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摘要:现代机械工程具有复杂性的问题特征，良好的工程教育不仅需要学生扎实地掌握各环节独立的专业技能，而且必须建立起各环节专业知识的内在联系，只有这样才能培养出高素质的机械工程人才。本文围绕机械加工中典型的零部件齿轮轴，提出了从设计、制造到检测的全过程成果导向式模块化实验教学，将机械专业知识融会贯通，并使其原本的知识内部结构关系得以体现。采用开放式实验教学模式，有利于培养“过程+结果”新工科应用型技术人才。
关键词:模块化实验教学;成果导向;齿轮轴;专业知识交叉融合
1引言
现代工程问题的本质特征复杂［1，2］使得学生不仅要分门别类地掌握各门专业课程的知识，还要建立起不同课程乃至不同学科在本专业中的内在联系。模块化教学模式围绕能力和素质的教育专题，集中开展相关的理论知识、实践经验和操作技能的教与学。通过模块化的实验教学，可以让学生从被动学习转变为主动学习知识，使学生提高对专业知识学习的主动性［3］。人才培养是一个系统工程［4］，是新工科建设的基础，更新人才培养理念，重构培养目标和知识结构，转变培养方式是新工科人才培养模式的本质内涵［5］。机械工程作为应用型极强的学科，实验教学是培养高素质机械工程人才的重要环节［6，7］。将实验教学和理论讲解有机结合，可以达到培养学生基本实验技能和实际动手能力的目的［8］。针对传统机械学科实验教学存在内容分散、孤立、缺乏系统性、关联性以及作为理论课堂教学的附属品等现象［9］，机械学科的实验教学应进行从培养理念到结构设计等一系列自上而下系统性更新和变革，才能满足新工科人才培养的目标。本文结合机械产品设计、制造与检测全过程，对机械行业中典型的零部件齿轮轴进行了模块化实验教学设计，目的在于将传统的机械学科导向更新为以成果为导向，将教学模式由“以教师为主体”转变为“以学生为主体”，以提升机械工程素质教育。
2齿轮轴设计、制造与检测全过程分析
轴是组成机器的重要零件之一，其主要功能是传递运动和转矩、支撑回转零件［10］。当齿轮直径较小时，为保证齿轮和轴的强度，将齿轮和轴设计为一个整体(即采用齿轮轴结构)，齿轮轴的设计可分为齿轮参数设计和轴的参数设计。由于齿轮轴综合了齿轮和轴这两种典型零部件，故选择齿轮轴作为综合实验的设计、加工和检测对象。
2.1齿轮轴设计。齿轮轴设计包括轴系结构设计和齿轮的参数设计、选择。轴系结构设计中包括轴的材料选择、轴的结构设计、轴的强度和刚度计算等。其中，对于轴的结构设计，学生需要掌握轴头及联轴器的设计、轴承的选型及轴径的设计，掌握零件在轴上的固定方式，包括几种常用的轴向固定方式以及周向固定方式，并根据需要合理选择不同的固定方式，由此设计轴的结构形状，确定阶梯轴各轴段直径。齿轮设计包括齿轮强度设计准则和齿轮参数的确定。学生需在掌握齿轮强度设计和校核的基础上，学会确定齿轮设计中的几个重要参数，如齿数、模数和齿宽等。精度和公差的设计在齿轮和轴系零部件的设计中必不可少，通过齿轮轴的设计，学生可以掌握如何根据要求合理进行轴径基孔制尺寸公差设计、齿轮齿距精度和齿轮径向跳动设计、圆柱度和圆跳动公差以及键槽宽度表面的对称度等形位公差的设计。此外，还涉及到尺寸链的确定、倒角尺寸以及表面粗糙度等参数的设计。
2.2齿轮轴制造。齿轮轴的加工制造过程涉及到齿轮轴的三维建模、数控编程以及数控加工三个环节。学生需至少学会使用一种三维建模工具(如ProE、Solidworks、UG等)进行建模，自动导出二维图纸并进行尺寸、公差以及其它技术参数的标注，形成加工制造所需的完整设计图纸;制定零件加工工艺路线，并由此确定加工工序，合理选择每一道工序刀具型号，根据加工精度和表面质量合理确定切削用量;熟悉数控编程常用的操作指令，利用三维建模工具导出数控加工程序，或通过分析工艺过程，自行编写该齿轮轴的加工程序;学习数控机床的基本操作，如对刀、输入数控程序和使用加工程序进行加工等，以加工出所设计的齿轮轴零件。
2.3齿轮轴的精度检测。针对加工出的齿轮轴工件进行几何量公差和表面粗糙度等参数的检测，检验所加工的工件是否符合设计精度要求。学生需根据设计要求，了解测量工具和仪器的测量范围、测量精度等参数，合理选择测量工具和仪器。根据测量目的，了解不同测量工具和仪器(如立式光学比较仪、量块、内径百分表、光切法显微镜、便携式粗糙度仪、表面粗糙度标准样块、外径千分尺、齿轮周节检查仪、公法线千分尺和齿轮跳动检查仪等)的测量原理并掌握其使用方法，规范使用测量工具和仪器进行测量;处理测量数据，得出最终测量结果，通过对比分析测量结果判别是否在相应精度设计的要求范围内，判断工件是否符合公差或表面粗糙度等的设计要求。
3齿轮轴的设计、制造与检测综合实验方案设计
采用开放式实验教学模式，提出齿轮轴设计、制造、检测各阶段的任务目标，学生在规定时间段内分组完成各环节的成果要求，将全过程成果汇总成一份完整的工作说明书。分别根据轴和齿轮的工况提出设计要求，并制定具体的设计参数。进行轴系结构和齿轮参数设计时，要求学生根据设计结构进行三维模型，导出或自行绘制二维图纸，并进行尺寸、公差和其它技术要求的标注，形成完整的设计图纸。依据设计方案，通过编制数控加工程序，对工件进行实际加工。确定加工工艺和各加工工序切削用量，选择各加工工序所需刀具材料和型号，提交完整的数控加工程序。经过实际加工后，提交设计并加工出的齿轮轴零件。对所加工的工件进行尺寸公差、形位公差以及表面粗糙度等精度检测。根据公差、表面粗糙度等精度设计，选择合适的测量仪器对加工结果进行检测，需提交各检测参数的测量报告和检测结果，其中包括具体的测量数据和必要的数据处理过程。
4有机融合知识点
工程教育所设专业课程是独立的，但专业知识和技能却是连贯、互相交叉并有机融合的。要成为一名优秀的机械工程技术人员，不仅要掌握各个专业课程，而且要建立起各门专业课程之间的联系。齿轮轴的设计制造与检测综合实验涉及到多门专业核心课程中的知识点(见图1)，可将零散的知识通过成果导向融合于一根齿轮轴的设计、制造和检测全过程，达到所学即所用，并充分体现了各门专业核心课程之间的循序渐进又彼此交叉融合的系统性的关联关系。
5结语
目前，高校课堂教学方法以讲授法和灌输式为主的局面始终没有较大的改变［11］。通过模块化划分并重构，齿轮轴设计、制造与检测综合实验不仅锻炼了学生各环节的单项应用能力，而且通过一条从设计到制造到检测的主线，将分散在各环节的知识点按照它们之间系统的结构关系得以综合和连贯地体现。在理论与实践结合的基础上，为各门专业课程之间架起了沟通的桥梁，可以将理论知识真正融会贯通，并在实践中学会灵活运用，让学生可以“知所学，知所以学”，不再“只见树木，不见森林”。该综合性的实验课程可以引领学生整合不同课程的专业知识，聚合不同方面的工程技能，融合不同形式的思维，契合新工科人才培养模式。
作者:刘雪飞 杨春凤 毕文波 刘含莲 刘玥 李淑颖 刘璐 单位: 山东大学机械工程学院 山东大学国家级机械基础实验教学示范中心 高效洁净机械制造教育部重点实验室