劉吉軒，陳雪峰，訾艷陽(yáng)

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械基礎(chǔ)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，西安 710049)

開(kāi)放式創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是創(chuàng)新型人才和卓越工程師培養(yǎng)過(guò)程中不可缺少的重要組成部分。西安交通大學(xué)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是2008年教育部批準(zhǔn)的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)單位，經(jīng)過(guò)四年來(lái)的建設(shè)和發(fā)展，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效等方面已經(jīng)取得了顯著成績(jī)，基本建成了特色鮮明的開(kāi)放式創(chuàng)新型機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，為創(chuàng)新人才和卓越工程師培養(yǎng)創(chuàng)造了良好的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，也為其他兄弟院校，尤其是西北地區(qū)的高校起到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范輻射作用［1－4］。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

西安交通大學(xué)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心本著“總體規(guī)劃、分步實(shí)施、重點(diǎn)突破”的原則，將長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和近期目標(biāo)相結(jié)合、將先進(jìn)性與適用性相結(jié)合、將本科生培養(yǎng)與研究生培養(yǎng)相結(jié)合，在對(duì)各教學(xué)環(huán)節(jié)整體優(yōu)化與提高的基礎(chǔ)上，建立了以現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)、控制技術(shù)、測(cè)試測(cè)量技術(shù)、信息技術(shù)為一體，以設(shè)計(jì)與制造、機(jī)電與控制、測(cè)試與診斷、精度與光電、模具與車(chē)輛等五大模塊為專(zhuān)業(yè)方向，以卓越工程師培養(yǎng)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，以必做、選做和開(kāi)放幾種形式相結(jié)合，以課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、CDIO(Conceive，Design，Implement，Operate)實(shí)驗(yàn)和科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)三層次實(shí)驗(yàn)相互銜接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系如圖1所示［5－7］。

圖1中的8個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(必做)是:《工程制圖與設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用》課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(22學(xué)時(shí)上機(jī)、6學(xué)時(shí)測(cè)繪實(shí)驗(yàn))，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))，《機(jī)械精度設(shè)計(jì)》課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))，《測(cè)試技術(shù)》課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))，《裝備與制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))，《機(jī)械控制工程理論基礎(chǔ)》課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))，《數(shù)控技術(shù)》課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(12學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，4學(xué)時(shí)上機(jī))和《材料成形技術(shù)基礎(chǔ)》課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))。

圖1 三層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

7個(gè)基于CDIO綜合實(shí)驗(yàn)(必選做)是:基于CDIO的《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》綜合實(shí)驗(yàn)，基于CDIO的《CAD/CAE/CAM/NC》綜合實(shí)驗(yàn)，基于 CDIO的《產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》綜合實(shí)驗(yàn)，基于CDIO的《制造工藝規(guī)劃與FMS》綜合實(shí)驗(yàn)，基于CDIO的《設(shè)備控制與故障診斷》綜合實(shí)驗(yàn)，基于CDIO的《典型機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控》綜合實(shí)驗(yàn)和基于CDIO的《模具設(shè)計(jì)與制造工藝》綜合實(shí)驗(yàn)。

20個(gè)科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)(開(kāi)放)是:“機(jī)械設(shè)計(jì)綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”“基于慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型的機(jī)電一體化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”“基于 ADAMS仿真的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”“機(jī)械振動(dòng)與噪聲測(cè)試與分析實(shí)驗(yàn)”“氣動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)與伺服控制實(shí)驗(yàn)”“六自由度機(jī)器人及其在柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”“并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)電系統(tǒng)分析與運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)”“直線倒立擺控制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”“慧魚(yú)組合模型PLC控制實(shí)驗(yàn)”“數(shù)控機(jī)床自動(dòng)編程與加工(CAD/CAM)實(shí)驗(yàn)”“機(jī)械結(jié)構(gòu)靜動(dòng)剛度及模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)”“機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)”“機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”“機(jī)械傳動(dòng)性能測(cè)試與分析實(shí)驗(yàn)”“五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)”“數(shù)控系統(tǒng)定位精度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)”“數(shù)控機(jī)床控制面板設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”“磁懸浮原理實(shí)驗(yàn)儀制作及PID控制”“箱體類(lèi)零件的精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)”和“電動(dòng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷技術(shù)實(shí)驗(yàn)”。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

2.1 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué):自主與示范結(jié)合、講解和互動(dòng)結(jié)合

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)為必做實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)生都必須完成這一層次的實(shí)驗(yàn)，而且必須達(dá)到規(guī)定的實(shí)驗(yàn)要求。通過(guò)完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生能夠加深對(duì)所學(xué)課程基本概念的理解和對(duì)基本原理的掌握。在完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)前，指導(dǎo)教師講解有關(guān)實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)原理，并做一定的示范，然后學(xué)生自己親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，在實(shí)踐操作過(guò)程中掌握實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的基本原理和操作方法，通過(guò)討論互動(dòng)方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使學(xué)生更好地理解和掌握實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)原理;通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的分析，使學(xué)生能夠進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，并注重培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

2.2 CDIO實(shí)驗(yàn)教學(xué):任務(wù)驅(qū)動(dòng)與節(jié)點(diǎn)檢查相結(jié)合

CDIO工程教育模式是以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系和綜合運(yùn)用的方式學(xué)習(xí)工程的理論、技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。為適應(yīng)新形勢(shì)下對(duì)創(chuàng)新型人才和卓越工程師培養(yǎng)的需求，加強(qiáng)學(xué)生的能力和素質(zhì)培養(yǎng)，中心建立了基于CDIO實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。對(duì)于CDIO實(shí)驗(yàn)教學(xué)，首先由教師給定設(shè)計(jì)任務(wù)和要求、并提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和必要的基本原理講解;然后，學(xué)生從資料收集、方案擬訂、設(shè)計(jì)與調(diào)試到撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，主要由學(xué)生自行完成，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的“自主性”;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通常有5～8個(gè)檢查節(jié)點(diǎn)，教師督促檢查學(xué)生完成情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。

2.3 科研創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué):開(kāi)放式、引導(dǎo)式教學(xué)方法

科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是以教學(xué)與科研相融合為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合學(xué)科與科研優(yōu)勢(shì)，做到實(shí)驗(yàn)的時(shí)間開(kāi)放、內(nèi)容開(kāi)放和儀器設(shè)備開(kāi)放，給學(xué)生提供必要的引導(dǎo)，讓學(xué)生在研究和探索中進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考和解決遇到的難題，或通過(guò)團(tuán)隊(duì)小組共同討論提出解決方案，再由教師指導(dǎo)下論證方案可行性，然后再予以實(shí)施。這種基于項(xiàng)目的研究性實(shí)踐學(xué)習(xí)，實(shí)際上是針對(duì)某一優(yōu)勢(shì)研究方向進(jìn)行系統(tǒng)的、完整的科研實(shí)踐訓(xùn)練，極大地提高了學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和平臺(tái)建設(shè)

機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擁有3000 m2的實(shí)驗(yàn)室，其中設(shè)有CAD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械零部件工作能力實(shí)驗(yàn)室、機(jī)器動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室、工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)室、特種加工實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械精度實(shí)驗(yàn)室、測(cè)試與診斷實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械控制實(shí)驗(yàn)室、流體傳動(dòng)與控制實(shí)驗(yàn)室、振動(dòng)與聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室、數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室等23個(gè)實(shí)驗(yàn)室，以及機(jī)械原理陳列室、機(jī)械零部件陳列室、機(jī)器館等。在“211工程”和“985”建設(shè)經(jīng)費(fèi)支持下，形成了集設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試與控制于一體的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖2所示)［1］。

圖2 機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

結(jié)合2010版本科生培養(yǎng)方案的實(shí)施，該中心對(duì)原有的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了更新和深化改革。例如，對(duì)《工程制圖與設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用》大面積機(jī)械基礎(chǔ)課程，除了CAD軟件上機(jī)訓(xùn)練之外，在新版教學(xué)計(jì)劃中增加了6學(xué)時(shí)的機(jī)械零件測(cè)繪實(shí)驗(yàn)，目的是提高學(xué)生對(duì)機(jī)械零部件的工程制圖表達(dá)能力;對(duì)測(cè)試技術(shù)大面積主干課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大膽改革，將原來(lái)的8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)改為16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，增加的8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)是要求學(xué)生選做一個(gè)測(cè)試大綜合實(shí)驗(yàn)，目的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的測(cè)試技術(shù)綜合能力;對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)、機(jī)械控制理論基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)、數(shù)控技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)、機(jī)械精度設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)都做了相應(yīng)改革，并在2012版本科生培養(yǎng)方案中得到了實(shí)施。

開(kāi)發(fā)了20余項(xiàng)開(kāi)放式機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括:“基于慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)”“六自由度工業(yè)機(jī)器人及其在機(jī)械自動(dòng)化中的應(yīng)用”“五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)”“并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)電系統(tǒng)分析與運(yùn)動(dòng)控制”“磁懸浮原理實(shí)驗(yàn)儀制作及PID控制”“慧魚(yú)組合模型PLC控制”“數(shù)控自動(dòng)編程與加工(CAD/CAM)”“基于ADMS機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與分析”和“三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)—箱體類(lèi)零件檢測(cè)”等，為本科生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)和卓越工程師培養(yǎng)提供了可供選做的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效

近幾年來(lái)，有一大批本科生經(jīng)過(guò)在該實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行各個(gè)層次實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程的培養(yǎng)，綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力得到了極大的提高，其中有數(shù)以百計(jì)的本科生在參加國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽、機(jī)器人大賽、航模大賽、數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽等賽事中獲得佳績(jī)。據(jù)不完全完全統(tǒng)計(jì)，獲得的獎(jiǎng)項(xiàng)有:機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽全國(guó)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)10余項(xiàng)，陜西賽區(qū)一等獎(jiǎng)11項(xiàng)，二等獎(jiǎng)20余項(xiàng);全國(guó)機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，一等獎(jiǎng)3項(xiàng);全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽國(guó)家級(jí)一等獎(jiǎng)10名，省級(jí)一等獎(jiǎng)6名，省級(jí)二等獎(jiǎng)22名;參加全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目近30項(xiàng)，西安交大本科生科研訓(xùn)練和實(shí)踐創(chuàng)新基金項(xiàng)目50多項(xiàng);在亞太地區(qū)及全國(guó)機(jī)器人大賽，在全國(guó)航模比賽等重要賽事中也獲得一、二、三等獎(jiǎng)多項(xiàng)。

6 示范輻射作用

近幾年來(lái)，先后接待了包括上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、大連理工大學(xué)、新疆大學(xué)、蘭州交通大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、陜西科技大學(xué)等全國(guó)數(shù)十所高校來(lái)訪參觀和交流;該中心也委派有關(guān)教師前往新疆大學(xué)等高校擔(dān)任主管實(shí)驗(yàn)和教學(xué)的掛職領(lǐng)導(dǎo)，支援這些高校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作;西安交通大學(xué)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)成效得到了其他高校的肯定，也起到了一定的示范輻射作用。

7 結(jié)束語(yǔ)

西安交通大學(xué)機(jī)械基礎(chǔ)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心經(jīng)過(guò)近幾年的建設(shè)，已經(jīng)取得了明顯的建設(shè)效果，為卓越工程師培養(yǎng)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件保障，也為其他兄弟院校提供了可借鑒的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，起到了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范輻射作用。

［1］何正嘉，陳雪峰.西安交通大學(xué)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(6):封三.

［2］邢邦圣，徐勇，李永鋒.機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的實(shí)踐與探索［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(9):92－94.

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