实验创新设计范文

实验创新设计范文第1篇

业：

姓

名：

学

号：

201

年

月

日

实验一、机械创新原理与创新方法分析(现场课)

实验二、原理方案的创新设计

机 械 创 新 设计 实 验 报 告

学

号

姓

名

日期

一、实验目的

1.加深对平面机构组成原理及运动特点的认识，提高机构综合创新设计能力。

2.通过实验机构的搭接训练、系统的组建及机构运动参数的测试，提高实践动手能力。

3.掌握机构运动参数(线位移、线速度、线加速度及角位移、角速度、角加速度)测试方法，对比分析机构运动性能。

二、实验台设备及工具

CQPS-D 平面机构创意组合测试分析及仿真实验台 三、实验内容

从以下 13 种拼装与运动测试分析实验机构中选取一种机构 1.正弦机构; 2.等加速——等减速运动盘形凸轮机构; 3.简谐运动盘形凸轮机构; 4.齿轮——对心曲柄滑块机构; 5.齿轮——偏置曲柄滑块机构; 6.槽轮机构; 7.曲柄摆块——齿条齿轮机构; 8.摆块机构; 9.齿轮曲柄摇杆机构; 10.摆动导杆——对心滑块机构; 11.摆动导杆——偏置滑块机构; 12.摆动导杆——双摇杆块机构; 13.齿轮——齿轮齿条机构(手动测试)

四、实验步骤

1.根据指导教师指定实验项目画出机构运动简图。

2.根据运动简图选择拼接零件，确定拼接方法。

3.将各零件逐一安装到机架上。

4.选择传感器，连接测试元件。

五、注意事项

1.在机架上先拼装好机构，经运转无误后停机，再组装测试系统。

2.启动电机前一定要仔细检查各部件安装是否到位，启动电机后不要过于靠近运动零件，不得伸手触摸运动零件。

3.同一小组指定一人负责电机开关，遇紧急情况时立即停车。

六、实验报告

机构名称

机构运动简图及测试点

自由度计算 F = 参数设置

实测曲线

理论曲线 七、实验分析：

实验创新设计范文第2篇

基于这种现状, 为了满足创新人才培养和大众教育背景下精英教育的需要, 我校利用机械方案创意设计模拟实施实验仪, 开出并发展完善了针对学有余力学生的以下个性化实验。

1 基于机构组成原理的拼接实验

1.1 实验原理

由于平面机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目与机构的自由度相等因此机构由机架, 原动件和自由度为零的从动件通过运动副联结而成。将从动件系统拆成若干个不可再分的自由度为零的运动链, 称为基本杆组 (简称杆组) 。

任何平面机构均可以用零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上去的方法来组成。

1.2 实验方法与步骤

将机构创新模型中的杆组, 根据给定的运动学尺寸, 在机架上拼接机构, 拼接时, 首先要分层, 一方面是为了使各构件的运动在相互平行的平面内进行;另一方面是为了避免各构件间的运动发生干涉。从最里层装起, 依次将各杆组联结到机架上去, 杆组内各构件之间的联结已由机构创新模型提供。

拼接完成后, 试用手动的方式驱动原动件, 观察各部分的运动都畅通无阻之后, 再与电机相联, 检查无误后方可接通电源。

1.3 实验举例:高位自卸汽车机构

学生的优秀设计方案1:创意用剪式平台实现车厢平动升高后移、下降复位;用两个Ⅱ级杆组实现车厢倾斜、放平时后厢门联动开启、关闭。

学生的优秀设计方案2:创意平行四边形平台实现车厢平动升高后移、下降复位又创意门构杆组, 将后厢门铰链偏置, 当车厢倾斜后恢复放平时, 保证门钩重新钩住后厢门。

2 基于机构创新原理的拼接设计

2.1 实验目的

培养学生运用创造性思维方法, 遵循创造性基本原理、法则, 运用机构构型的创新设计方法, 设计、拼接满足预定运动要求的机构或机构系统。

(1) 加深对执行构件的基本运动和机构的基本功能的了。 (2) 培养学生的工程实践动手能力。 (3) 创新点及优于同类实验之处。

(1) 学生组装并测试的机构是自选的即个性化的;

(2) 不但能做以电机为转动型原动件的机构的运动测试, 而且能做以气缸为移动型原动件的机构运动测试;

(3) 可调整机构参数适时观察机构运动规律的变化。

2.2 实验举例

冲压送料机构一组学生在教材中选择了冲压送料机构, 可以进行组装驱动及运动测试。

3 创新思维与机械制作实验

3.1 实验目的

(1) 培养学生的创新思维及创新设计能力。 (2) 培养学生的机构及结构设计能力、实际动手能力。 (3) 培养学生的工艺设计及加工能力。 (4) 培养学生的集体合作设计能力。

3.2 实验内容与要求

(1) 选择创新设计题目。

学生可以根据自己的特长和爱好自由组合, 每3~4人为一组, 按组选择创新思维实验题目。选题时要注意创新。选择的题目不一定选得很大、很复杂, 在日常生活、生产、学习中很多题目都可做, 只要有创意、能实现功能要求的设计都可确定为设计题目。设计可根据社会和人们的需要选题, 或根据调查选题, 亦可由直觉选题。设计本身就是创造性思维活动, 只有大胆创新才能有所发明、有所创造。由于当今的科学技术已经高度发展, 创新往往是在已有技术基础上进行综合, 或在已有产品的基础上进行改革、移植。因此选题可选择适合自己设计和加工的题目, 该题目能实现某一功能的要求。

(2) 确定设计题目的设计要求。

各设计小组根据选定的设计题目, 确种设计参数。 (3) 做出实物模型并进行实测调试。

3.3 实验举例:简易型挖掘机机构

一组学生选择了简易型挖掘机机构, 进行了组装驱动并且模拟工程实际进行了程序控制。

模拟工程实际的运动过程如下: (1) 动臂气缸缩短, 使动臂连同斗柄摆动, 带动挖斗向下运动。 (2) 斗柄气缸伸长, 斗柄、挖斗联动同转向摆动, 挖斗挖掘端平盛料。 (3) 动臂气缸伸长将挖斗抬高。 (4) 斗柄气缸缩短, 使斗柄摆动, 同时挖斗联动上扬旋转, 敞口朝下倒空卸料。 (5) 各个构件恢复到初始位置准备下一轮作业。

4 前述个性化实验的良好效果

(1) 在前述个性化实验中, 机构的运动情况和传动性能可以动态操纵演示观察, 随时直观调整, 构件尺寸可以调节, 运动副可以更换, 驱动方式也可以选择。个性化的设计方案在实验中验证和改进, 大大地提升设计的直观性和趣味性。

(2) 让学生用实验方法自行确定机械设计方案和参数, 并组装出个性化的仿真实物机构, 而且尝试了对自行设计组装的机构进行动力驱动、电气和计算机程序控制以及运动测试分析。

(3) 让学生用电机、气缸、计算机和程控测试仪驱动控制自己设计并亲手组装的仿真实物机构, 亲眼看到并且定量测试运动效果, 这种鲜活的、名符其实的“模拟实施”带给学生的成就感远远大于单纯绘图, 所激发的兴趣和竞争以及个性的张扬都会成为学生尝试创新的动力。

学生们普遍认为, 这样的个性化实验是对将来工作的全方位演练。

摘要：我校利用机械方案创意设计模拟实施实验仪, 开出并发展完善了针对学有余力学生的个性化实验, 让学生在机构创新组装、拼装、制作等方面锻炼创新思维和动手实践的能力, 为机械类实验课程改革与建设做出了一份贡献。

关键词：机械,创意,实验

参考文献

[1] 杨家军.机械系统创新设计[M].武汉:华中理工大学出版社, 2004.

[2] 黄纯颖[主编].机械创新设计[M].北京:高等教育出版社, 2000.

实验创新设计范文第3篇

[摘 要]油气储运工程专业实验教学改革，对于培养适应行业快速发展的创新型工程应用人才具有关键促进作用。通过优化整合实验教学内容，充实实验教学资源，立体化实验训练系统，递进式组合实验项目与实验教学方式，构建了油气储运工程专业实验的系统化教学体系，有效地培养了学生的创新思维，提高了学生的技术创新能力。

[关键词]油气储运工程;专业实验教学体系;系统化;实践

《国家中长期教育改革与发展规划纲要（2010—2020）》提出高等教育人才培养目标是“重点扩大应用型、复合型、技能型人才培养规模”。油气储运工程专业本科阶段的人才培养，旨在为油气储运工程技术人才进入油气储运及相关工程业界从业提供预备教育[1-2]。专业实验教学是实现油气储运工程人才创新能力、独立工作能力和专业实践能力培养目标的关键环节之一[3-4] ，是高等教育不可或缺的组成部分。为了支撑培养目标达成，油气储运工程教育专业认证提出本科生毕业时要 能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论[5-6]。这使得油气储运工程专业实验教学在本科生工程问题分析和探索能力培养中的作用和地位更为凸显。

常州大学油气储运工程专业自1986年创建以来，一直秉承“实验室是高校办学基础”的理念，不断加强学科建设和实验室建设，目前已是江苏省“十二五”高等学校重点专业、江苏省重点学科、江苏省特色专业以及江苏省优先发展学科，并在2005年建成江苏省油气储运技术重点实验室，2006年成为江苏省实验教学示范中心，2016年建成国家级“石油钻采与储运工程”虚拟仿真实验教学中心。

在加快实验室硬件建设的同时，我们通过全面分析油气储运人才培养模式和行业发展所需人才的特点[6-7]，基于OBE工程教育理念，在以学生为本的基础上，对油气储运工程专业实验的教学内容、教学资源进行了全面改革，以油气储运实验技术课程为核心，依托不断升级的实验教学平台，构建了体现工程教育系统性、完整性和创新性的油气储运工程专业实验系统化教学体系，并历经多届本科教学实践，取得了丰富的教学经验和理想的教学效果。

一、有机整合专业实验，使实验教学系统化

油气储运工程专业是一门涉及从油气开发至最终使用过程中的加工、运输、储存等领域的技术交叉型学科。在专业实验教学中，诠释OBE工程教育理念，需解答的第一个问题就是明确需要学习哪些内容。油气储运工程的专业实验教学内容涵盖常见储运流体的物性分析、常见油气储运工艺系统的模拟、常见油气储运工程设备的运行特征分析等领域人才必备的工程技术。在传统油气储运专业实验教学体系中，各项专业实验按照其实验内容，穿插设置于各专业理论课中，实验内容往往受所依附课程的限制，忽视了课程间的学科互通性、连贯性，致使不同课程实验的内容明显重复，实验教学体系松散，实验资源分散[8]。

如今，油气储运学科面临许多需要多学科交叉融合来解决的技术难题[9]。这种不同研究方向间交叉渗透和有机融合的学科发展趋势为油气储运专业实验教学明确了整合化、系统化发展的方向。

此外，实验教学往往是为验证和理解课程理论知识而服务，实验过程往往按实验指导书上的操作步骤“依葫芦画瓢”，缺乏实验设计、实验基本测试手段、实验分析等方面的理论支持，学生想要自己设计实验也无从下手。

根据油气储运工程专业的特点，结合学习认知的一般性規律，我们重新将所有油气储运工程专业的实验内容进行统筹分配，并自2007年始设立油气储运实验技术课程，实现专业实验内容的系统化授课和综合化考核。

（一）实验项目多层次、系统化整合

在专业实验教学中，诠释OBE工程教育理念，需解答的第二个问题就是为什么要学习这些内容。为此，我们对所有专业实验项目进行有机整合，并依据人才培养规律，有序关联实验项目，构建“专业基础实验”“专业应用实验”和“综合创新实验”三大实验模块，形成“由简入繁”“由基础到应用”的多层次专业实验教学体系，让学生通过专业实验学习后，清楚地认识到油气储运专业实验体系建立的工程和实践意义，以及这个体系内部各层次间递进的原理。

第一层次为“专业基础实验”。确定输、储流体的基本物性是开展一切油气储运工程项目的基础，为此我们将“专业基础实验”模块设计为输、储流体基本物性测定模块。为便于比较输、储物料不同造成的输、储特点的差异，各项物性测试实验均采用对多种物料进行对照性测试。以黏度测试为例，选用汽油、甘油和原油3种测试物料，让学生不仅可以掌握基本的黏度测试技术，而且可以直观认识到不同物料黏度测试的差异，再由黏度测试的差异认识到其流体性质和流动性能的差异。

第二层次为“专业应用实验”。该模块着眼于油气储运工艺实验。在第一层次实验模块基础上依次开展4个复杂工艺模拟型实验，即长输管道运行工况模拟实验、油库运行工况模拟实验、油田集输系统工艺流程模拟实验和城市燃气输配运行工况模拟实验，以便分析不同工艺间的异同，掌握流程性技术的共性和在不同应用场合下的特性。

第三层次为“综合创新实验”。该模块着眼于综合型和探索型实验，以在工艺模拟实验基础上开展研究型实验为主，如土壤的腐蚀性测定实验、气—液两相流动模拟实验和油品蒸发损耗模拟测定实验等。

为提高实验项目的系统性和整体性，可以将第三层次与第二层次的实验有机结合起来开展，如油品蒸发损耗模拟测定实验与油库运行工况模拟实验在实验平台、基本操作等方面存在较强关联性，可将两者优化整合为油库运行工况和蒸发损耗模拟测定实验，从而使学生的实验综合设计能力、综合操作能力和分析能力得到很快提高。

（二）实验理论与实训有机结合

在专业实验教学中，诠释OBE工程教育理念，需解答的第三个问题就是如何实现预期目标。由于实验理论教学是提高学生实验设计能力和分析能力不可缺少的辅助环节，因此，为保障和加快预期目标的达成，与传统的实验指导书内容不同，油气储运工程专业实验体系中的理论教学以实验方法为主体，与实验实训过程相辅相成、相互促进。

这里的“实验方法”是指与实验相关的科学方法，是科学家群体在长期实验研究过程中所形成的一整套有效的思维方式和操作规则[10]。它不仅仅表现为实验指导书中的实验技能形式，更注重实验设计方法和实验结果分析方法的系统阐述，如储运工艺模型设计的基本原理、实验方案的科学设计方法以及实验数据的分析方法等，帮助学生解决实验实训中实验平台如何搭建、实验方案如何合理制订以及实验数据如何有效分析等问题。因此说实验理论教学为实验教学从单一验证模式向含自主设计实验的多样化教学模式转变提供了理论支持。

学生掌握了实验方法，对加强其对科学问题的认知能力，促使其形成科学的思维方式以及提高其实验设计能力、实验分析能力和综合创新能力具有重要的意义。这些方法不仅可以用于开展实验活动以探索专业领域的问题，而且在其他领域的科学研究、日常生活以及社会生活中都可以发挥巨大的作用[10-11]。

实践表明，对实验项目进行系统化整合，并将其与实验理论相结合后，本专业学生对油气储运工艺及工程技术问题形成了更为系统的认知。思考与动手相结合、虚拟与现实相结合、模型与原型相结合的立体化实验训练体系使学生的课堂活跃程度和在动手环节积极参与程度明显增强。

二、丰富实验教学资源，使实验学习体验立体化

丰富的实验教学资源是高效开展实验教学，高度达成实验教学目标的有力支撑[12]。根据“厚基础、宽专业、高起点、重特色”的人才培养目标，我校将实验室建设与学科建设相结合，逐年投入经费建设油气储运工程专业的专业实验室，提高实验室层次。采购各类实验仪器设备时均充分考虑综合性、设计性实验项目开展的适应性，积极为实验教学改革创造必要条件。因此，油气储运专业实验室先后获评为江苏省油气储运技术重点实验室、江苏省油气储运实验教学示范中心。而且我校采取“开放”原则，即实验室对全校学生开放，油气储运专业学生可根据自身需要自选实验项目、实验时间，利用全校的教学实验资源开展课外科技活动[13]。

在不断增强实验设备综合实力的同时，油气储运工程专业实验的开展方式也从单一化的室内模型实验拓展为包含室内模型实验、虚拟模型仿真、实景沙盘模拟和生产实训实验在内的多角度、全方位的立体化实验训练体系。学校先后建成的“石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心（国家级）”、常州大学—中国石化集团华东石油局工程实践教育中心（国家级）、江苏省有机废弃物处理工程技术研究中心以及江苏省石油与天然气工程实践教育中心均向学生开放，这就为这一立体化专业实验训练体系的运转和发展提供了良好的环境和坚实的基础。学校所在的“国家大学科技园”内近百家大院大所、研究机构等也为学生提供了广泛的科技创新活动基地。

三、采用递进式组合教学方式，促进创新型人才培养

实验教学体系系统化的根本目标是促进学生实验能力提升[10-11]，恰当的教学方法是目标达成的“催化剂”。实验能力是在实验活动中逐渐形成和发展的。从实验课题的选择和确定至实验现象和数据的收集和处理等环节是培养学生发现问题、提出问题、设计研究方案、分析研究结果并寻得解决方案的能力的必不可少的环节。

在传统油气储运专业实验教学中，实验教学方式较为单一，即教师负责讲解和指导，学生只需按照步骤完成实验，最后上交实验报告即可。学生实验能力的培养过于集中在实验操作环节[10]。

基于此，我们立足学情，遵循循序渐进的学习规律，将演示验证式、辅导式、指导式教学方式分别与第一层次的“专业基础实验”、第二层次的“专业应用实验”、第三层次的“综合创新实验”进行模块化组合，实现不同实验教学方式的有机结合，形成了实验能力逐级培养的实验训练模式。

为解决课内学时有限的问题，并提高专业实验内容的自主性，我们将综合型和探索型实验教学延展至课后，并将课后实验项目完成的评价结果纳入课程考核当中。实验项目可由学生根据自身条件和兴趣自行设定，或与各类专业竞赛、创新创业类项目相结合，以申报专业竞赛项目（如全国石油工程设计大赛、全国油气储运工程设计大赛等）、大学生创新基金项目（如“挑战杯”等）或参与教师科研项目的形式进入创新实验平台，在教师指导下开展自主实验和课题研究。

四、专业实验体系的实践效果

油气储运专业实验体系将专业实验独立成课，并设定包含明确的考核环节的多维考评体系。考核环节包括实验理论环节、课内实验环节和课后实验环节，各考核環节均设计理论知识考查和现场实践操作考查两种考查方式。多年教学实践表明，这样能增强学生对油气储运专业实验的重视程度和精力的投入。

通过总结学生专业实践环节成果发现，实验能力逐级培养的实验训练模式带动和影响了专业的课外实践和科技创新氛围。如今每届有80%以上的学生参与课外各类专业竞赛、创新创业类项目，如“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛、“全国大学生石油工程设计大赛”、“全国油气储运工程设计大赛”、常州大学“挑战杯·卓越”计划项目等，并取得了一定的成果，如获得第十届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛金奖、“全国大学生石油工程设计大赛”一等奖等多项奖项。可见，系统化的专业实验教学体系能将学生的创新能力培养按级落到实处，有利于更为系统、全面地培养学生的专业技术创新能力。

五、结语

专业实验教学是油气储运高等人才培养不可或缺的组成部分。为适应未来油气储运行业的发展趋势，我们基于OBE工程教育理念，在以学生为本的基础上，按照内容系统化、体验完整化、方式多样化的原则，有机整合了专业实验教学内容，并不断丰富和升级实验教学平台，建成了包含室内模型实验、虚拟模型仿真、实景沙盘模拟和生产实训实验在内的立体化实验训练系统，配合实验能力逐级培养的实验训练模式，构建了与实验理论有机结合的专业实验系统化教学体系，并取得了良好的实施效果。

油气储运行业技术在高速发展，因此，油气储运专业实验教学改革仍需不断联系实际，持续改进，将专业实验教学水平推上一个新的高度。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 王贵成，蔡锦超，夏玉颜.我国高等工程教育的现状、问题及对策研究：基于国际高等工程教育专业认证的视角[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2010（3）：4-7.

[2] 毕家驹.关于中国工程专业认证的所见所思[J].高教发展与评估，2009（3）：10-18.

[3] 梁法春，张树文，曹学文.油气储运国家级实验教学示范中心建设探索与实践[J].实验技术与管理，2014（7）：115-117+148.

[4] 祖国胤.提升工科本科生创新能力的科研技能培训[J].实验技术与管理，2011（1）：22-24.

[5] 李涛，刘灵芝.我国高等工程教育专业认证的现状分析及对策研究[J].大学教育，2012（6）：21-22+34.

[6] 杨毅刚，孟斌，王伟楠.如何破解工程教育中有关“复杂工程问题”的难点：基于企业技术创新视角[J].高等工程教育研究，2017（2）：72-78.

[7] 罗小明，何利民，曹学文，等.油气储运实验教学示范中心建设的思考[J].实验技术与管理，2014（10）：161-164.

[8] 张劲军，何利民，宫敬，等.油气储运理论与技术进展[J].中国石油大学学报（自然科学版），2013（5）：151-162.

[9] 王海秀，周锡堂，梁飞华.油气储运工程专业实验教学改革与实践[J].实验科学与技术，2014（2）：106-107+213.

[10] 赵建华.高校实验教学目标探析[J].高教探索，2012（4）：71-73.

[11] 劉金华，李明堂，高强，等.农业资源类实验教学示范中心运行机制研究[J].大学教育，2017（12）：65-67.

[12] 房贞政.实验室建设要有新理念[J].实验室研究与探索，2005（5）：1-2.

[13] 周诗岽，王树立，赵会军，等.油气储运工程专业实验教学探索与实践[J].实验室科学，2014（3）：110-112.

[责任编辑：庞丹丹]

实验创新设计范文第4篇

【关键词】数学实验高等数学教学改革教育模式

一 开设高等数学实验课的必要性及现状分析

随着计算机技术的日益发展，数学建模和与之相伴的数值计算方法已成为工程设计的关键工具。当今世界科学技术的发展对数学的依赖已经达到惊人的地步。“高技术本质上是一种数学技术”的观点现已被越来越多的人所认同。数学在自然科学、工程技术、经济管理乃至人文社科领域越来越成为解决实际问题的有力工具。数值仿真已成为很多工程及应用学科人才必须掌握的技术手段。因此，一切科学和工程人员的教育必须包含数学和计算科学更多的内容。本科教育中，对学生的数学教育面临着新的挑战。

作为一门传统的基础课程，高等数学长期以来已经形成了一套相对成熟的教学方法。大部分从事高等数学教学的教育工作者观念陈旧，坚持数学教学只讲理论、不讲应用的错误观念，教师以书本内容为主，枯燥的讲授数学的理论知识，致使数学教学的作用和地位日趋下降。学生对数学的学习严重缺乏兴趣，对数学学科领域的作用认识严重不足。传统的高等数学教材与教学重视推理过程，忽视实际计算;重视连续性内容，忽视离散型内容。这与学生未来的实际应用严重脱节，教师在课堂的引导是盲目的，无法激活学生的主动性和创造性。

受益于近年来全国大学生数学建模竞赛的蓬勃开展，越来越多的学生及教师感受到了数学在实际问题中的作用。这对传统的高等数学教学方式产生了强烈的冲击，高等数学课程中应适当增加实验性内容已成为共识。目前，已有很多高校在进行高等数学实验课程的尝试，也取得了相对良好的效果。数学实验课程的开设为未来高等数学教育模式的改革指明了方向。人们看到，必须冲破传统数学教育观念的束缚，重新审视高等数学教育在整个高等教育中的地位和作用，定位现代高等数学教育目标，推进高等数学教育模式改革，才能培养出具有国际竞争力的高素质人才。

虽然在一些学校中，高等数学实验课程的开设取得了良好的效果，使很多学生受益。但目前总体来说，这类课程还处于不断地革新和完善过程中。如何准确地把握这类课程的

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* 基金项目：广东省高等教育教学改革重点项目(编号：2013-5-220)、广东海洋大学教学改革课题(编号：XJG201215)

教学内容和方法还有待于进一步探索和实践。目前，高等数学实验课程存在的主要问题在于以下几个方面：(1)大部分数学实验类课程是孤立于原有高等数学课程体系之外的，实验内容没有和原有的教学内容形成有机的结合，没有真正的起到实验辅助教学的作用。(2)现有的大部分数学实验类课程的设计片面追求自成体系，遍地开花、内容臃肿，冲淡了这类课程实践性的特点，也使得很多专业不愿开设相关课程。(3)目前大部分数学实验课程的设计完全由数学教师完成。对于不同学科、专业的学生采用了相同的实验设计，缺乏针对性，完全为了实验而实验，无法充分调动学生的积极性。

二 高等数学实验课程设计的基本原则

笔者结合自己高等数学的教学实践，通过阅读大量相关文献以及和相关教师探讨，认为高等数学实验课程设计应遵循以下几个原则：

1.实验课程设计应有侧重点

实验课程是辅助性的，是对原有高等数学教学的有益补充，不追求自成体系，应集中在高等数学核心概念和重要内容。高等数学原有的体系是经过多年积累的，实验课程的融入不应打破原有的体系结构，它应该成为“山路上”的风景，使人在“登山”的路上忘记疲惫，而不是成为山脚下的一处花园，让人忘记“登山”。

2.实验课程的设计应分层次、立体化

传统高等数学教学方式主要的问题在于学生对于一些抽象概念缺乏直观的理解，抑或是学生不了解一些数学工具的具体作用，进而缺乏对数学的兴趣。实验课程的设计应重点围绕这些问题进行考虑。(1)设计一些演示实验对一些抽象概念给予直观形象的描述;(2)对一些有着重要应用背景的概念、方法，通过设计实验让学生学会通过软件计算相关的问题;(3)可以结合数学建模的内容，设计一些探索性综合实验，充分激发学生的合作和创新精神，提高学习的积极性。

3.实验课程的设计应“因地制宜”

实验的内容应与专业相结合，不应由数学教师独立完成。以往的数学实验课完全由数学老师独立设计完成，没有充分考虑学生的专业背景以及未来的应用领域。而这些方面对于学生对实验课程的兴趣有着重要关系。因而在高等数学实验课程设计中，应征求不同专业背景教师的意见。

4.实验课程设计应有实效性

要从培养应用型、复合型人才的角度来设计高等数学实验课程体系。实验课程的设计应以学生为中心、以问题为主线、以培养能力为目标。开设高等数学实验课程最终的目的是让学生更好地掌握高等数学知识，因而实验课程的设计不能流于表面，应注重教学的实效性。

三 高等数学实验课程改革的基本方案

1.教学内容

在保持原有高等数学教学的基本框架下，从三个层次设计高等数学实验内容。

第一，针对一些抽象不易理解的数学概念设计相关的演示实验，这一部分的内容直接嵌入原有的课堂教学当中，主要以教师演示为主，其目的是增加学生对一些抽象概念的直观认识，不需要增加学时。

第二，针对高等数学中一些重要的内容，围绕目前广泛应用的Matlab软件，设计一些实验使学生能够顺畅的应用数学软件完成诸如求导数、积分、傅里叶变换、解微分方程等的计算方法。这一部分的内容应结合高等数学理论课程的进程，以实验课形式使学生在教师指导下完成对相关软件编程的掌握。这部分是数学教师能够直接完成的，相关专业可以结合自身专业特点对实验课的内容进行相应的删减。这一部分Matlab基础教学和练习需要4～6个学时，高等数学相关的一些计算可以控制在6～10个学时。

第三，结合全国大学生数学建模竞赛的相关试题，以及和相关专业的教师进行探讨，结合学生的专业特点设计综合性实验，这一部分课程可采用相对开放性的方式开设。教师在课堂通过2～4个学时讲述相关实验内容的核心模型，具体内容的完成可让学生课下通过查阅相关文献最终完成。

2.教学模式

实验课程的教学应以学生为中心，除了演示实验外，更应以学生独立操作为主，教师辅导为辅。让学生在软件辅助下完成一些复杂的数学运算，处理相关的数学问题。实验过程中，教师应通过问题引导学生的学习，促进学生的思考。实验过程可采用分组的形式，而对于教学内容可进行分块处理，把思想方法接近的实验结合到一起来做。实验教学应该与理论教学相协调，实验课程的安排应该围绕理论课程的进程来进行。

四 开设高等数学实验课程应注意的一些问题

1.正确处理学习数学基础理论课和相关软件使用的关系

要正确处理学习数学基础理论和相关软件使用的关系，需要时刻铭记实验课程是辅助性的，不能因软件强大的计算能力而忽视对数学基础的学习，避免学生过分依赖数学软件。

2.注重教师素质的提高

再好的方案都是需要人来执行的，任课教师的素质直接决定了最终实验课程改革的成败。要促成教师观念的转变，对于一些长期从事高等数学教学的人员，尤为重要。新的教学模式对一些老教师提出了更高的要求，要求他们掌握通用的数学软件并具备一定的编程能力。

3.要在实验内容的设计上下硬功夫

近年来，一些数学实验课程的开设，带来了一些负面影响，甚至有人因此而否定数学实验课程。数学实验课程有它固有的优势，而实验中出现的某些弊端，多数是因为选材不当造成的。因此，要想更好地开展数学实验课程，在内容设计上还有很长的路要走，需要从事高等数学教育的人不懈努力。

五 结束语

总之，高等数学实验课程的改革势在必行，它已成为高等数学课程教学改革的必然趋势。在改革中一定要恪守一些基本原则，内容选择和方案设计要与实际相结合。实验课程教学改革对高校从事高等数学课程教学的教师提出了更高的要求，向传统的教学模式和观念提出了挑战，也为高等数学教学未来的发展指明了方向。本文是笔者在高等数学教学改革与实践中获得的一点粗浅的认识和体会，愿与各位同仁交流、分享。

参考文献

[1]李大潜.将数学建模思想融入数学类主干课程[J].中国大学教学，2006(1)：9～11

[2]郭迎春.实验与教学相结合改革高等数学教育模式[J].数学教育学报，2008(3)：76～77

[3]严士健主编.数学家谈数学教育[M].南京：江苏教育出版社，1999

[4]杨宏林、丁占文、田立新.关于高等数学课程教学改革的几点思考[J].数学教育学报，2004(2)：74～76

[5]丁卫平、李新平.基于数学实验的高等数学教学改革[J].高等理科教育，2007(2)：36～38

[6]堵秀凤、张水胜、李晓红.高等数学教学中数学实验内容的优化[J].高师理科学刊，2008(5)：95～97

〔责任编辑：肖薇〕

实验创新设计范文第5篇

关键词：机械设计;实验教学;真实实验;虚拟实验

工科大学机械类“机械设计”课程的教学基本目标是，通过对材料、信息及能量的运用与控制，使学生具备设计能够有效工作且可靠的通用机械零部件的知识和能力[1]，并掌握典型机械零部件实验方法。这要求学生不仅掌握理论知识，还要有一定的动手实验能力，并最终着眼于工程实际设计与实验能力的培养，也是合格工程师必备的基本条件之一。传统的工科教育，学生获取理论知识主要通过课堂学习，实践知识和实际能力的培养主要通过实验环节完成，这里的实验指的是真实实验。课堂教学基本采用“粉笔(ppt)+讲授”的注入方式，实验教学包括学生对实际零部件模型操作或测量的动手实验和教师演示学生观察的演示实验。这些教学方式通常是以“教师为中心”的模式为主导。面对社会对工程人才要求知识面广、综合实践能力强以及具备创新意识的状况下，这种传统的教学方式越来越不适应工科大学机械工程教育的发展[2]，尤其是机械设计实验教学的发展。

科技的进步，特别是“信息+网络”技术的快速发展，给大学各课程的实验教学改革提供了新的方式方法[3-5]，比如，远程网络实验、虚拟实验等[6]。近年来“互联网+实验”的虚拟实验持续升温，人们对此褒贬不一。一种观点认为，虚拟实验是一种先进高效的实验教学手段，适合国内大规模本科培养，也有利于教学模式向“以学生为中心”转变[7-8]。另一种观点认为“能实不虚”，虚拟实验的效果低于真实实验。

本文结合“机械设计”课程，就真实实验和虚拟实验各自的特点展开论述。分析两种类型实验在教学实践中的應用。另外，结合 “机械设计”课程的具体内容，通过实例阐明如何合理有效地利用两类实验。

一、真实实验的特点及其作用

(一)真实实验的优点及其作用

“机械设计”真实实验对学生理解书本知识、增强对通用零部件的感性认知、培养结构拆装及零部件测量等动手能力及实践经验，起到非常重要的作用，至今沿用。即便基于数学和信息网络技术逐渐发展起来的虚拟实验或远程实验已经走进实验教学多年，传统真实实验仍然是机械设计实验教学的主导方式和基础。相对于虚拟实验，几个优点决定了它在“机械设计”实验教学中具有不可替代的作用。

1.培养如何设计实验的能力。包括选用仪器和工

具、操作、现象观察、数据收集及解释等。2.长于培养学生动手技能和实践能力。能培养学生正确使用仪器、传感器或软件等工具测量零件性能参数。比如构建组装零部件、机械故障排除、传感器安置、电路连接以及仪器标定或调零等，这些是工程实践必备的一个基本技能。3.能够利用触觉感知对理论知识获得感性认识，理解理论模型预测能力及其局限。4.通过处理实验中遇到的不可预测问题，真实实验使学生感受到研究的复杂性，并

有机会培养处理技巧。比如，在齿轮参数测量实验中的误差问题，能够让学生认识到测量的随机性和不完美性，学习准确测量的规程及技巧。在这方面，真实实验具有虚拟实验无法比拟的优势。5.参与真实实验，能够更好地培养学生的工程兴趣、锻炼交流及团队合作等，对增强学生的能力大有裨益，这一特点往往是最容易被忽略的。

(二)真实实验的局限性

尽管真实实验具有诸多优点，但随着工业科技及社会人才需求的不断发展，大学本科培养的变化，传统真实实验的局限性也逐渐显露。首先，一些真实实验成本高、耗时长、效率低。比如，机械零件磨损量实验，真实实验在一两个学时内往往无法得到较为完整的磨损三阶段曲线，哪怕是跨阶段的磨损曲线也是比较耗时的。其次，实验参数也不容易改变，要开展更加丰富的实验十分困难。像动压滑动轴承实验，若开展不同润滑油对轴承性能影响绝非易事。可见，真实实验要改变实验条件，获取更多实验结果的时间成本和经济成本高昂。加之国内院校本科生培养规模庞大，实验仪器生均比例低，真实实验的这一缺点愈发突出。再次，现有真实实验教学阻碍了教学模式的转变。近些年来，由于教学激励机制等问题，学校和教师缺乏对“机械设计”实验课在经费、时间和精力上的投入，实践性教学条件严重不足[9]，学生很少有机会有条件认真做实验，久而久之实验课变成了应付、走过场，严重影响了学生科学实验兴趣培养和研究技能的增强，更谈不上“以学生为中心”的教学模式的转变。最后，机械设计教学虽然强调了科学技术与工程实践相结合，实际上绝大部分学校几乎不具备将科技知识与工程实践相结合的师资条件和能力，缺乏能够将理论充分应用于实践的真实实验。可见，真实实验难以在本科规模化培养过程中更进一步发挥作用，势必要在教学内容、教学方法及手段方面进行革新。

二、虚拟实验的特点及作用

(一)虚拟实验的优点及其作用

虚拟实验是利用理论模型、数值方法、信息网络和计算机技术，将真实的物理现象或过程模型化，在计算机上以图片、视频、动画或曲线等直观形式展现，并通过网络共享使用。相对于真实实验，有如下优点。

1.容易改变实验条件参数。虚拟实验中，学生能够轻松改变实验参数，实现不同条件下的实验研究，使实验变得简单易行。此外，还可以通过排除次要信息的混淆干扰，实现重要参数对结果影响的研究，获得实验的关键信息。比如，仅仅通过修改时间得到不同时长下的实验结果，分析时间尺度的影响。

2.可以开展真实实验难以甚至无法观察的实验现

象，对于需要进行交互方式研究难以观察的现象，优势更明显。将理论知识或模型方程与物理现象或零件应用直接联系、对比和扩展。比如，微观尺度下的许多实验，真实实验难以实现，更不要说通过交互式方式研究实验现象随参数变化。

3.虚拟实验受客观条件限制相对较小，效率高于真实实验。虚拟实验可以提供短时间甚至某一瞬间的更多的实验结果，使学生完成更多的实验并获取更多的结果信息，计算机也能够记录学生实验的全过程。学生可以多次重复实验，且几乎不受时间、地点等客观条件的限制。

4.理解概念性知识，虚拟实验可以代替真实实验。理解这些知识并不需要触觉信息参与。虚拟实验能够方便、高效、透彻地让学生理解知识。

(二)虚拟实验的局限性

由于虚拟实验的实际功效依赖于数学、信息、网络和计算机等一系列理论知识和技术条件，加之机械设计课程内容的特点，不可避免存在一些问题。这主要包括以下几点。

1.最大的问题是如何精确模拟真实物理过程。由于理论基础、技术条件或主观认识等原因，设计虚拟实验时可能漏掉实际当中的一些重要因素，导致一定的偏差，甚至错误结果。因此，设计虚拟实验时，要明确实验目标及其主要和次要影响因素，客观衡量实验室所具备的技术能力和条件。例如，若无法合理模拟零件之间的接触，对机械零件拆装虚拟的真实感就会差很多。

2.有限的预设的输入和输出会限制学生的创造性。虚拟平台把学生限制在预设的环境中，影响了他们的学习激情和好奇心。当然，这方面随着信息网络和相关技术的发展，会不断改善。

3.模拟的适用性和效率取决于网络技术和软件标

准。虚拟实验的开展，难免会遇到大量学生同时上网实验的情况，容易造成网络拥堵，硬件计算能力不足的情况，导致实验无法正常开展。因此，具备足够容量和计算能力的硬件条件，是虚拟实验取得应有效果的基本前提条件。

4.虚拟实验导致学生忽视操作安全规则和实验伦

理问题。这些是真实实验必须要考虑的[10]。虚拟实验无论怎样操作都不会涉及安全和实验伦理问题，学生往往会忽略掉这些实际上十分重要的内容。这也是虚拟实验无法代替真实实验的一个重要原因。

可见，就像软件不能代替实际系统模型一样，虚拟实验不能完全替代真实实验，无法提供完全真实的实验。我们在教学过程中运用虚拟实验时，应该时刻牢记这一点。

三、真实实验与虚拟实验在“机械设计”中的运用

吉林大学的“机械设计”课程包括[11]：疲劳强度、摩擦学基础知识和通用零部件的结构类型及特点、失效形式、材料及热处理、应用及调整维护等基本知识，以及通用零部件的设计计算。

疲劳强度和接触强度部分，主要涉及应力、疲劳寿命和摩擦磨损等基础知识的理解。这些概念有些属于微观尺度下真实实验难以观察的物理量，有些实验周期长，比如，零件三个磨损阶段实验，采用虚拟实验显然要更加合适。但是，磨损虚拟实验的难点在于磨损系数等参数需要大量的真实实验结果分析研究确定。而实现这些微观尺度下的虚拟实验需要数学、物理、摩擦学、接触力学及材料学等多学科综合，需要较强计算能力和图像显示功能的硬件设施，吉林大学“机械设计”教师在这方面做了一些初步尝试。带传动教学的主要目的是通过研究带传动效率理解打滑和弹性滑动的特点与区别。该实验涉及仪器设备调平衡、加载并读取载荷，同时观察皮带打滑现象，虚拟实验的真实感不强，实现起来难度很大，真实实验就非常合适。齿轮传动实验中齿轮精度实验，显然真实实验更为合适。目前对测量误差模型化还需要进一步的科学研究，不具备虚拟的理论条件。而且零件尺寸测量的真实实验也能够培养学生操作测量工具的能力和技巧，虚拟实验无法使学生感受到测量工具与被测零件接触力度的大小对测量结果的影响。滚动轴承轴系部件设计实验，可以采用虚实结合方式。学生先在虚拟平台上预习和练习，并根据给定要求设计轴系。然后到实验室现场组装设计的轴系，并测量零部件尺寸，最后画出装配图。实践表明，这样大大提升了实验效率和效果，教学效果非常好。当然，轴系设计虚拟实验时，若能够将零件之间的接触也加入，学生通过电脑操作拆装零件也能够感受到零件之间的接触，将极大提升虚拟实验的真实感[12]。对液体动压径向滑动轴承摩擦实验，亦可以运用虚实结合的原则。吉林大学已有实验台完全可以实现确定润滑油类型和滑动轴承结构尺寸下的压力和温度测量。利用我们开发的液体动压向心滑动轴承虚拟平台，可以轻松实现改变润滑油黏度、轴瓦材料、偏心距、軸承结构尺寸等参数的实验研究，大幅度增加了实验获得的信息量。

顺便指出，“能实不虚”并不意味着有了真实实验，就没必要进行虚拟实验。对某一实验而言，尤其实验中遇到设计复杂、微观或者参数难以测量的问题时，虚拟实验显然是更好的选择。虚拟平台更容易做到将真实实验向理论知识和工程实践两个方向上拓展，可以在不过多增加实验教学学时和学生负担的情况下，最大限度实现理论与工程实践的结合和综合，还可以帮助学生对真实实验的理解[13]，达到扩展知识面和眼界、提升能力的目的。在多年的教学实践中，我们将机械设计课程实验中的一部分，开发了虚拟平台，与真实实验配合使用，取得了良好的效果。

四、结论

在机械设计实践教学中，真实实验在培养学生实验设计、动手技能、随机处理、团队合作与交流以及操作规程和伦理等方面，发挥重要的作用。但也存在耗时多、效率低、成本高等缺点。特别是在大规模本科生培养条件下，完全采用真实实验的实验教学显然已经无法适应课程实验教学的需求。随着科技的不断发展，虚拟实验会越来越接近真实实验的效果，特别是在概念性理解、难以观察的实验现象或微观尺度现象等方面可以替代真实实验。而且虚拟实验可以根据需要合理地更加形象化地甚至夸张地表现一些实验现象，以便于学生理解。虚拟实验效率高、耗时低的优点使其应用前景广阔，在推进机械设计实验教学向“以学生为中心”模式改革进程中必将发挥越来越重要的作用。但也要避免“一切实验都可虚拟”的错误观念，而忽视真实实验基础性地位和重要作用。

参考文献：

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[2]赵天琦，陈晓东，孟繁雨.大学课堂多模态教学方式改革的实践与思考[J].广州化工，2016，(17).

[3]华驰，顾晓燕.“互联网+”背景下的实验实训教学体系设计[J].实验技术与管理，2016，(3).

[4]孙建林，贠冰，姜伟.实验教学示范中心与虚拟仿真实验教学中心相互融合协同发展[J].实验技术与管理，2016，(9).

[5]齐宏，冼建生.计算机仿真、虚拟实验和网络实验室[J].中国远程教育，2004，(23).

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[10]Henry Jim，Knight Charles.，Modern engineering laboratories at a distance[J].The International Journal of Engineering Education，2003，(19).

[11]譚庆昌，贾艳辉.机械设计：第3版[M].北京：高等教育出版社，2014：5.

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