认为它应该具备适应社会发展需要,既适应当前又适应未来的能力,而一些专业教师对当前经济发展状况和未来趋势陌生,对企业发展人才需求及岗位能力要求缺乏应有了解,对企业技术进步和科技发展前沿、新技术应用缺乏足够的了解、认识和掌握,缺乏实践经验等,这些因素往往会造成他们对所承担的专业教学培养目标定位不准,从而也就无创新能力教育可谈。
1.3教学内容的选择不合理,忽视学生创新能力的培养
目前,我国的高等教育由精英教育转变为大众教育,高职生源素质有了很大的变化,其高考文化成绩大都位于考生群体的中间层,逻辑思维智能优势不突出;另一方面随着社会发展与科学技术进步,新技术、新工艺不断涌现,催生了特殊功能的零件,出现了许多新的设计理念和设计方法,特别是计算机辅助设计。因此在教学中应适当增加新知识、新方法和新理论。
1.4客观条件的利用和创造存在局限性
虽然有的学生具有创新动机,能积极寻找新的学习方法,但由于学校创造性学习条件的局限以及学生自身不善于利用学校的现有条件,缺乏向知识经验丰富的老师或同学请教的勇气,往往不能把握本学科最新发展的动态和相关学科知识的横向关系,由此制约了学生创新能力的进一步发展。
2.本课程教学中创新能力培养思路
2.1教学思想的创新
2.1.1教师要有强烈的创新意识
自古以来,我国教师的职责被限定为“传道,授业,解惑”,它对教师所持的“以传授知识为中心”的教学观念,有着根深蒂固的影响。如果教师本身缺乏对认知理论的学习和研究,自身没有建立起创新教育的意识,对学生创造性天赋和行为所表现出来的个性特征了解的十分有限,缺少促进学生创造性思维发展所需的具体教学策略和技能。只停留于替学生“解惑”,而没有让学生学会和掌握“解惑”。一个创新精神、创新能力方面的欠缺的老师,如何对学生所进行创新能力教育。
2.1.2创新能力的培养作为《机械设计》教学的一个重要目的
传统的课程教学的目标只是要求学生掌握,机械零件设计的基本原理和基本方法。创新教育只是作为其中一个内容而非目的。实践证明培养学生的创新能力比单纯让学生掌握机械设计的基本知识更为重要。机械设计理论和方法是机械创新的基础,而创新能力是学生进行机械创造活动的出发点和内在动力。这就需要把对学生创新能力的培养与正常的教学活动有机的融为一体。需要把这两者都作为教学目标进行考核和评估。
2.2创新理论教学,培养学生创新能力
2.2.1构建有利于培养学生创新能力的课程教学内容
传统的机械设计课程是以工作原理—常见类型—失效形式—结构的合理设计—参数的合理选择—必要强度、刚度及寿命计算为教学路线,这种教学内容突出是机构分析和机械设计理论,逻辑性较强,但学生一旦遇到工程实际问题就会茫然不知所措,也即解决实际问题能力十分有限,因此我们要改变传统的以机构分析为主线的课程体系,构建以机械设计为主线、创新能力为培养目标、基于工作过程的新课程体系。该体系可将教学内容划分为三大模块十三大项目(如上图),积极采用项目教学法,以工程事例为任务起点,以解决实际问题为归宿,增强教学内容与职业活动之间的联系。新课程体系更加贴合工程实际和人才培养的规律,充分体现了学生设计能力培养的循序渐进性,为学生创新能力的培养建立了一个良好的基础。
关键词:机械工程控制基础;控制论;工程实践能力;教学方法。
中图分类号:G642.0?摇 文献标志码:A ?摇文章编号:1674-9324(2013)05-0081-03 《机械工程控制基础》是上世纪80年代初兴起的一套控制理论,是经典控制理论在机械工程领域中的应用,现已发展成为机械工程专业的一门专业基础必修课[1]。在这门课程的教学之初,我们注重的是理论教学,强调的是课程体系的理论性、系统性和逻辑性,教学形式是以课堂授课为主,教学内容以介绍基本概念和基本原理为主,这使学生初步领略到控制论的深奥,也领会到控制论的缜密性、逻辑性和系统性。但是,由于学生有限的数理基础和机械工程专业背景,普遍感受到课程内容抽象,而且理论性太强,导致了学生对这门课程普遍感觉学习难、作业难、实践难[2,3]。我们在教学过程中不断探索,不断积累经验,逐渐体会到在《机械工程控制基础》这门课程教学过程中,应该做到将抽象的内容具体化,将无形的理论有形化,将缜密的证明过程简单化,在坚持“知识点够用、典型案例恰当、实践环节有效”的原则下,不断完善教学计划,及时调整教学方法,不断更新教学内容,在保证介绍基本概念、基本原理和基本方法的前提下,注重知识的应用,强化学生的工程背景知识,培养学生的实践操作能力,用控制论的思维方式分析问题、解决问题,为此在教学过程中应在以下六个方面下功夫[4,5]。
一、基于学过的理论培养学生的抽象思维能力和逻辑分析能力
《机械工程控制基础》是应用数学手段,基于物理学、电工电子学、力学、机械原理等知识建立的系统数学模型,将机电液系统抽象为数学模型的形式,进行性能分析和设计计算。因此,要求本专业的学生具有良好的数学、物理、力学、电学、机械学的基础,有一定的机械工程方面的专业知识,而且具备多学科的知识积累。要想学好这门课程,学生首先要有一定的数学基础,具备复数、复变函数、拉氏正逆变换、傅氏正逆变换的基本概念和基本运算定理。如果学生之前没有学习过工程数学,这里需要有针对性地补充与本课程直接相关的知识,尽量做到教会学生怎样应用定义、定理,而不是定理的证明过程。有些涉及到物理学、电工电子学、力学的知识,学生们虽然学过相关课程,但是时间一长就印象不深刻了,因此,在每次课程结束之前把下次课程用到的有关知识点给学生一一列出,让学生课后提前复习已学过的基础知识,在下次上课时只需对要用到的基础知识作些简单的提示或回顾,在旧知识与新知识之间架起一座桥梁,新旧知识有效衔接,达到事半功倍的效果。例如在“系统建模”这章中,用到“基尔霍夫定律”等知识,在“系统时域性能分析”这章中用到“一阶微分方程”和“二阶微分方程的求解”等知识。这时老师要及时提醒学生,或者点到为止地重复这部分内容,这样学生在建立数学模型时就会很清楚地知道这些数学模型是建立在哪些理论基础之上,并且知道如何应用原来学过的定理或定律去分析问题、解决问题,构建一个完备的知识框架,也能够从中体会到原来各门学科之间是相互联系、相互衔接的,只有融会才能贯通,学生自然逻辑清晰,分析能力自然也就提高了。
二、将生活中的典型实例引入到课程的讲解过程中,培养学生发现问题、分析问题的能力
减少抽象模型例题,增加生活实例和机械工程典型案例,同时把机械领域的前沿课题以及研究结果作为实例引入到教材之中。例如在讲解“时域性能分析”这章中的“二阶振荡环节的时域响应”这部分内容时,涉及到振动频率、系统激励、系统响应、响应幅值的概念,将货郎担振动现象作为典型实例。货郎行走就是系统激励,货郎担的上下振动就是系统响应,振动的大小就是振动幅值。不同材质、不同尺寸、不同截面形状的货郎担振动的频率就不同,如果货郎行走的频率与货郎担的频率一致,这样就发生共振,货物按照货郎行走的频率,在随着货郎向前运动的同时,做上下振动,这样货郎挑着货物就省力,这也是人们不把货郎担做得太硬,而是有一定的弹性的原因。例如在二阶欠阻尼系统中介绍无阻尼固有频率、有阻尼固有频率和阻尼系数等概念时,列举行驶在马路上的汽车发生上下颠簸的现象。汽车底盘下都有减振弹簧和阻尼器,目的是为了降低由于路面起伏引起的车体上下振动的问题。如果弹簧太硬、阻尼系数太小就起不到减振的作用;如果弹簧太软、阻尼系数太小,消振就会很慢,在路面没有起伏的情况下,车体还会振动。因此,要设计、计算汽车的减振弹簧和阻尼器参数,使汽车有合理的振动频率和阻尼比,以及得到缓冲减振的效果,同时,还要避免汽车振动频率与路面起伏频率相一致的情况。因此,在课上要介绍从具体生活实例或工程实例到各个环节模型,最后到数学模型的过程,培养学生从具体实例到数学模型的建模能力。
三、将抽象的内容具体化、实践化、工程化
控制理论中大部分定义、理论和方法都是比较抽象的,在教学过程中如果仅限于理论的介绍和论述,学生不仅会感觉空洞乏味,而且有“无本之木,无源之水”的感觉。如果教师能够结合一些具体而又形象的例子,就会产生事半功倍的效果。例如在系统的稳定性这一章中,系统的稳定性是这样描述的:系统稳定性是指系统在初始状态,或者是输入引起的初始状态的影响下,由它所引起的系统的时间响应随时间推移,逐渐衰减并趋向于零。系统不稳定性的定义是:系统在初始状态的影响下,由它所引起的系统的时间响应随时间推移而发散。教师要花很多时间解释概念的内涵和外延,可是学生还没有直观形象的感觉。每当讲到系统稳定性和不稳定性定义的时候,我们就列举两个实例,一个是倒立摆试验台,一个是起重机的起升机构的末端部分――钢丝绳、吊钩和货物组成的正摆机构。倒立摆源于火箭发射瞬间的状态,是一种不稳定的系统通过稳定控制手段,使其稳定倒立的一个典型教学实例;而起重机载荷摆动是在受到外界干扰作用下在铅垂方向附近摆动,最终在空气阻力作用下恢复到铅垂方向,这个铅垂方向就是它的平衡位置。倒立摆的平衡位置是铅垂向上的位置,如果在外界干扰作用下离开平衡位置,在无外力作用的情况下就再也无法恢复到它的平衡位置了。通过这两个工程实例形象直观地介绍了系统稳定性与不稳定性这两个抽象的概念。
四、强化学生机械工程专业背景知识
从培养学生系统的理论知识、综合应用理论的能力和提高工程素质的目标出发,依据教学大纲,对课程内容进行整合优化,注重理论与工程实践相结合、经典内容与技术发展前沿相结合,充分体现经典控制论在机械工程中的应用。从生产、科研中提炼代表性的实例,例如程序控制系统以绣花机为例,由于在绣花机里预先编写了程序,所以绣花机根据程序运行,才能绣出美丽的图案。雷达跟踪系统是随动系统代表性的工程案例。恒温室是自动调节系统,无论外界环境温度如何变化,都能保持室内温度恒定。步进电机是典型的开环控制系统,所以有可能出现失步现象,但成本低,维修方便。数控机床伺服进给系统能精确定位,这是由于有反馈环节的作用,是闭环系统的典型工程案例。将这些代表性的工程案例贯穿于整个授课过程中,强化学生机械工程专业的工程背景知识,从中悟出机器运动的本质是运动控制的结果,体会到理论源于实践,又服务于实践的真理,理论与实践相辅相成、不可分割。
五、培养学生的实践动手能力
调整实验教学计划,更新与优化现有的实验教学内容,改变实验教学从属于理论教学的现状,制订独立的实验教学计划和实验教学大纲,针对每一章节的课程内容设计实验项目,编写与教材相配套的实验指导书,减少演示型、验证型实验项目,增加综合型、设计型实验项目。学生根据实验指导书进行实验,通过实验加深理解和验证所学的理论知识。
在完成正常课程的基本实验外进一步开放实验室,为学生提供一定数量的课外实验选题,鼓励学生加入教师的科研团队,参与教师的科研活动,同时,为学生自带课题及课外科技创新活动提供技术支持,培养学生动手操作能力和应用开发能力。指导学生根据自己对知识的掌握程度,在机电液控制系统实验平台上搭建实验系统,模拟典型工程案例和科研课题,对系统的性能进行实验研究,整理实验数据,分析系统参数对系统性能的影响规律,评价系统性能,然后根据所学理论知识设计控制策略,进行系统性能校正,达到期望的性能指标,培养学生的实践设计和动手操作能力。
通过学习Matlab软件编程、Simulink软件包以及工具箱的基本理论知识和基本操作知识,从简单的典型环节着手,尝试着用计算机模拟计算每一章节的习题,然后再模拟开环系统和闭环系统的设计及其性能分析方法,熟练掌握系统数学建模、时域性能分析、频域性能分析、稳定性分析、性能校正的计算机仿真方法。同时,进一步进行机电控制系统的数学建模、创新设计、性能分析,尝试用Matlab软件编程或Simulink软件包进行复杂机电控制系统的创新设计,培养学生的计算机辅助设计能力。
六、培养学生用控制论解决工程实践问题的能力
要实现机器运动可以通过机构驱动的方式,也可以通过控制手段,还可以通过机构与控制系统相结合的方式。不同的机器具有不同的固有特性,只有在掌握了其动力学特性的基础上,才能确定驱动方案,其中必有一种方案是最佳的。学生在机械原理课程中学习了各种机构,掌握了机构的运动规律。而本课程教会学生除了应用机构驱动机器外,还可以应用控制手段实现机器更加复杂的运动,培养学生如何将经典控制论应用于机械工程实践中,根据“时域性能分析和频域性能分析”的知识分析系统的动态性能,根据“系统性能校正”的知识设计控制系统,改变系统的运动特性,达到期望的运动目标。
七、结论
在《机械工程控制基础》的教学过程中,首先要培养学生的抽象思维能力和逻辑分析能力,通过生活实例和典型工程案例巧妙地将课程的基本理论与工程实践有机地结合起来,变空洞的理论具体化、实践化、工程化,激发学生的学习兴趣,通过强化机械工程专业背景知识,加强实验教学、计算机模拟仿真、综合实验周训练等教学环节,培养学生用经典控制论的方法去解决机械工程领域的实践问题,使该课程逐渐成为广受学生欢迎的实用性较强的一门专业基础课程。
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关键词: 高职高专数控技术专业 《机械设计基础》 教学方法 课程教学设计 教学改革
《机械设计基础》是高职高专数控技术专业必修的一门主干职业基础课。数控技术专业学生就业领域主要面向制造业,主要就业岗位(群)是数控机床的操作、编程、工艺规程编制与实施;相近就业岗位(群)是生产管理等。本课程的先修职业基础课程为机械制图、计算机绘图、工程力学、金属材料与成型工艺,并进行了金工实习。后续课程为有机械制造技术、液压与气动技术等职业技术课程。本课程为学生毕业后从事上述工作岗位打下坚实的基础,对学生完成整个专业的学习,起到承上启下的重要作用,是学生获得职业基础能力的桥梁与纽带,因此教好本课程具有十分重要的意义。
1.课程教学目标
本课程使学生掌握常用机构与通用零件的基本原理、性能特点、使用、维护的基础知识和设计方法,培养学生具备选用、维护和改造简单传动装置及零部件的初步能力,培养学生正确的设计思想与严谨的工作作风。《机械设计基础》课程与实践联系非常紧密,学生毕业后走向工作岗位做实际工作,参与设备的论证、预研制、改造或维修的工作,难免做设计一类的工作,接触到各式各样的运动机构或各种通用零部件,课程的学习为将来的职业发展奠定了基础。
2.课程内容分析和课时分配
2.1本课程主要包括两方面的内容。
在机械设计的基本知识和机械中常用的机构包括平面连杆机构、凸轮机构、间隙运动机构、齿轮系;机械传动包括螺纹连接与螺旋传动、带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动。通用零部件包括轴和轴毂连接、轴承、其他常用零部件,并简要介绍了国家标准。
2.2课时分配。
根据教学大纲,本课程总共70个教学课时,其中机械设计的基本知识部分占12个课时,在机械中常用机构部分占22课时,机械传动部分占23课时,通用零部件部分占13课时。
教师在制订具体的教学进度计划时,须安排四次观察与认知实验配合教学,每次实验占用2课时,共8个课时。第一次为综合性认知实验,第二次重点是常用机构的认知实验,第三次重点是机械传动的认知实验,第四次重点是通用零部件的认知实验。
3.教学设计与实施
3.1学情分析。
3.1.1不利条件
目前高职高专学生入学分数较低,理论基础较差,学习的积极性、主动性不强,缺乏抽象思维,自律性差。
3.1.2有利条件
根据数控技术专业教学计划,本课程开在第三学期,在学完了《机械制图》、《计算机绘图》、《工程力学》、《金属材料与成型工艺》,并进行了金工实习和数控机床认识实习之后,学生已经具备了比较扎实的力学、制图、金工、材料等先修课程的良好基础,具备了一定的识图、计算能力,对生产实践有了初步的了解,为本课程的学习奠定了一定的基础,且学生好奇心强,容易被新鲜事物吸引。
3.2课程特点。
在本课程中各章相对独立性较强,学生一接触本课程,就会产生“没有系统性”、“逻辑性差”等错觉,因此为本课程的教学带来一定的难度。然而在本课程中,虽然不同的研究对象涉及的理论基础不同,相互没有多大的联系,但最终的研究目的只有一个,即设计出能够应用的机构、零件等。
根据以上分析,本课程的教学中心为机构和零件的原理及选择,教学的重点和难点是培养学生的独立思考和设计能力。
3.3教学模式、教法选择和师资条件。
3.3.1教学模式
本课程教学可采用“文字教材、多媒体教材、机械原理与机械零件的实物观察实验和学习指导”四位一体模式。
文字教材是本课程教学的基本指南,教学内容符合本课程教学大纲的要求,但其内容不能代替多媒体一体化全部教学内容,特别是涉及生产实际、感性认知、形象思维等方面,必须有多媒体教材补充。
多媒体教材内容包括各章节基本内容的讲解、归纳,重难点内容的专题讲解,现场录像教学,动画及图表、图形的形象演绎等。借助于计算机图形学技术和多媒体技术,加强直观性教学,做到教学内容直观形象。
机械原理与机械零件的实物观察实验:通过机械中常用机构与通用零部件的实物或模型展示,并借助电脑控制技术系统形象地解说,增强真实感,身临其境,提高学习兴趣、降低学习难度。
学习指导主要包括各章节的基本要求、学习指导、典型例题、习题提示和自我测验。
3.3.2教法选择
教师在本课程的教学过程中,供选择的教学方法有很多种,可以灵活地加以串用或并用。
3.3.2.1讲授法教学。对于机械设计的基本知识、涉及设计计算部分的教学主要采用讲授法。例如对于“定轴轮系传动比”计算公式的推导,以讲授为主,课件感知引导为辅。讲授法可使学生在有限时间内尽快地掌握新知识,加深理解。
3.3.2.2演示法教学。对于常用机构、机械传动和通用零部件的基本原理、基本知识部分的教学,以演示法教学为主,讲授引导为辅。在多媒体演示和实物模型演示的过程中,通过提问和讨论的方式让学生主动、思考,在直接观察中分析问题,增强感性认识,从而突破难点。
3.3.2.3压力教学法。对于应知应会的基本知识、重点内容,通过课堂提问和让学生上黑板做题等方式,人为地给学生制造一些学习压力,有利于知识的掌握、消化和吸收。
例如:在讲《螺纹连接和螺旋传动》这一章中,螺纹的类型、特点和参数,常用螺纹连接(螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接和坚定螺钉连接)的基本特点和选用等基本知识可用提问的方式加以巩固;在平面机构自由度的计算、标准直齿圆柱齿轮外形尺寸的计算、齿轮系传动比的计算等教学过程中,在公式和典型例题讲解之后,出几道典型习题,让学生集体思考,并让几名学生上黑板计算,再让其他学生纠错,最后老师讲解。这样可提高学生的注意力,增强教学效果,也可作为对学生考核的一部分。
3.3.2.4讨论法。积极开展师生的双向互动活动,调动学生的学习主动性和积极性,培养学生举一反三和综合运用所学知识的能力。例如:在机械传动的设计常用机构和通用零部件的选用的教学中,老师提出问题,让大家开展讨论,可大大增强学生的学习兴趣。
3.3.3教学条件和师资力量
3.3.3.1我院拥有充足的供教学使用的多媒体教室,主教学楼28间,实训楼10间,信息大楼计算机教室10间。
3.3.3.2可供数控技术专业学生实训的实训室有钳工实训室、车工实训室、数控实训室、数控仿真实训室、机械基础实训室等。
3.3.3.3机械设计基础课程教学团队有专任教师4人、兼课教师2人、外聘教师4人,其中高级职称1人,中级职称9人,均具有丰富的实践和教学经验。
3.4课程教学设计的做法
3.4.1在课堂教学中,可以观看在生活中常见机构和工程运用较广机构的录像片及动画,使学生对该课程萌发浓厚的兴趣,认识其重要性,使他们感觉到机械设计并非遥不可及,通过努力学习就能达到。
3.4.2在教学组织上,根据高职教学的特点,“必需、够用”的原则,强调应用性,可以简化公式的数学推导过程,避免知识内容过深过细。有些推导过程只是为了加深对本概念的记忆,不做掌握要求。把重点放在结论具体应用上,一般性的内容在广度方面适可而止,节约课时用于实践性环节。
3.4.3在每章内容讲解时,不仅要讲清内容和基本原理,而且要通过举例、多媒体教学手段、实物或模型观察实验,讲清其在工作中的用途。
3.4.4每次课后均有思考题和习题,并有课外作业,课后教师定期辅导和答疑,有助于学生抓住课程重点,加深对课程难点内容的复习和理解。
3.4.5在每章或每个单元内容教学完毕后,及时进行阶段性小结,承前启后,让学生对课程的诸多内容有整体认识和系统化意识。
3.4.6为加强重难点的消化吸收,在整个教学过程中阶段性地安排习题课,以学生为主体,以习题为平台,积极开展分组讨论活动。在练习过程中,结合生产实践中的实例,增强学生“举一反三”、“灵活运用”的能力,讲清具体应用的方法,培养学生的实际工作能力,激发学习热情。
3.4.7在教学实践中,应遵循以教师为主导,学生为主体的教学原则,注重对学生能力的培养,采用鼓励式教育,让学生在宽松、愉快的气氛中吸收知识、获取营养。
3.5考核方式和教学效果。
3.5.1考核方式
根据我院“2+1”教学改革和数控技术专业中本课程教学大纲要求,本课程考核类型为“考试”课。平时成绩占50%,包括出勤及课堂纪律占20%、课堂回答问题、作业、平时测验和期中考试占30%;期末考试成绩占50%,主要以闭卷考试的形式进行。
3.5.2教学效果评价
通过学生网上评教、教师评学、学院教学督导员抽查、系部或教研室主任听课、教师相互听课等形式反馈,提出教学建议。通过上课提问、作业批阅、平时测验、期中考试等形式,教师掌握教学效果,适时改进教学的方式、方法。
4.课程教学特色描述
4.1基本思路。
以课程目标为主线,打破传统的课程界限,从实现各专项能力的需要出发,以“必需、够用”为原则组织相应的课程内容并进行必要的教学内容整合,使课程内容服务于目标能力,注重人的思维方式,重点培养创新思维,使学生在学习过程中学习目的明确,学习兴趣浓厚。
4.2教学手段。
本课程在教学中都采用了先进的多媒体教学手段,表现方式上体现了多元化的现代教育技术方法与手段,充分利用现代化教学设备和PPT教学课件,将CAI课件、录像插播片、实物模型及现场参观等多种手段科学组合,使教学形象、生动、高效、学生喜闻乐见。计算机辅助教学的形象化特点和生动性、趣味性大大激发了学生主动学习的积极性,加深了对所学内容的理解,从而提高了整体教学质量和水平,也增加了教学信息量,提高了教学效益。我们的感受是现代教育技术最能在本课程的教学中发挥作用,多媒体手段的采用为教师的教和学生的学大大提供了方便。
4.3教材建设。
从高职教育的特点出发,选用贴合高职院校学生实际的教材,更加突出理论联系实际,有利于学生应用所学知识分析问题、解决实际问题的综合能力,将传统教学方法与现代多媒体教学手段有机结合,扬长避短。
4.4实验和现场参观实习。
以机械设计基础课程教学内容为背景,继金工实习和数控机床的认知实习之后,加强培养学生理论与实际联系和动手能力,开设实验课,并利用业余时间组织学生去工厂现场参观。此外,我们结合课程,积极开展机械设计兴趣小组活动,为学生的创新设计提供了施展才华的舞台。
5.教学改革
5.1在教学上。
5.1.1在课堂讲授之后,创造条件组织学生到工厂参观,观看、分析、讨论各种机器上的各种常用机构和零件。
5.1.2组织学生开展简单典型机构、机器和零部件的设计大赛或开展兴趣小组活动,激发学生的学习热情、培养学习的应用能力和设计兴趣。
5.1.3利用现有的机械原理与机械零件实验室,在学生认知、观察、听取讲解之后,结合实训中的机器和学生日常生活中的机械,理解和掌握课堂内容。
5.2在考核上。
在考核方式上,实行学习阶段的全程性考核制,改变过去的一次性终结考试,成为将阶段性的考核与期末综合考试相结合的办法。
这样有利于教师及时发现教学中的不足并加以改进,减少学生学习的功利性,有利于加强教师对学生的日常学习管理,引导学生掌握良好的学习方法,从根本上改变应试教育制约学风、考风的状况,促进学生良好品质的形成,全方位多角度地准确反映出一个学生的真实成绩和综合能力。
参考文献:
[1]陈立德.机械设计基础.高等教育出版社,2007.8.
针对当前《机械原理》课程设计的教学现状,分析其不足,并基于OBE工程教育理念,对《机械原理》课程设计的教学模式改革进行了探讨并付诸实践。《机械原理》课程设计是机械类各专业学生在学习《机械原理》课程后进行的一个重要的实践性教学环节,其模式的改革为适应新形势下对机械类学生机构选型、机械系统运动方案设计和创新设计能力的培养提供了良好的平台和借鉴,具有重要意义。
关键词:
OBE;工程教育;《机械原理》课程设计
为了推进工程教育改革,促进中国工程教育的国际互认,培养与国际接轨的中国工程师,由专门的职业或行业协会(联合会)、专业学会针对高等教育机构开设了工程类专业实施专门性认证,工程教育认证强调工科专业人才培养质量达到行业提出的基本质量标准要求,是一种合格性评价[1,2]。工程教育专业认证强调的三个核心理念:产出导向(Outcomebasededu-cation,简称OBE)、学生为中心、持续改进,这些理念代表了工程教育改革的方向,是一种先进的教育理念[3]。我国若要成为《华盛顿协议》正式签约组织,就必须基于OBE理念,深化我国的工程教育改革和工程教育认证体制。《机械原理》是机械类专业必修的一门重要的技术基础课,它是研究机械的工作原理、构成原理、设计原理与方法的一门学科,而《机械原理》课程设计是紧随《机械原理》课程之后的实践性教学环节,是《机械原理》课程的延伸[4]。基于OBE工程教育认证的12条毕业能力要求及课程规划,《机械原理》课程设计需培养的主要能力包括:1)掌握工程基础理论知识并能将其应用于工程问题(毕业要求1);2)具有分析和解释数据,得到合理、有效结论的能力(毕业要求2);3)具有综合运用机械设计理论和技术手段设计复杂机械系统、部件和过程的能力(毕业要求3)。本文基于OBE工程教育理念对《机械原理》课程设计课程能力的上述四条要求,结合近年实践经验,阐述我校《机械原理》课程设计改革模式,并为其《机械原理》课程设计改革提供参考。
一、机械传动系统设计能力
《机械原理》内容包括两部分,其一是对现有机构的学习,包括构型分析、运动学和动力学的学习;其二是针对具体任务,利用所学机构学知识,设计传动方案。前者称为分析,后者称为型综合,《机械原理》学习的最终目的,就是要达到型综合的高度,《机械原理》课程设计正是锻炼综合能力的实践教学。遗憾的是,传统的《机械原理》课程设计,体现不出OBE所要求的设计系统的能力,复杂机械系统更无从谈起,因此,改革势在必行。基于OBE教学理念的课程设计改革使设计题目多样化,调动学生设计的积极性而不限制其思维,并且课程设计只提出最终要求而不限制方法,为了让学生在规定的时间内独立完成设计任务,题目不宜太深太复杂,其原则为:题目具有综合性,以运动方案设计为主;题目要覆盖《机械原理》课程的主要内容;题目应结合生产实际,是学生在日常生活、生产实践中所熟悉的;题目的设计结果应包括两到三种基本机构,也允许选用其他常用机构或组合机构;题目要有一定的灵活性和创新性,有利于发挥学生的创造力。在设计题目确定后,需对已选题目提出三种运动方案,并经反复论证,确定一种最佳运动方案进行设计和分析。这种自由选题的模式可大大提高同学的兴趣。设计方案由学生独立提出,经独立地分析、比较后确定最佳方案,以发挥其主观性、创造力,使学生受到一次真实的设计训练,进而提升其机械传动系统设计能力。此外,改革后的课程设计,学生们可以自由组合,每个小组自由选择设计题目,小组成员分工协作,共同完成设计任务。从选题、论证、设计到最后提交设计成果,共同讨论、研究,各自发挥自己的长处,不仅培养了创新意识和创新能力,也使他们体会到团队合作的作用。这也符合OBE培养大纲中工程毕业生个人能力和人际团队能力培养的要求。
二、工程基础理论知识应用能力
传统的《机械原理》课程设计中,方案确定之后,其相关运动参数也随之给定,每个学生需要做的就是绘制机构运动简图,利用图解法和解析法对所选机构的位移、速度、加速度及力进行分析,并绘制机构运动线图和作误差分析,最后编写课程设计说明书。从本质上来说,这样的设计仅能算一次作业,效果并不理想。尽管学生都能按部就班地完成设计任务,但却调动不了学生的设计兴趣,对工程基础理论知识的应用缺乏深刻理解,谈不上对学生的毕业能力的培养。基于OBE教学理念的课程设计改革使设计题目多样化,只提出最终要求而不限制方法,学生可以充分地利用所学的理论知识去解决实际的问题。考虑到《机械原理》课程设计时间较短,教师在《机械原理》课程教学中,需提前做出安排,如现代工具的使用、软件的学习、各种方法的比较、综合性作业安排等。任务的不确定性导致解决方法的多样性。学生需要根据所选择任务,基于所学的机构学知识,甚至查阅相关文献去设计解决方案,当多个设计方案确定后,需要比较各方案的优缺点,必然会深入了解每个所设计的传动方案,最终方案确定后,需对其进行结构、运动学和动力学分析,因有了方案设计的深刻理解,设计的目的已非常清楚,在相应分析时,对方法的选择和掌握自然水到渠成,加深了对所学理论知识的认识,明确了理论知识的实际应用,从而不至感觉学无所用。
三、分析和解释数据能力
在我国的工程教育认证中,第二条毕业要求学生能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理,识别、表达并通过文献研究分析复杂工程问题,以获得有效结论[5]。传统课程设计整个传动方案为教师所指定,分析方法固定,无需学生深入了解,只需按部就班完成画图和分析即可,可见,传统课程设计在第二条毕业能力要求上基本没起到培养作用。改革后的课程设计,从设计任务到设计方案的确定,均需要学生根据具体情况进行分析,然后根据所学知识,自己设计传动方案,并需要通过多方案的比较而得出可行方案。在方案确定后,详细设计传动系统时,需要根据实际任务确定各参数,最后对机构进行分析,并对数据进行误差分析。为了更真实地让学生理解数据的意义和正确性,要求学生对所设计的传动方案进行全部或者部分的搭接实验,通过搭接实物并测量参数,再与理论分析数据进行对比,找出误差存在原因,从而得出相应结论。
四、考核方式的改进
评估学习产出是OBE教育模式中十分重要的环节,如何合理地对各项能力进行客观评价,对课程的改革及持续改进有非常重要的作用,与课程设计所培养能力相对应,《机械原理》课程设计成绩分为四部分:选题成绩、平时成绩、设计成绩及答辩成绩。各部分成绩分值及考核依据如下。选题成绩占总成绩的30%。主要考查设计机械传动系统方案能力。每个团队均需通过PPT形式,结合参考文献查阅或调研情况,对自己团队的设计任务进行说明,根据所定任务设计两到三种机械传动方案,每个方案中必须包含两至三种典型传动机构,并且必须包含四杆以上连杆机构。根据传动方案是否合理、考虑是否周全、有无创新点、是否实用进行综合考核。平时成绩占总成绩的10%,主要依据设计阶段的出勤情况和态度评定,这是设计正常进行的基本保证,也是初步对毕业要求9中个人与团队能力的培养。设计成绩占总成绩的40%,主要评估工程基础理论知识应用能力与分析和解释数据能力,根据所选择分析方法、数据分析的正确性、模型建立、运动仿真、简图绘制等进行评价。答辩成绩占总成绩的20%,各组将集中设计阶段的工作及成果以PPT形式作汇报,主要介绍组员分工及完成情况,组员自评分,搭接视频等,并回答提问,据此评判答辩成绩。通过此类考核方式,对毕业生的能力9(个人与团队)和10(沟通,包括撰写报告和陈述发言、清晰表达或回应指令)也起到初步培养的效果。此外,上述基于OBE工程教育理念的考核方式对教师的教学投入提出很高要求。例如:教师需要投入较多的精力和心血研究繁琐的教学目标分解和教学方法选择,要求其自身具有扎实的专业理论知识、较广博的基础知识面、较强的动手能力及计算机应用能力。对设计中可能出现的各种方案及其特点要有充分认识,能够正确引导学生,使他们经过认真思考和分析比较后,可以选择一个适当的方案。这样才能适应当前实践教学改革和发展的需要,从而有效引导学生积极思考,培养他们的创新能力。
五、结束语
经过近两年的实践,发现根据OBE教学理念改革后的《机械原理》课程设计,为学生机械传动系统设计能力、工程基础理论知识应用能力、分析问题和解决问题的能力以及团队合作和工程实践能力的锻炼和提高提供了很好的平台,并确实取得了较好的效果。然而,OBE工程教学模式是一个系统的工程,无论是在设计内容,还是在设计方法和评估方式上,还有很多需要完善之处,需要进一步的改革和探索,持续改进,以更好地培养学生相应的毕业能力,实现培养与国际接轨的中国工程师的目标。
作者:曾达幸 李飞 侯雨雷 宜亚丽 郑立娟 张芳芳 单位:燕山大学机械工程学院
参考文献:
[1]中国工程教育专业认证委员会.工程教育认证一点通[M].北京:教育科学出版社,2015.
[2]余天佐,刘少雪.从外部评估转向自我改进—美国工程教育专业认证标准EC2000的变革及启示[J].高等工程教育研究,2014,(6):28-34.
[3]顾佩华,胡文龙,林鹏,等.基于“学习产出”(OBE)的工程教育模式———汕头大学的实践与探索[J].高等工程教育研究,2014,(1):27-37.