线齿轮测量探索性实验教学设计与实践

吴广峰

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641）

实验是探索未知世界、推动科学发展的强大武器。随着我国综合国力的不断提高，实验教学在高等教育课程体系中的地位也越来越高[1]。机械基础实验课程的实验内容应反映机械学科的发展方向，但传统的机械类实验以验证性实验为主，创新性实验较少，这与新时代社会对创新人才的需求是不相称的，因此改革陈旧的实验内容和开展探索性实验是必须的。

探索性实验项目是实验教学的重要组成部分，而探索性项目来源于教师已取得的科研成果，能反映最新科研成果或实验技术的发展。探索性实验是指针对未知领域进行探索的实验，探索过程采用科学思维方法。总的来说探索性实验是一种开放式和研究型教学实验，对学生的学科基础和创新能力要求较高，因此，探索性实验对促进创新人才培养具有重大现实意义[2]。

2007年，在法国召开的世界机构与机器理论大会上，线齿轮的发明者陈扬枝教授首次公布了相关的研究成果。2017年年底，在广东中峪智能孵化中心，全球首批用数控机床生产出来的线齿轮样品正式面世，经过实验室验证，这批线齿轮完全达到了应用水平[3]。

线齿轮作为一种新型传动方式，它改变了传统齿轮以空间曲面为接触齿面、线性啮合的方式，采用空间曲线接触、点啮合的传动方式，避免了传统齿轮的跟切现象，可以实现平行轴、任意角交叉轴或交错轴传动，且最小齿数可以为1，齿轮设计方式理论上具有极大的灵活性。这从根本上解决了空间传动齿轮微小化设计的瓶颈问题。作为一种未来的传动方式，线齿轮产品可以广泛应用于包装机械、食品机械、仪表仪器、微小型机器人等行业。

目前，线齿轮专用机床解决了批量生产问题，线齿轮公差理论和检测判定是亟待研究的问题。本实验基于线齿轮最新研究成果，让学生通过实验课程去学习和探索线齿轮关键公差参数的测量和分析方法。在探索过程中能培养学生综合利用机械、电子、控制等方面的知识，对线齿轮测量方法进行探索，并确认线齿轮的关键参数可行性测量方法，最后完成线齿轮参数测量实验报告。

（一）实验用线齿轮的选择

齿轮公差的定义保证了齿轮的互换性，极大了促进了齿轮在各个领域的应用。随着齿轮精度标准的不断升级迭代，齿轮公差检测设备也不断升级。线齿轮的常见加工方法有3D打印、激光微烧蚀、滚齿加工和铣齿加工。研究表明，线齿轮成形铣削加工方法是常见加工方法中效率和质量最高的，适用于加工以圆柱螺旋线、圆锥螺旋线为主动接触线的外齿线齿轮[4]。探索性实验选用的线齿轮齿轮为铣削加工圆柱线齿轮，材质有POM和铝合金两种。

从外形上看，圆柱线齿轮（圆弧齿面）和普通渐开线斜齿轮类似。学生比较容理解，实操方便。渐开线圆柱齿轮是应用最广泛的齿轮，因而公差相关标准体系成熟，圆柱线齿轮可以借鉴现有的渐开线圆柱齿轮的公差及检测方法，相关仪器和测量设备也可以通用，因而采用圆柱线齿轮进行探索性实验，优势是明显的。

（二）实验测量的参数选择

国标GB/Z 18620和GB/T 10095中所规定的圆柱齿轮的主要偏差项目有影响运动准确性的偏差项目、影响运动平稳性的偏差项目、影响载荷分布均匀性的偏差项目、影响侧隙的单个齿轮偏差项目4类。

圆柱线齿轮的齿面为圆弧齿面，理论啮合曲线为圆弧齿面与螺旋半径圆柱面的交线。线齿轮传动为点接触传动，因而理论上只要保证理论啮合线区域的加工精度即可。根据实验室现有实验设备和条件，结合国标渐开线圆柱齿轮公差定义，研究选择4个参数作为探索性实验测量项目，如表1所示。

表1 线齿轮测量实验参数、仪器设备和意义

2021年秋季学期研究选择2019级机械工程3班来开展探索性实验，用探索性实验来替代传统互换性实验课程。探索性实验的实施主要分为以下几个步骤：实验预习→实验方案设计→实验实施→实验课堂作业→实验成绩评定→实验教学反馈调查。

（一）实验预习

实验预习采用SPOC+微课教学方式来组织，开课之前认真分析教学目标和学生特征，提炼教学过程中的重要知识点，将预习内容进行拆分，录制成小而精的微课，课前通过网络推送学习和预习资料给学生，让学生自主进行实验预习[5]。学生可以将预习中遇到的问题记录下来，并在课堂上与授课老师进行探讨交流，提高了课堂的利用效率。

（二）实验方案设计

学生通过课前预习了解线齿轮的技术特点，加工方法和测量方法。对实验室常用的测量仪器有一定的了解。每个同学可以根据自己的理解去设计线齿轮参数的测量和评价方法。再结合课堂上实验指导老师的介绍，修正和完善自己的实验方案。

（三）实验实施

这一项是探索性实验课程的核心，学生使用测量仪器测量线齿轮的相关参数，并完成实验报告。在实操过程中，以学生探索为主，实验老师随堂巡视，学生有疑难问题时可以随时跟老师交流沟通，直到问题解决。

（四）课堂作业的布置与完成

在上课之前，通过微信小程序，推送探索性实验的课堂作业给学生，学生带着作业问题去进行探索性实验，有的放矢。课堂作业需要当堂完成，而且提交的作业不可以相同，避免了相互抄袭的现象。比如测量线齿轮的径向跳动实验，需要学生拍摄一张测量过程中的图片，并在图片上标注千分表读数。以图片清晰、读数准确作为评价指标，可以量化给出学生课堂作业成绩。

（五）实验成绩的评定

合理的成绩评价体系能使学生的成绩更有区分度，同时兼顾公平，有利于教学改革的健康发展，同时能调动学生学习的积极性，营造良好的学习氛围[6]。线齿轮公差测量实验的成绩主要由五部分构成。

1.课前预习占20%，可以通过教学网站的后台数据查看每个同学观看预习资料的时长和完成预习情况；

2.课堂实操表现占40%，实验老师随堂记录学生的表现情况，并打分；

3.课堂作业占20%，根据课堂作业的完成情况当堂给分；

4.考勤占10%，有迟到和早退现象的，扣除相应分值；

5.实验教学调查问卷占10%。这一项分值旨在鼓励学生积极参与课程调查问卷，并给出优化建议，以不断优化探索性实验。

（六）实验教学反馈调查

探索性实验旨在激发学生学习的兴趣，培养了学生科研创新的意识和严谨的科研作风[7]。因此实验的效果好不好，怎么设计实验更好，要听学生的心声。学期末针对开展探索性实验的班级开展问卷调查，采用腾讯问卷的方式，推送调查表给学生。2019级机械工程3班共计41人，回收有效调查问卷共29份。调查表详情如表2所示。

表2 线齿轮测量实验学生问卷调查表

调查问卷显示，58.6%的同学表示通过实验充分了解了线齿轮这种新型的传动齿轮，说明学生对线齿轮了解不够，需要在学习网站提供更多的线齿轮学习资料、视频、实物模型等。86%的学生表示实验老师的讲解和辅导很到位，说明讲课和实验辅导还有提升空间。96%的同学表示实验题目难度适中，并表示愿意花时间去学习实验中新仪器的操作方法，说明实验题目设置较为合理。在意见和建议一栏，有学生提出要有线齿轮的应用实物供同学拆装和观看，这样对这种传动的理解就更直观。结合调查问卷数据，在下一学期的探索性实验设计中有侧重地进行改进，可以不断提高探索性实验的教学效果。

（七）传统互换性实验与探索性实验效果对比

传统互换性实验为验证性实验，而线齿轮测量实验为探索性实验，实验中遇到的问题会比传统实验多，整体实验难度稍大。将进行传统互换性实验的2019级机械工程1班与进行探索性实验的2019级机械工程3班同学的教学反馈进行对比发现，本科学生在老师的指导下，能较好完成难度稍高的探索性实验，学生通过探索性实验所获取的知识和技能要优于传统实验。特别是探索性实验让学生接触了先进的自动化测量仪器设备，为学生将来的读研深造打下坚实基础。具体对照项目以及内容如表3所示。

表3 传统互换性实验与探索性实验效果对比表

传统互换性实验均为验证性实验，学生实验过程虽然顺利，但是存在学生思维僵化、学习主观能动性不足和成绩区分度不大等问题，因而学生从实验中获取的知识和技能是有限的。探索性实验项目的实施弥补了传统实验课程的不足，线齿轮测量探索性实验对实验课程推动主要体现在三个方面。第一，使用的齿轮非传统齿轮，学生必须通过实验课程的预习去了解和认识这种新型传动机构，拓展了学生的知识面；
第二，线齿轮的测量方法和传统齿轮有一定区别，实验难度比传统实验大，且使用了先进的测量仪器，能显著提高学生的实操能力；
第三，本实验设置了难度适中的随堂作业和思考题，让学生动脑思考和分析实验结果的产生原因，提高了学生分析问题能力和创新能力。