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摘要：“机械制造技术基础”课程实验是机械设计制造及其自动化专业重要的实践环节之一，但其体系设置却存在不尽合理之处，影响了其正常功能的发挥。探索与改革“机械制造技术基础”课程实验体系，改进课程结构，加强实验的综合性、设计性与研究探索性，实行开放式实验教学，逐步推行开放实验室制度，加大建模、仿真等软件在实验课程中的应用力度，可提高学生动手与研究探索能力，培养学生的创新意识，达到课程实验教学的目的。
关键词：机械制造技术基础；实验体系改革；开放实验室；三性实验；计算机建模与仿真
作者简介：丁淑辉（1977-），男，山东青州人，山东科技大学机械电子工程学院，讲师；李学艺（1972-），男，湖北巴东人，山东科技大学机械电子工程学院，副教授。（山东 青岛 266510）
基金项目：本文系山东科技大学教育教学研究“群星计划”项目（项目编号：qx0902026、qx102034）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）14-0126-02
一、“机械制造技术基础”课程实验体系现状
“机械制造技术基础”是机械设计制造及其自动化专业最重要的专业课之一，也是其他机械相关专业必修的课程。其实验是验证课程基本原理、认知生产现场、加强学生动手能力、提高学生探索性、与工厂相融合的重要手段。但现今实验课程设置却存在不尽合理之处，影响了其正常实验功能的发挥。其主要问题如下。
1.实验结构不合理
当前本课程开设的实验如表1所示，其中验证性实验占67%，综合性实验占33%，无设计性实验。验证性实验比例过高，而设计性、综合性实验比例过低。
2.实验设备老化，实验技术落后，无法适应当今快速发展的生产技术的需要
本课程实验方法与设备大多继承自原专业设置中的“金属切削原理与刀具”、“金属切削机床”以及“机械制造工艺学”等课程，相对于当今企业中实际应用的技术与装备来说，都已显得陈旧，导致学生不能了解最新设备、掌握最新技术。同时，由于近年高校扩张等原因，多数学校实验设备相对学生数较少，每次实验课容纳学生数较少，不能满足实验课程需要。
3.实验互动性差，学生缺乏积极性
现有实验方式与实验过程均较固定，学生按部就班即可完成，实验过程缺乏互动，无法调动学生积极性。
4.实验研究性与探索性不强
验证性实验其目的主要是通过实验验证课堂讲授基本原理，不能起到培养学生探索精神、提高研究能力的作用。
针对以上问题，本文旨在探索一套“机械制造技术基础”课程新的实验体系与方法，以解决当今实验体系中存在的问题。
二、调整各类实验比例，完善实验体系结构
1.调整实验结构，使验证性、设计性与综合性实验合理分布
在现有实验体系基础上添加一定数量的设计性实验，并提高综合性实验比例，以培养学生创新意识、提高学生综合动手能力。同时保留并加强典型的验证性实验，以保证学生在实验基础上加强对课程基本原理的认识。
2.立足传统，推陈出新，合理搭配传统实验与新实验
对专业课程基础理论与方法掌握的好与坏，直接决定了学生对本课程的把握程度。机械制造领域中的多数理论，均可通过实验验证而使学生产生深刻印象，从而能够深入理解其原理。立足传统实验，强化课程基础理论，就是要继续加强和改善与此相关的实验，使学生能够因此而深入理解和把握课程精髓，从而确保学生掌握本课程基本原理。
同时，随着科学技术的发展，机械制造领域内的新工艺、新设备不断出现，为使学生毕业后可直接应用本学科的前沿知识，在课程中就应扩展教学内容，有重点的兼顾工程实际中已经广泛应用或具有较大发展潜力的新工艺、新设备，添加新的实验项目，以满足日后工程实际需要。
三、开展“三性”实验教学，提高学生动手能力
“三性”实验一般指综合性、设计性和研究探索性实验。[1]综合性实验是指实验内容涉及相关的综合知识，需要学生运用综合的实验方法与手段来完成，此类实验能够培养学生多方面的知识、能力与综合素质。设计性实验是指学生在教师指导下，根据特定实验目的与条件，独立设计实验方案，完成实验并分析、处理实验结果。研究探索性实验是指学生在导师指导下，在自己的研究领域或导师选定的学科方向上，针对特定研究目标所进行的探索性实验，这类实验是教学结合科研的重要形式。[2-4]
传统的验证性实验是为课堂理论教学服务的，实验的主要目的是结合课堂讲授使学生掌握课程基本原理，[5]通过亲自动手操作验证并加深学生对理论的认识，这类实验缺乏培养学生的研究创新能力。为提高学生动手能力，加强学生主动性，进一步启发学生思维，还应加强实验课程的研究探索性，“三性”实验的开设是实现学生创新的重要方法。
四、开展开放式实验教学，逐步推行开放实验室制度
传统实验体制下，大部分实验均为实验员讲述并示范、学生被动接受的模式，实行开放式实验体制，可以为学生创造进入实验室的条件，鼓励学生在实验中学习、创造，以满足当代社会对于开拓型人才的需求。
本课程传统的实验大多以验证性实验为主，实验过程中学生动手操作的范围小、实验的开发性与设计性差、学生的主动思考意识较弱，且投资大、实验过程受实验室规模、设备与学生数量等多方面硬件条件的限制。开放式实验教学是一种介于常规课堂教学与开放实验室之间的教学形式，[6]它兼有课堂授课与实验教学的特点，把原来时间固定、内容固定、分组人员固定的实验教学形式，改革为在实验内容、时间、人员组合基础上，在一定范围内由学生选择的一种实验教学形式。[7-9]良好的开放式实验教学环境和教学条件，可以使学生真正成为实验教学的主体，有利于学生学习积极性和潜能的充分发挥，有利于创新型人才的早期发现和快速成长，有利于学生自主学习和个性化发展，对提高学生动手与思考能力、培养学生综合素质有着十分重要的意义。
开放实验室是开放式教学发展的更高层次，其宗旨就是把实验主动权完全交给学生，实验时间、实验内容以及实验设备完全对学生开放。学生可以根据自己的专业、兴趣与爱好自主地选择实验，或者在课程限定的范围内，发挥个人潜能自主设计实验，制订实验步骤并完成实验。实行开放实验室制度可充分调动学生积极性，激发学习兴趣，培养学生创新意识和创新精神，使学生在实验教学活动中成为学习的主体。
在本课程实验中开展开放式实验教学，可以根据课程实验的内容和特点，利用非实验课时间，设立自主实验，以补充实验课上已做过的实验项目，巩固和加强已学理论。在开放实验室的实验教学形式中，还可进一步发挥学生的主观能动性，利用双休或节假日，在已完成课程必修实验的基础上，综合应用切削原理、刀具、机床、夹具以及工艺等课程内容，开展综合性、设计性、研究探索性实验，让学生自主设计新的实验方案，并自主完成实验过程，以培养学生的创新意识和动手实践能力。
五、以软件代硬件，加大计算机软件仿真在实验教学中的应用力度
计算机建模与仿真技术在机械设计中占有重要地位，几乎所有的产品设计都要经过计算机三维建模、仿真与模拟等阶段。随着计算机软件功能的增强，尤其是三维建模、仿真以及虚拟现实等软件功能的日益强大，许多以前必须使用硬件设备才能完成的实验可以软件的形式在计算机上生动展现出来，其表现效果完全可以达到甚至超过硬件设备。
鉴于计算机软件具有较强的产品与设备建模、机构动作过程仿真、构件有限元分析、系统优化等多方面的功能，把本课程中能够使用软件完成的实验设立为开放式实验项目，在实验中引入计算机建模与仿真技术，使学生通过产品或设备建模、机构运动与工作过程模拟等操作，在实验过程中深刻理解设备基本原理，使复杂问题简单化、理论问题直观化，可以增强实验多样性，扩大实验范围。计算机仿真实验教学将理论问题与实践紧密结合，[10]将课程中较难掌握和理解的重点理论，通过软件仿真形象生动地展现出来，对知识的理解更加透彻，达到实验目的。
由于计算机软件的使用不受时间与地点的限制，利用计算机建模与仿真软件完成的开放式实验，能够以自由、灵活的形式进行。学生可不进入实验室，在计算机房或通过个人的计算机即可随时随地完成实验任务，增强了实验灵活性、提高了学生对实验的兴趣，并能够加深学生对实验内容的理解，极大地提高了实验的设计性和创新性，提高了学生的自主学习能力，实现了课程理论与计算机建模、仿真技术相结合的开放式实践教学，同时提高了学生计算机建模、仿真与模拟等方面的能力。
以计算机建模与仿真软件为主完成的实验尤其适合与设备相关的内容，如“普通车床结构剖析”实验。本实验的目的是通过观察普通车床的床头箱、进给箱、溜板箱等各关键部件，了解车床的工作原理，借此掌握一些典型机构的设计方法。传统实验仅仅是在实验员做简单讲解基础上，学生通过观察、讨论与思考来完成实验。计算机建模与仿真方法的使用，使学生可以结合机床实物与图纸，建立机床零件三维模型、组装并使用仿真软件模拟机床关键工作过程。通过在原实验基础上添加计算机建模与仿真，不但使学生加深了对机构工作原理的理解，还可激发学生兴趣，提高其创新能力。
结合开放实验室制度，使用计算机建模与仿真技术替代实验室硬件设备来开展实验教学，不但可改变以往传统实验中实验员讲述、学生被动接受的模式，鼓励学生在实验中学习、创造，使其在动手过程中解决问题，可大大激发其对实验过程的兴趣，增强实验效果；同时还能够突破实验场地、时间以及硬件条件的限制，引导学生在任何条件下高效地完成实验。
六、改革实施的效果与意义
以上实验课程改革在山东科技大学机械设计制造及其自动化专业进行了小范围的实施与应用，重点进行了以下工作。（1）整合实验结构，删除陈旧实验、添加涉及新工艺、新设备的实验项目。（2）建立开放式实验制度，鼓励学生进入实验室设计并独立完成实验项目。（3）利用Pro/Engineer等三维建模与仿真软件模拟车床床头箱、滚齿机传动系统等机构的工作过程。
通过以上措施的实施，学生对于本课程的兴趣相对于往届有了明显的增强，同时其实践水平也有了较大提高。例如，在2009年的亚洲广播联盟组织的大学生机器人大赛中，学生在机器人零部件的加工与装配过程中，能够与工人师傅进行无障碍交流，并能熟练使用车床、铣床、钻床等常用金属切削机床，最后完成的机器人性能稳定、运行可靠，在全国比赛中进入16强，最终获得优胜奖；在2009年举行的全国三维数字化创新设计大赛中，学生在进行产品详细结构设计时，能够在设计初期便考虑零件加工和组件装配的工艺问题，设计的作品得到了大赛评委的一致认同，取得了一等奖、二等奖各一项的佳绩。
参考文献：
[1]陈语林.创新型“三性”实验教学模式的探索与实践[J].黑龙江高教研究,2005,(1):154-155.
[2]曹中一.“三性”实验的内涵与特征[J].实验室研究与探索,2003,22(4):10-12.
[3]朱群峰,江世明,黄磊.“三性”实验教学模式的探索与实践[J].中国电力教育,2008,(18):132-133.
[4]高进龙.综合性、设计性实验“三位一体”运行模式探讨[J].中国电力教育,2007,(9):92-93.
[5]孙爱晶,刘毓.基于软件仿真的通信原理实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(1):135-137.
[6]陈斌,张晓华.开放式实验教学的实践[J].实验室研究与探索,2005,24(11):110-113.
[7]白云,柴钰.加强开放式实验教学 培养学生的创新能力[J].实验室研究与探索,2010,29(8): 109-112.
[8]王志军.也谈开放式实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(3):98-99.
[9]王晓娜,等.以提高学习能力为导向的开放式实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(7):97-100.
[10]翟红艺.计算机仿真实验教学探讨[J].计算机教育,2010,(13):142-144.
（责任编辑：苏宇嵬）
关键词：机械制造技术基础；实验体系改革；开放实验室；三性实验；计算机建模与仿真
作者简介：丁淑辉（1977-），男，山东青州人，山东科技大学机械电子工程学院，讲师；李学艺（1972-），男，湖北巴东人，山东科技大学机械电子工程学院，副教授。（山东 青岛 266510）
基金项目：本文系山东科技大学教育教学研究“群星计划”项目（项目编号：qx0902026、qx102034）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）14-0126-02
一、“机械制造技术基础”课程实验体系现状
“机械制造技术基础”是机械设计制造及其自动化专业最重要的专业课之一，也是其他机械相关专业必修的课程。其实验是验证课程基本原理、认知生产现场、加强学生动手能力、提高学生探索性、与工厂相融合的重要手段。但现今实验课程设置却存在不尽合理之处，影响了其正常实验功能的发挥。其主要问题如下。
1.实验结构不合理
当前本课程开设的实验如表1所示，其中验证性实验占67%，综合性实验占33%，无设计性实验。验证性实验比例过高，而设计性、综合性实验比例过低。
2.实验设备老化，实验技术落后，无法适应当今快速发展的生产技术的需要
本课程实验方法与设备大多继承自原专业设置中的“金属切削原理与刀具”、“金属切削机床”以及“机械制造工艺学”等课程，相对于当今企业中实际应用的技术与装备来说，都已显得陈旧，导致学生不能了解最新设备、掌握最新技术。同时，由于近年高校扩张等原因，多数学校实验设备相对学生数较少，每次实验课容纳学生数较少，不能满足实验课程需要。
3.实验互动性差，学生缺乏积极性
现有实验方式与实验过程均较固定，学生按部就班即可完成，实验过程缺乏互动，无法调动学生积极性。
4.实验研究性与探索性不强
验证性实验其目的主要是通过实验验证课堂讲授基本原理，不能起到培养学生探索精神、提高研究能力的作用。
针对以上问题，本文旨在探索一套“机械制造技术基础”课程新的实验体系与方法，以解决当今实验体系中存在的问题。
二、调整各类实验比例，完善实验体系结构
1.调整实验结构，使验证性、设计性与综合性实验合理分布
在现有实验体系基础上添加一定数量的设计性实验，并提高综合性实验比例，以培养学生创新意识、提高学生综合动手能力。同时保留并加强典型的验证性实验，以保证学生在实验基础上加强对课程基本原理的认识。
2.立足传统，推陈出新，合理搭配传统实验与新实验
对专业课程基础理论与方法掌握的好与坏，直接决定了学生对本课程的把握程度。机械制造领域中的多数理论，均可通过实验验证而使学生产生深刻印象，从而能够深入理解其原理。立足传统实验，强化课程基础理论，就是要继续加强和改善与此相关的实验，使学生能够因此而深入理解和把握课程精髓，从而确保学生掌握本课程基本原理。
同时，随着科学技术的发展，机械制造领域内的新工艺、新设备不断出现，为使学生毕业后可直接应用本学科的前沿知识，在课程中就应扩展教学内容，有重点的兼顾工程实际中已经广泛应用或具有较大发展潜力的新工艺、新设备，添加新的实验项目，以满足日后工程实际需要。
三、开展“三性”实验教学，提高学生动手能力
“三性”实验一般指综合性、设计性和研究探索性实验。[1]综合性实验是指实验内容涉及相关的综合知识，需要学生运用综合的实验方法与手段来完成，此类实验能够培养学生多方面的知识、能力与综合素质。设计性实验是指学生在教师指导下，根据特定实验目的与条件，独立设计实验方案，完成实验并分析、处理实验结果。研究探索性实验是指学生在导师指导下，在自己的研究领域或导师选定的学科方向上，针对特定研究目标所进行的探索性实验，这类实验是教学结合科研的重要形式。[2-4]
传统的验证性实验是为课堂理论教学服务的，实验的主要目的是结合课堂讲授使学生掌握课程基本原理，[5]通过亲自动手操作验证并加深学生对理论的认识，这类实验缺乏培养学生的研究创新能力。为提高学生动手能力，加强学生主动性，进一步启发学生思维，还应加强实验课程的研究探索性，“三性”实验的开设是实现学生创新的重要方法。
四、开展开放式实验教学，逐步推行开放实验室制度
传统实验体制下，大部分实验均为实验员讲述并示范、学生被动接受的模式，实行开放式实验体制，可以为学生创造进入实验室的条件，鼓励学生在实验中学习、创造，以满足当代社会对于开拓型人才的需求。
本课程传统的实验大多以验证性实验为主，实验过程中学生动手操作的范围小、实验的开发性与设计性差、学生的主动思考意识较弱，且投资大、实验过程受实验室规模、设备与学生数量等多方面硬件条件的限制。开放式实验教学是一种介于常规课堂教学与开放实验室之间的教学形式，[6]它兼有课堂授课与实验教学的特点，把原来时间固定、内容固定、分组人员固定的实验教学形式，改革为在实验内容、时间、人员组合基础上，在一定范围内由学生选择的一种实验教学形式。[7-9]良好的开放式实验教学环境和教学条件，可以使学生真正成为实验教学的主体，有利于学生学习积极性和潜能的充分发挥，有利于创新型人才的早期发现和快速成长，有利于学生自主学习和个性化发展，对提高学生动手与思考能力、培养学生综合素质有着十分重要的意义。
开放实验室是开放式教学发展的更高层次，其宗旨就是把实验主动权完全交给学生，实验时间、实验内容以及实验设备完全对学生开放。学生可以根据自己的专业、兴趣与爱好自主地选择实验，或者在课程限定的范围内，发挥个人潜能自主设计实验，制订实验步骤并完成实验。实行开放实验室制度可充分调动学生积极性，激发学习兴趣，培养学生创新意识和创新精神，使学生在实验教学活动中成为学习的主体。
在本课程实验中开展开放式实验教学，可以根据课程实验的内容和特点，利用非实验课时间，设立自主实验，以补充实验课上已做过的实验项目，巩固和加强已学理论。在开放实验室的实验教学形式中，还可进一步发挥学生的主观能动性，利用双休或节假日，在已完成课程必修实验的基础上，综合应用切削原理、刀具、机床、夹具以及工艺等课程内容，开展综合性、设计性、研究探索性实验，让学生自主设计新的实验方案，并自主完成实验过程，以培养学生的创新意识和动手实践能力。
五、以软件代硬件，加大计算机软件仿真在实验教学中的应用力度
计算机建模与仿真技术在机械设计中占有重要地位，几乎所有的产品设计都要经过计算机三维建模、仿真与模拟等阶段。随着计算机软件功能的增强，尤其是三维建模、仿真以及虚拟现实等软件功能的日益强大，许多以前必须使用硬件设备才能完成的实验可以软件的形式在计算机上生动展现出来，其表现效果完全可以达到甚至超过硬件设备。
鉴于计算机软件具有较强的产品与设备建模、机构动作过程仿真、构件有限元分析、系统优化等多方面的功能，把本课程中能够使用软件完成的实验设立为开放式实验项目，在实验中引入计算机建模与仿真技术，使学生通过产品或设备建模、机构运动与工作过程模拟等操作，在实验过程中深刻理解设备基本原理，使复杂问题简单化、理论问题直观化，可以增强实验多样性，扩大实验范围。计算机仿真实验教学将理论问题与实践紧密结合，[10]将课程中较难掌握和理解的重点理论，通过软件仿真形象生动地展现出来，对知识的理解更加透彻，达到实验目的。
由于计算机软件的使用不受时间与地点的限制，利用计算机建模与仿真软件完成的开放式实验，能够以自由、灵活的形式进行。学生可不进入实验室，在计算机房或通过个人的计算机即可随时随地完成实验任务，增强了实验灵活性、提高了学生对实验的兴趣，并能够加深学生对实验内容的理解，极大地提高了实验的设计性和创新性，提高了学生的自主学习能力，实现了课程理论与计算机建模、仿真技术相结合的开放式实践教学，同时提高了学生计算机建模、仿真与模拟等方面的能力。
以计算机建模与仿真软件为主完成的实验尤其适合与设备相关的内容，如“普通车床结构剖析”实验。本实验的目的是通过观察普通车床的床头箱、进给箱、溜板箱等各关键部件，了解车床的工作原理，借此掌握一些典型机构的设计方法。传统实验仅仅是在实验员做简单讲解基础上，学生通过观察、讨论与思考来完成实验。计算机建模与仿真方法的使用，使学生可以结合机床实物与图纸，建立机床零件三维模型、组装并使用仿真软件模拟机床关键工作过程。通过在原实验基础上添加计算机建模与仿真，不但使学生加深了对机构工作原理的理解，还可激发学生兴趣，提高其创新能力。
结合开放实验室制度，使用计算机建模与仿真技术替代实验室硬件设备来开展实验教学，不但可改变以往传统实验中实验员讲述、学生被动接受的模式，鼓励学生在实验中学习、创造，使其在动手过程中解决问题，可大大激发其对实验过程的兴趣，增强实验效果；同时还能够突破实验场地、时间以及硬件条件的限制，引导学生在任何条件下高效地完成实验。
六、改革实施的效果与意义
以上实验课程改革在山东科技大学机械设计制造及其自动化专业进行了小范围的实施与应用，重点进行了以下工作。（1）整合实验结构，删除陈旧实验、添加涉及新工艺、新设备的实验项目。（2）建立开放式实验制度，鼓励学生进入实验室设计并独立完成实验项目。（3）利用Pro/Engineer等三维建模与仿真软件模拟车床床头箱、滚齿机传动系统等机构的工作过程。
通过以上措施的实施，学生对于本课程的兴趣相对于往届有了明显的增强，同时其实践水平也有了较大提高。例如，在2009年的亚洲广播联盟组织的大学生机器人大赛中，学生在机器人零部件的加工与装配过程中，能够与工人师傅进行无障碍交流，并能熟练使用车床、铣床、钻床等常用金属切削机床，最后完成的机器人性能稳定、运行可靠，在全国比赛中进入16强，最终获得优胜奖；在2009年举行的全国三维数字化创新设计大赛中，学生在进行产品详细结构设计时，能够在设计初期便考虑零件加工和组件装配的工艺问题，设计的作品得到了大赛评委的一致认同，取得了一等奖、二等奖各一项的佳绩。
参考文献：
[1]陈语林.创新型“三性”实验教学模式的探索与实践[J].黑龙江高教研究,2005,(1):154-155.
[2]曹中一.“三性”实验的内涵与特征[J].实验室研究与探索,2003,22(4):10-12.
[3]朱群峰,江世明,黄磊.“三性”实验教学模式的探索与实践[J].中国电力教育,2008,(18):132-133.
[4]高进龙.综合性、设计性实验“三位一体”运行模式探讨[J].中国电力教育,2007,(9):92-93.
[5]孙爱晶,刘毓.基于软件仿真的通信原理实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(1):135-137.
[6]陈斌,张晓华.开放式实验教学的实践[J].实验室研究与探索,2005,24(11):110-113.
[7]白云,柴钰.加强开放式实验教学 培养学生的创新能力[J].实验室研究与探索,2010,29(8): 109-112.
[8]王志军.也谈开放式实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(3):98-99.
[9]王晓娜,等.以提高学习能力为导向的开放式实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(7):97-100.
[10]翟红艺.计算机仿真实验教学探讨[J].计算机教育,2010,(13):142-144.
（责任编辑：苏宇嵬）