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摘要：将课堂上的理论知识在实践中切实践行是当下工科类院校教改的重要方向。以全国大学生工程训练综合能力竞赛的命题“势能无碳小车”为研究对象，提出了工程训练创新教学教法，重点阐述了势能无碳小车的设计要点、设计步骤和设计内容，在实践中加工、制作、装配势能无碳小车。预期在“以训备赛、以赛促训”的教学模式下，理论结合实践的工程实训的教学方法对学生的工程实践能力和综合创新能力的提高会有显著成效。
关键词：无碳小车；工程训练；创新教学；教改
本文引用格式：苗同升，等.基于势能无碳小车的工程训练创新教学研究[J].教育现代化,2020,7(55):195-197.
Research on Innovation Teaching of Engineering Training Based on Potential Energy Carbon-free Trolley
MIAO Tong-sheng,WEI Yu-qun,LIU Xin-yu,ZHANG Jun
(School of Engineering of Shanghai Ocean University,Shanghai)
Abstract:The practice of theoretical knowledge in class is an important direction of educational reform in engineering colleges.Taking the proposition of“potential energy carbon-free car”in the national engineering training comprehensive ability competition for college students as the research object,this paper puts forward the innovative teaching method of engineering training,emphatically expounds the design points,design steps and design contents of potential energy carbon-free car,and processes,makes and assembles potential energy carbon-free car in practice.It is expected that under the teaching mode of“training for competition and training for competition”,the teaching method of engineering practice combining theory with practice will have a significant effect on the improvement of students’engineering practice ability and comprehensive innovation ability.
Key words:Carbon-free car;Engineering training;Innovative teaching;Educational reform
一 引言
传统社会正在瓦解，教育不能“无动于衷”。在新一轮科技革命和产业变革即将到来的大背景下，工程训练作为工科学生在高等教育方面的重要组成部分，面临着时代发展带来的不断挑战[1,2]。在传统金工实习的基础上，开设工程训练创新课程，强调课程间的相互交叉与融合，重构了工程训练的教学体系，从传统的工程技能训练向工程综合能力培养，注重实践过程和多课程融合的系统思维，旨在提高学生工程实践和综合创新能力[3,4]。
二 综合创新训练课程选题宗旨
工程训练课程要紧密围绕工科教育的教学大纲，符合当前工程教育的大背景，贴合“新工科”建设的需求。依托“上海市工程训练综合能力竞赛”这一大背景，我校工程训练中心提出一种“以训备赛、以赛促训”的教学模式，以学科竞赛为目的，能够最大限度的激发学生的潜能，实现教学和竞赛的完美结合。
第八届上海市大学生综合能力竞赛的命题“势能无碳小车”[5]，将机械原理、机械设计、工程材料、机械制造技术等课程交叉，体现了现代制造业的发展趋势，设计部分能够将机械设计和机械原理课堂上的理论知识充分的践行，制造和装配部分能够将工程材料和机械制造技术的知识点能够充分的体现。在机械制造环节，工件在传统的钳工、车工基础上增加了数控加工，部分工件可以采用3D打印、激光加工等先进制造技术。因此，“势能无碳小车”非常适宜作为一个工程训练创新项目，由学生自拟设计方案，进行理论计算，机械加工设想，在教师指导下完成工程训练任务。
三 基于“势能无碳小车”综合创新训练课程介绍
（一）势能无碳小车命题
第八届上海市大学生工程训练综合能力竞赛要求，自主设计并制造一台有方向控制功能的自行势能驱动的势能驱动车，该车行走过程中完成所有动作的能量均由给定的重力势能转换而得，不允许使用任何其他形式的能量。该给定重力势能由竞赛委员会统一提供的质量为1kg、总高89±1mm的标准砝码（Ø50×65mm,碳钢制作）来获得。标准砝码由势能驱动车承载，不允许从势能驱动车上掉落。势能驱动小车简图如图1所示。
要求势能驱动车为三轮结构，其中一轮为转向轮，另外两轮为行进轮，允许两轮中的一个为从动轮。势能驱动车有可调节转向的控制机构，以适应放有不同间距障碍桩的竞赛场地。势能驱动车的设计、选材、加工制作均由参赛学生自主完成。赛道分为S环形型和“8”字形两种，学生可以自行选择。
（二）综合创新实训教学安排
（1）实验教学内容
以机械设计制造及其自动化专业的学生为例，综合创新训练学时为80学时，学生可自由组合，3-4人每组，类似比赛的形式，以团队的形式完成此次实践训练。实训内容涉及机械零件设计及加工制作、装配和最终现场调试；文案撰写包括整个小车的设计说明书、理论计算依据，任选3件核心零件加工工艺规程，小车的装配图、爆炸图。
（2）实训教学手段
教师在安全教育后紧接着详细地对势能无碳小车进行解析，势能无碳小车主要由动力转换机构、转向机构、动力传动机构、微调机构四部分组成，由底板将各模块机构连接起来[6-8]。
动力转换机构:砝码下落势能是小车动力的来源，主动轴上的主动齿轮带动从动齿轮转动，小车前进，从而将砝码的重力势能转化为小车行走所需的动能。
传动机构:主动齿轮轴和后轮轴的动力传输采取一级或者多级齿轮传动方式。主动齿轮通过紧固螺钉连接在主动齿轮轴上，从动齿轮根据设计中心距安装在后轮轴上，主动齿轮将能量传递给从动齿轮，驱动小车前进。具体可以把一级齿轮传动机构作为范例进行讲解，一级齿轮具有传递次数小、传动效率高、绕线方式简单和启动转矩调整方便的特点，并且可减小车体体积，有效减轻小车质量的特点。当然，同学也可以根据自己所设计小车的特点选择多级齿轮传动的方式。
转向机构:随着小车的前行，根据不同赛道的要求，小车要进行不同的转向。转向机构直接决定小车功能的实现，是设计的关键环节。需要满足结构简单、可微调、摩擦小等基本条件，同时还要实现转向运动，将传动机构的动力转化为来回的摆动，使转向轮带动小车实现预先设计的运动。
微调机构:微调系统用于控制与修正小车行走轨迹[9]。考虑到赛道上障碍桩之间的距离是会变动的，所以要调节前后轮之间的轴距，有些小车根据需要可能也会调整连杆的长度，最终达到微调的目的。
讲解完小车的各模块特点后，然后详细讲解轴距、车宽对小车的影响，简单讲解下各种传动方式的优缺点。在机械制造方面，教师通过现场实操教学指导学生了解车削、普铣、钳工等传统制造技术，要求学生掌握基本要领，懂原理会操作；对数控车、数控铣、线切割等现代制造技术以及激光切割、3D打印等先进制造技术，采用示范讲解和学生独立操作的工程训练模式，指导学生掌握设备操作技能。
接下来根据每组所选择的赛道，由学生自行查阅资料、设计方案，绘制图纸，制定机械制造工艺方案，实训教师提供技术问题的辅助指导与解答。除了正常工程实训教学时间，在晚上和周末，学生也可在工程实训中心完成相关的内容。学生部分作品如图2所示。
（3）课程考核办法
考核是检验工程实训效果、激励学生发挥主观能动性的重要手段。考核内容包括平时表现、工作态度、实训报告、现场答辩及小车现场运行竞赛。考核在依据小车运行竞赛的前提下，参考学生工程实训过程中的综合表现进行综合评判，每种类型的小车选出4支队伍，后面再进行针对性的重点指导与改进，为当年的上海市工程训练综合能力竞赛做好队伍的储备工作。
四 结论
本学院预开设的基于“势能无碳小车”的工程训练创新课程能够构建多课程交叉融合的实践教学体系，依托传统金工实习的基础，引入先进制造技术和大胆的创新教学理念，充分利用工程训练中心丰厚的设备资源，完善工程认知训练和工程技能训练，强化学生的技能训练和创新训练，全面提升学生的综合实践素质，为学生的创新创业训练做了铺垫。预期在参加市赛的“诱惑”下，学生在整个实训教学过程中会热情很高，切实达到“以训备赛、以赛促训”的综合实践教学目的。
参考文献
[1]王秀梅,胡蝶,房静.工程训练中心利用多学科综合优势开展创新教育的探索实践[J].实验技术与管理,2018(2).
[2]陈晓东,石雁南,张莉莉.无碳小车的设计、制作与创新实践[J].实验室研究与探索,2013,32(12):92-95.
[3]周静,刘全菊,张青.新工科背景下实践教学模式的改革与构建[J].实验技术与管理,2018(3):115-118.
[4]郝小江,唐宇,黄昆,等.创新训练项目成果在实验教学中的应用[J].实验科学与技术,2017,15(1):99-101.
[5]全国大学生工程训练综合能力竞赛组委会.http://www.gcxl.edu.cn/tzgg.htm
[6]方能杰,柳斌,王亨.“8”字循迹无碳小车创新设计[J].创新科技,2013(8):76-77.
[7]杨智,陈文凯,张钱龙,等.基于四杆机构的“双8字”无碳小车设计和仿真.
[8]武时会.双_8_字形无炭小车纯机械设计.创新科技,2013(12):66-68.
[9]曹斌,张海波,朱华炳.基于槽轮机构的8字轨迹无碳小车设计[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2014,37(6):661-665+704.
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