机械设计多元化实验教学模式研究

　机械设计是一门理论性和实践性较强的专业基础课，而实验教学是本课程教学计划中的重要组成部分。传统机械设计实验教学内容陈旧，教学方法手段落后，缺乏综合性和创新性，学生实验成绩评定方式单一，打击了学生学习的主动性和积极性，影响了学生综合素质和创新能力的提高[1，2]。目前的实验教学条件和教学内容虽然能够满足基本实验教学要求，但对调动学生学习积极性，提高学生学习兴趣，激发学生学习潜能，培养学生创新精神和创新能力还有一定的差距[3，4]。我院机械设计教研室全体教师总结多年的任教经验，贯彻以学生为本的教育理念，融合先进的教学方法和手段，提出了机械设计多元化实验教学模式，以弥补传统实验教学模式存在的不足，从多角度多方位激发学生的学习兴趣和创新潜能。
　　1 机械设计多元化实验教学模式
　　以机械设计理论教学为指导，优化实验教学内容结构，压缩验证性实验教学学时，增加综合性、创新型和研究型实验内容，对不同的实验内容进行优化组合，变单一传统的实验教学模式为多元化实验教学模式，具体执行方案体现在以下几个方面：
　　1.1 制定多层次的实验教学内容
　　根据学生基础知识掌握的差异情况设计不同层次的实验教学内容和相应层次的实验教学目标，并制定相应的考核办法，以激励不同基础层次学生的学习积极性，进而提高实验教学质量和效果。根据高等教育的培养目标和教学大纲要求，构建以基础实验模块、综合创新型实验模块和科研创新型实验模块等不同层次内容的实验教学体系。基础实验模块侧重于机械设计课程基本内容的实验技能训练，是要求学生必须掌握的实验课程和完成学业考核的基本内容。综合创新型实验模块是在基础实验的基础上开设的综合型创新实验项目，侧重于对多个基础知识点的创新结合与综合运用，目的是提高学生解决复杂实际问题的能力。科研创新型实验模块侧重于实验内容的研究性和创新性，强化对多学科知识综合运用和科研创新能力的培养，理论联系实际，拓展学生的创新实践空间，进一步培养学生创新思维能力与实践动手能力。
　　1.2 开展多元化的实验教学形式
　　机械设计传统实验教学模式多以演示性和验证性实验教学内容为主，实验内容单一，缺乏综合性、创新性及研究性，忽视了学科之间知识点的联系和交叉，导致实验教学内容专业面较窄、层次偏低。针对这些情况，我院实施了多元化实验教学形式[3，5]。
　　1.2.1 传统实验教学模式
　　该模式适用于机械设计基础实验模块的实验教学，以演示性和验证性实验内容为主，虽缺乏多学科交叉综合知识内容，但能够满足低层次知识水平学生或低年级学生的实验教学需要。在实验指导教师的演示和指导下，学生在实验室按照实验步骤进行操作，观察并填写实验结果，最后将相应的实验目的、仪器设备、操作过程、实验结果以及统计分析等写入实验报告中，从而学习相关学科知识内容，为实践技能与研究能力的提高奠定基础。
　　1.2.2 综合创新型实验教学模式
　　我院在传统基础实验模块的基础上，对现有的机械设计机构创意组合实验台进行改造，融合机械创新设计、机械原理等课程内容，搭建综合创新实验系统平台，增加多学科知识交叉型综合创新性实验项目，提高学生的学习兴趣和积极性，培养学生的创新意识和创新能力。综合创新实验系统平台包括钳工台、砂轮机、车床、钻床、铣床、机构创新组合实验台、计算机以及各种计算机模拟仿真软件等。学生可以在系统平台上搭建各种综合创新性实验项目，并且可以根据实验需要，自己加工实验系统平台配套零件中没有的特殊零件。通过综合创新性实验系统平台，学生巩固了课堂上所学的理论知识，培养了解决实际问题和实践动手的能力，拓展了综合创新思维能力，提高了机械设计实验教学乃至理论教学效果。
　　1.2.3 开放式实验教学模式
　　学生在掌握基础实验模块和具备综合创新型实验的知识及能力后，会提出一些符合生活需要的设计方案。为了培养学生主动思考和实践动手等多方面的综合能力，我院设立了机械设计开放式实验室，由学生自主提出具有一定科学性和实用价值的实验项目，自行设计实验方案，选择实验仪器设备，独立完成实验操作，最终完成实验报告撰写等工作。开放式实验教学模式有利于启发学生的创新思维，培养其创新意识，提高其创新能力，由于完成类似实验项目必须具备一定的基础知识，这些项目多在高年级学生中开展。同时学生还可以以机械设计开放式实验室为平台，参与如机械创新大赛、电子科技大赛、挑战杯等各类科技活动。另外，开放式实验室的设立，提高了实验仪器设备的利用率，打破了教学大纲和实验学时对实验教学内容的限制，确立了以学生为中心，以学生为主体的教学思想和教育理念，有利于提高学生学习的积极性和主动性，有利于提高学生的实验技能、动手能力和综合创新思维能力[6]。
　1.2.4 虚拟实验教学模式
　　由于实验场地限制、资金相对短缺等原因，学院实验室不能购买较多先进昂贵的实验仪器供学生使用，但虚拟仿真技术、多媒体技术、数据库技术和网络技术等现代科学技术的飞速发展为虚拟实验教学提供了机遇。虚拟实验教学模式以微型计算机为系统支撑，充分利用计算机虚拟仿真等软件技术构建虚拟实验教学平台。在我院CAD/CAM/虚拟仿真实验室，学生在PC客户端进行操作，可以直接调用服务器端实验模块程序进行相关仿真实验操作，甚至可以完成一些在实验设备上难以完成和无法完成的实验项目。虚拟实验教学模式不但能够有效解决实验设备匮乏、实验教学资源不足等问题，还能促进学生与教师、学生与学生之间的在线互动，激发学生的学习兴趣，提高实验教学效果[3]。
　　1.2.5 基于项目驱动的科研创新型实验教学模式
　　目前机械设计传统实验教学内容大多以理解课本基础知识、验证基本原理为目标，与实际应用联系不够密切，学生难以学以致用。为改变这一现状，我院创建了基于项目驱动的科研创新型实验教学模式，将实际生产应用与理论研究相结合，综合运用多个理论知识点内容，精心优选与科学研究课题联系密切的科研创新型项目，驱使学生产生强烈的好奇心、求知欲望和学习热情，充分调动学生的学习积极性，让学生在具体项目协作完成中掌握机械设计的相关知识点、实验操作方法和操作技能。在培养学生实践 动手能力、创新思维能力、理论联系实际、发现问题、分析问题、解决问题能力的同时，其团队协作精神也得到切实锻炼[7]。
　　1.3 多元化的实验教学考核手段
　　为了激发学生的自主学习能力，调动学生的学习积极性，培养其科研创新意识和创新思维能力，结合我院实验教学条件，丰富多元化的机械设计实验教学考核手段[8]，将实验教学和实践教学环节的考核分为三大类：
　　1.3.1 基础实验成绩考核
　　基础实验成绩考核从学生对实验的预习情况、实验目的明确程度、实验操作熟练程度、实验结果正确率、实验报告完成等多方面情况按照百分制进行综合成绩评定。
　　1.3.2 综合创新型实验成绩考核
　　综合创新型实验成绩考核方式与基本型实验成绩考核方式基本相同，但二者占有不同的比重，基础实验成绩占60%，综合创新型实验成绩占40%，权重进行归一化处理。
　　1.3.3 科研创新型实验成绩考核
　　对于科研创新型实验项目，则采取实验综合成绩加分和考核激励相结合的形式进行。科研创新型实验成绩从实验方案、实验过程、实验结果、总结报告和方案的创新性、方法的突破性、结果的实用性、报告的规范性进行综合考核。对完成科研创新项目的学生计科研创新分，并以一定权重计入实验综合成绩，但综合成绩不能超过100分。对于在科研创新型项目中表现优秀的学生，在各类评先评优以及研究生入学等方面给予优先考虑，并根据在科研项目中承担研究内容的重要性和工作量，给予一定的物质奖励或报酬。
　　2 多元化实验教学模式实践效果
　　自推行机械设计多元化实验教学模式以来，我院已在2007级～2012级机械制造及其自动化专业学生中进行探索和实践，并取得了良好效果，主要体现在3个方面：
　　2.1 多层次的实验教学内容和多元化的实验教学考核手段
　　不同层次的实验教学目标和要求能够满足不同层次学生的需要，学生可以根据自己的兴趣爱好进行相应选择，以激励不同基础层次学生学习的积极性。多元化的实验教学考核手段，转变了学生对实验教学的态度，促进了学生主动参与实验的积极性，增强了实验教学的灵活性，提高了实验教学质量和效果。
　　2.2 综合创新型、开放式和虚拟仿真实验教学模式
　　综合创新型实验模式变知识点单一的传统实验教学模式为知识点综合性较强、与实际应用结合紧密的综合创新实验，提升了实验的趣味性，拓展了知识点的涵盖范围。开放式实验教学模式调动了学生对知识探求的积极性，锻炼了学生主动思考和创新思维能力，提高了实验教学的灵活性。虚拟仿真实验教学模式在一定程度上克服了实验教学资源不足等问题，在锻炼学生动手能力和综合实践能力的同时，提高了实验教学效果，同时在一定程度上促进了理论课程的教学。学生在课余时间，利用综合创新、开放式和虚拟仿真实验室资源条件，在实验教师的指导下，多次参与机械创新大赛、仿生机器人大赛和挑战杯等全国性比赛，近三年来获得全国性奖项11项。
　　2.3 基于项目驱动的科研创新型实验模式
　　促进学生由被动完成实验教学内容转变为主动完成实验项目，激发了学生参加科研创新实验项目的兴趣，提高了学生的文献检索能力、综合设计能力、独立操作能力，培养了学生的创新思维和工程应用能力，同时培养了学生的团队协作精神。自2009年采用基于项目驱动的科研创新型实验模式以来，基于该实验模式的学生完成了国家级、省级和校级大学生创新实践项目21项，发表学术论文12篇（含2篇EI检索论文），申请发明专利和实用新型专利22项。
　　3 结束语
　　机械设计多元化实验教学模式是一种新型的实验教学模式，这种模式能够整合实验教学资源，解决传统实验教学模式中存在的问题：一方面，能够改变传统实验教学的单调枯燥性，激发学生的学习兴趣和自主学习能力，培养学生的创新思维能力，尤其是提高学生对机械设计综合科研创新设计的兴趣，有利于提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力；另一方面，降低了教师的实验教学授课强度，更加专注于学生综合能力和科研素质的培养，鼓励学生的个性学习发展以及创新思维意识和创新创造能力的培养，使整个实验教学模式得到充分优化，使机械设计实验教学达到更好的教学效果。
　　参考文献
　　[1] 曾平，曹贵和，程光明.机械设计实验教学改革研究[J].实验技术与管理，2006，23（7）：105-106.
　　[2] 蒋学华，韩虎.机械设计实验教学创新模式探索[J].实验室研究与探索，2008，36（4）：94-96.