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摘要:現代機械工程具有復雜性的問題特征，良好的工程教育不僅需要學生扎實地掌握各環節獨立的專業技能，而且必須建立起各環節專業知識的內在聯系，只有這樣才能培養出高素質的機械工程人才。本文圍繞機械加工中典型的零部件齒輪軸，提出了從設計、制造到檢測的全過程成果導向式模塊化實驗教學，將機械專業知識融會貫通，并使其原本的知識內部結構關系得以體現。采用開放式實驗教學模式，有利于培養“過程+結果”新工科應用型技術人才。
關鍵詞:模塊化實驗教學;成果導向;齒輪軸;專業知識交叉融合
1引言
現代工程問題的本質特征復雜［1，2］使得學生不僅要分門別類地掌握各門專業課程的知識，還要建立起不同課程乃至不同學科在本專業中的內在聯系。模塊化教學模式圍繞能力和素質的教育專題，集中開展相關的理論知識、實踐經驗和操作技能的教與學。通過模塊化的實驗教學，可以讓學生從被動學習轉變為主動學習知識，使學生提高對專業知識學習的主動性［3］。人才培養是一個系統工程［4］，是新工科建設的基礎，更新人才培養理念，重構培養目標和知識結構，轉變培養方式是新工科人才培養模式的本質內涵［5］。機械工程作為應用型極強的學科，實驗教學是培養高素質機械工程人才的重要環節［6，7］。將實驗教學和理論講解有機結合，可以達到培養學生基本實驗技能和實際動手能力的目的［8］。針對傳統機械學科實驗教學存在內容分散、孤立、缺乏系統性、關聯性以及作為理論課堂教學的附屬品等現象［9］，機械學科的實驗教學應進行從培養理念到結構設計等一系列自上而下系統性更新和變革，才能滿足新工科人才培養的目標。本文結合機械產品設計、制造與檢測全過程，對機械行業中典型的零部件齒輪軸進行了模塊化實驗教學設計，目的在于將傳統的機械學科導向更新為以成果為導向，將教學模式由“以教師為主體”轉變為“以學生為主體”，以提升機械工程素質教育。
2齒輪軸設計、制造與檢測全過程分析
軸是組成機器的重要零件之一，其主要功能是傳遞運動和轉矩、支撐回轉零件［10］。當齒輪直徑較小時，為保證齒輪和軸的強度，將齒輪和軸設計為一個整體(即采用齒輪軸結構)，齒輪軸的設計可分為齒輪參數設計和軸的參數設計。由于齒輪軸綜合了齒輪和軸這兩種典型零部件，故選擇齒輪軸作為綜合實驗的設計、加工和檢測對象。
2.1齒輪軸設計。齒輪軸設計包括軸系結構設計和齒輪的參數設計、選擇。軸系結構設計中包括軸的材料選擇、軸的結構設計、軸的強度和剛度計算等。其中，對于軸的結構設計，學生需要掌握軸頭及聯軸器的設計、軸承的選型及軸徑的設計，掌握零件在軸上的固定方式，包括幾種常用的軸向固定方式以及周向固定方式，并根據需要合理選擇不同的固定方式，由此設計軸的結構形狀，確定階梯軸各軸段直徑。齒輪設計包括齒輪強度設計準則和齒輪參數的確定。學生需在掌握齒輪強度設計和校核的基礎上，學會確定齒輪設計中的幾個重要參數，如齒數、模數和齒寬等。精度和公差的設計在齒輪和軸系零部件的設計中必不可少，通過齒輪軸的設計，學生可以掌握如何根據要求合理進行軸徑基孔制尺寸公差設計、齒輪齒距精度和齒輪徑向跳動設計、圓柱度和圓跳動公差以及鍵槽寬度表面的對稱度等形位公差的設計。此外，還涉及到尺寸鏈的確定、倒角尺寸以及表面粗糙度等參數的設計。
2.2齒輪軸制造。齒輪軸的加工制造過程涉及到齒輪軸的三維建模、數控編程以及數控加工三個環節。學生需至少學會使用一種三維建模工具(如ProE、Solidworks、UG等)進行建模，自動導出二維圖紙并進行尺寸、公差以及其它技術參數的標注，形成加工制造所需的完整設計圖紙;制定零件加工工藝路線，并由此確定加工工序，合理選擇每一道工序刀具型號，根據加工精度和表面質量合理確定切削用量;熟悉數控編程常用的操作指令，利用三維建模工具導出數控加工程序，或通過分析工藝過程，自行編寫該齒輪軸的加工程序;學習數控機床的基本操作，如對刀、輸入數控程序和使用加工程序進行加工等，以加工出所設計的齒輪軸零件。
2.3齒輪軸的精度檢測。針對加工出的齒輪軸工件進行幾何量公差和表面粗糙度等參數的檢測，檢驗所加工的工件是否符合設計精度要求。學生需根據設計要求，了解測量工具和儀器的測量范圍、測量精度等參數，合理選擇測量工具和儀器。根據測量目的，了解不同測量工具和儀器(如立式光學比較儀、量塊、內徑百分表、光切法顯微鏡、便攜式粗糙度儀、表面粗糙度標準樣塊、外徑千分尺、齒輪周節檢查儀、公法線千分尺和齒輪跳動檢查儀等)的測量原理并掌握其使用方法，規范使用測量工具和儀器進行測量;處理測量數據，得出最終測量結果，通過對比分析測量結果判別是否在相應精度設計的要求范圍內，判斷工件是否符合公差或表面粗糙度等的設計要求。
3齒輪軸的設計、制造與檢測綜合實驗方案設計
采用開放式實驗教學模式，提出齒輪軸設計、制造、檢測各階段的任務目標，學生在規定時間段內分組完成各環節的成果要求，將全過程成果匯總成一份完整的工作說明書。分別根據軸和齒輪的工況提出設計要求，并制定具體的設計參數。進行軸系結構和齒輪參數設計時，要求學生根據設計結構進行三維模型，導出或自行繪制二維圖紙，并進行尺寸、公差和其它技術要求的標注，形成完整的設計圖紙。依據設計方案，通過編制數控加工程序，對工件進行實際加工。確定加工工藝和各加工工序切削用量，選擇各加工工序所需刀具材料和型號，提交完整的數控加工程序。經過實際加工后，提交設計并加工出的齒輪軸零件。對所加工的工件進行尺寸公差、形位公差以及表面粗糙度等精度檢測。根據公差、表面粗糙度等精度設計，選擇合適的測量儀器對加工結果進行檢測，需提交各檢測參數的測量報告和檢測結果，其中包括具體的測量數據和必要的數據處理過程。
4有機融合知識點
工程教育所設專業課程是獨立的，但專業知識和技能卻是連貫、互相交叉并有機融合的。要成為一名優秀的機械工程技術人員，不僅要掌握各個專業課程，而且要建立起各門專業課程之間的聯系。齒輪軸的設計制造與檢測綜合實驗涉及到多門專業核心課程中的知識點(見圖1)，可將零散的知識通過成果導向融合于一根齒輪軸的設計、制造和檢測全過程，達到所學即所用，并充分體現了各門專業核心課程之間的循序漸進又彼此交叉融合的系統性的關聯關系。
5結語
目前，高校課堂教學方法以講授法和灌輸式為主的局面始終沒有較大的改變［11］。通過模塊化劃分并重構，齒輪軸設計、制造與檢測綜合實驗不僅鍛煉了學生各環節的單項應用能力，而且通過一條從設計到制造到檢測的主線，將分散在各環節的知識點按照它們之間系統的結構關系得以綜合和連貫地體現。在理論與實踐結合的基礎上，為各門專業課程之間架起了溝通的橋梁，可以將理論知識真正融會貫通，并在實踐中學會靈活運用，讓學生可以“知所學，知所以學”，不再“只見樹木，不見森林”。該綜合性的實驗課程可以引領學生整合不同課程的專業知識，聚合不同方面的工程技能，融合不同形式的思維，契合新工科人才培養模式。
作者:劉雪飛 楊春鳳 畢文波 劉含蓮 劉玥 李淑穎 劉璐 單位: 山東大學機械工程學院 山東大學國家級機械基礎實驗教學示范中心 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室