基于机械综合实验的团队项目设计与应用

时间:2019-09-27

　　0 引 言

　　自“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”提出以来，研究创新能力的培养成为了教育界关注的热点，研究型、教学研究型大学正致力于从应试型、知识型、技能型人才培养模式向综合创新型人才培养模式转变。清华大学最先借鉴美国麻省理工学院等大学经验，于 1996 年开始实施了大学生科研训练（ SRT） 计划[1],各高校基于“教学与研究相统一”的研究型教学原则，开展了大学生科技创新活动、Seminar 研讨、Team Project 等大学生科研能力培养模式的探索[2-8].

　　但是，上述大学生研究创新能力的培养主要是通过第二课堂来实现，游离于教学体制之外，参与创新活动人数较少，学生受益面有限[9].在实验教学中通过支持学生自主实验，搞创新设计和实验项目，可以培养学生创新能力和科研素养[11-13].课题组借鉴美国大学Team Project 综合实践教学模式[14-15],自 2005 年起开展了团队教学方法研究[16],依托山东大学国家级机械基础实验教学示范中心，基于机械综合实验，从教学组织、教学内容、考核方式等对大学生科研素质和创新能力进行了培养模式的改革与实践。

　　1 团队教学培养模式

　　为克服体制外第二课堂科技创新活动参与学生人数少的问题，结合山东大学机械设计制造及其自动化专业教学实际情况，在大三教学计划中设置了“机械综合实验与创新设计”必修课，将大学生科研素质和创新能力的培养纳入到体制内第一课堂，并完善了研究性教学的条件和环境，形成了学生团队为主体的科研素质和创新能力培养模式。

　　1. 1 教学组织

　　教学组织形式以综合实验教学项目为载体，以学生团队为单位进行管理和考核，形成以学生为中心、以学生自主学习训练为主、教师启发和指导为辅的团队教学方法。学生团队类似于高校教师的创新群体，但其构建不依学生个体意愿而产生，而是由教师按学生前期相关课程的学习成绩确定。团队成员之间能力应有差异，通过共同完成项目任务，在实践中教学相长，互相学习和帮助，形成团结协作的一个团队，并在完成项目任务的过程中体会互相合作带来的益处。由教师指定团队是为了模拟企业实际，因为大学生毕业后到企业或公司中工作时，他们没有选择所要加入团队的权利，一般是由主管人员指定他们到需要的工作团队，而他们的工作业绩取决于他们能否与团队成员团结协作，发挥各自的特长，共同完成工作任务。为便于教学，学生团队的规模一般由 3 或 4 人组成，并制定完善的动态管理制度，授权团队有权解雇不合作团队成员，也允许个别团队成员从团队中辞职并转投其他团队。

　　完善的团队运行机制是学生团队有效运行的保证。团队不同于小组，对于一个小组来说，整体等于或小于各个个体之和。对于团队来说，整体总是大于个体之和。要把小组转变成有效的团队，首先要明确团队工作方针和形成共同的预期目标。为此，需先签订团队政策声明和团队预期目标协议。团队政策声明用于指导学生团队有效运作、规定成员的角色和责任、明确完成和提交作业的程序、处理不合作成员的策略。签定团队预期目标协议有两个目的： ① 使团队全体成员确定可实现的共同预期目标； ② 作为团队的法律文件，避免成员相互抱怨。

　　1. 2 培养环节

　　机械综合实验与创新设计课程的理论教学为 16学时，综合实验 32 学时，但不局限于 32 学时，可以通过在智能管理的开放实验室预约实验。课堂内教学要详细介绍课程的实施方案，布置可供学生团队选择的综合实验项目，讲解团队政策声明和团队预期目标协议、开题报告、进展报告、工作日志、技术总结报告的撰写和要求。通过项目的确定和实施，实践科研工作的全过程。学生团队按照课程要求，分 3 个阶段完成以下工作。

　　（ 1） 第一阶段，撰写开题报告。围绕选定的综合实验项目，通过资料搜集、阅读和调研，撰写开题报告，指导教师对各团队进行具体的质询和指导。开题报告的主要内容应包括： 立论依据、主要工作内容、研究方案、技术路线、主要特色及创新点、计划进度等。指导教师对团队提交的开题报告进行评阅，判断项目的可行性，指出不足之处，写成具体的评阅意见，学生团队根据指导教师的评阅意见对开题报告进行修改、补充和完善。

　　（ 2） 第二阶段，项目实施。学生团队按照开题报告提出的内容和工作计划，完成项目的工作内容。在项目实施过程中需关注以下工作： ①按照所确定综合实验项目的需要，进行预约实验； ②期中撰写项目的中期进展报告，分层次、列标题表述所开展的工作、取得的进展或遇到的问题，给出必要的数据图表，对照开题报告的工作计划和内容，阐明对内容和计划要点的修改情况； ③在项目执行过程中，要作详细的工作日志。工作日志应包括学生团队组织项目讨论会的时间、地点、参加人员、研讨议题、意见分歧和最终形成的决议。通过工作日志一方面对工作进展及时总结、思考，并记录对解决问题过程中所学新知识与项目的结合，有助于学生理论与实践结合，培养严谨的工作态度并将这种方法形成一种专业素养应用于将来的工作中。工作日志应撰写规范，随时备查，并作为成绩考核依据之一。

　　（ 3） 第三阶段，总结与答辩。在综合实验项目实施完成后，要根据所完成的工作撰写技术总结报告。技术总结报告要求写作规范、层次分明、条目清晰、内容准确、逻辑性强、数据可信，主要结果要能够合理解释，自圆其说。技术总结报告的主要内容包括背景意义、综合实验工作的具体内容及结论、市场前景、社会经济效益、推广应用策略、参考文献、工作体会、意见建议等。在答辩过程中要求制作 PPT,语言流畅，逻辑性强，团队中全体成员集体参加，分阶段轮流讲解。

　　1. 3 考核方式

　　指导教师按照学生团队综合实验项目完成情况以团队为单位确定成绩，团队项目的成绩由 5 部分组成：开题报告（ 15%） ,期中检查报告（ 10%） ,工作日志（ 10%） ,技术总结报告（ 40%） ,答辩（ 25%） .团队项目成绩确定以后，通过团队成员间的相互评议，决定团队每个成员的具体成绩。为培养学生的科研素养和团队协作能力，互评重点为团队成员在团队项目完成中团结协作、互相帮助、承担团队责任与义务方面的情况。团队成员相互评议后，按评议结果，调整团队成员间的成绩差异。

　　2 基于机械综合实验的团队项目设计

　　为达到研究创新能力培养的目的，课题组以国家级机械基础实验教学示范中心为依托，提出了系列的机械综合实验项目供学生团队选择。由于教学对象是大三第六学期的学生，而且必须在一个学期内完成全部工作，综合实验项目以机械基础类为主，并在项目设计时充分考虑项目难度和工作量的大小。

　　2. 1 研究性综合实验

　　该类项目要求学生团队根据项目要求进行建模、理论计算和仿真分析，并通过综合实验结果，验证仿真分析结果和修改完善理论模型，全面培养学生的课题研究和创新能力。该类实验项目包括： 滑动轴承综合实验，螺栓组联接实验，滚动轴承受载测量实验，润滑油粘度及粘温特性实验，机构运动参数测量实验等。

　　2. 2 创新设计实验

　　该类项目结合工程实际，实现对已有机器设备的消化吸收及创新设计。学生团队需根据示范中心来自于工程实际的机器设备，在对机器设备的认识、测绘、设计、计算和仿真分析的基础上，完成整机的创新设计并绘制图纸，实现原有机器设备的功能。该类实验项目包括： 提斗上料机设计，间歇送料及冲压机设计，曲柄压力机及送料装置设计，步进输送机设计，转位及输送装置设计，机构组合创新设计，机构机器人创新设计，光机电气液压一体化全自动装配生产线功能模块设计等。

　　2. 3 机械系统的搭建及检测实验

　　学生团队根据机械基础实验教学示范中心提供的设备条件，进行机械系统设计，自主搭建机械系统，完成机械系统搭建过程中的装调、检测，并进行所搭建机械系统性能实验。该类实验项目包括： 受翻转力矩螺栓组联接螺栓受力分布测量实验台搭建，机械传动系统创意组合搭建实验等。

　　3 教学实践及效果

　　经过多年的团队教学改革与实践，对团队组成、团队项目设计、教学过程管理和成绩考核等逐步完善，构建了系统的教学体系。参与本课程的大学生积极性很高，大多数学生团队都能按课程很好的完成各环节，现举例说明课程的实施情况。

　　3. 1 滑动轴承综合实验

　　由 3 人组成的一学生团队根据图 1 所示的滑动轴承油膜压力测量实验台，掌握了滑动轴承流体动压润滑油膜的实测原理，自学了 Matlab、Fortran 语言和数值计算方法，按照有限长滑动轴承流体动压润滑问题，编写了滑动轴承流体动压油膜的数值计算程序。通过数值计算获得了实验滑动轴承的三维油膜压力分布（ 见图 2） .图 2 所示油膜压力分布的具体参数为： 轴承宽度 125 mm,轴颈半径 35 mm,轴承半径间隙 0. 02 mm,轴颈转速 100 r/min,润滑油粘度为 0. 34 Pa·s,轴承所受径向载荷 200 N.根据图 2 所示的三维油膜压力分布，可获得轴承对称面周向压力分布和轴承轴向压力分布，并与实验结果比较，分析误差产生原因，修改完善理论分析和实验方案。在此基础上，该学生团队进一步在较大参数范围内对实验滑动轴承润滑性能进行了数值分析，计算了滑动轴承的流体动压润滑油膜厚度、油膜温度场分布等，计算分析了滑动轴承宽径比、偏心率等结构参数对滑动轴承润滑性能的影响。

　　3. 2 步进输送机创新设计

　　步进输送机广泛应用于自动化生产线。某 4 人组成的学生团队选择对图 3 所示步进输送进行创新设计。通过对图 3 所示的已有设备原型功能认知和了解，并基于 Labview 虚拟仪器软件，采用加速度传感器、电荷放大器、NI 数据采集卡、笔记本电脑等，实测步进输送机工作台的加速度特性。通过对设备原型测绘和机构、结构分析，进行方案设计、关键零件设计计算和有限元分析，并对关键机构的性能分析和 Adams仿真，采用 Solidworks 设计图 4 所示的步进输送机的三维模型，并形成二维工程图纸。学生团队在对原设备中曲柄摇杆与摇杆滑块组成的六杆机构进行运动学和动力学仿真分析时，发现机构存在的不足，创新性地提出采用曲柄导杆与摇杆滑块组成的六杆机构代替，并对两种机构的性能特点进行了对比研究。

　　4 结 语

　　实践出真知，创新无止境。课题组借鉴国际先进经验，利用山东大学国家级机械基础实验教学示范中心的设备条件，进行了基于机械综合实验的团队教学改革与实践。机械综合实验既强调理论研究，又突出工程应用，充分发挥了示范中心的设备优势，盘活了设备资源。对学生团队，既要强调团队协作，又需要发挥个体的主动性和创新意识，不仅需要综合运用前期课程的基础知识，还需要自学必要的新知识。从效果来看，经过此环节，学生团队的科研素养、主动学习能力、书面表达和语言表达能力、分析问题和解决问题的能力得到明显提高。鉴于此，我们将进一步完善教学体系，更新、拓展综合实验项目，培养具有更强竞争力的创新人才。

　　参考文献（ References） :

　　[1] 申 强，苏英华，郭兴启。 关于大学生 SRT 计划的探讨[J]. 教育教学论坛，2013（ 4） : 157-159.SHEN Qiang,SU Ying-hua,GUO Xing-qi. Investigation on universitystudents SRT plans[J]. Education Teaching Forum,2013（ 4） : 157-159.

　　[2] 冯梅琳，何学文，罗小燕，等。 基于 CDIO 理念的测控专业实践教学创新体系[J]. 实验室研究与探索，2014,33（ 3） : 180-184.FENG Mei-lin,HE Xue-wen,LUO Xiao-yan,et al. Research oninnovation system of practical teaching for measurement and controltechnology specialty based on CDIO[J]. Research and Explorationin Laboratory,2014,33（ 3） : 194-197.

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