機械原理教學探索和思考

呂方梅

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

機械原理教學探索和思考

呂方梅

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

機械原理是高等學校機械類專業(yè)的一門重要的技術基礎課程。本文從實踐角度出發(fā)，就機械原理課程教學中的圖解法和解析法的講授重點、基本研究方法和內(nèi)容的講授體系、學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和教學手段的應用等幾個問題進行探討，以達到與同行交流，和進一步提高機械原理教學質量。

機械原理；教學方法；教學質量

機械原理是高等學校機械類專業(yè)的一門重要的技術基礎課程，在培養(yǎng)高級機械工程技術人才的過程中，不僅為學生學習相關的技術基礎課程和專業(yè)課程起到承前啟后的作用，而且為學生今后從事機械設計和研究工作奠定必要的基礎。近幾年來，隨著計算機等新技術的出現(xiàn)和各高校課程體系的深化改革，機械原理課程的內(nèi)容不斷更新和增加，然而各高校相關課程的教學課時卻不斷減少。在這種矛盾情況下，本文從作者的教學實踐出發(fā)，就機械原理課程教學中的圖解法和解析法的講授重點、基本研究方法和內(nèi)容的講授體系、學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和教學手段的應用等幾個問題進行探討，以期通過與同行的交流探討，進一步提高機械原理教學質量。

一、 圖解法與解析法的講授重點

機械原理作為機械設計理論和方法中的重要分支，主要研究機構的結構、運動分析、常用機構的分析與設計、機器動力學、機械系統(tǒng)運動方案的設計等方面的內(nèi)容[1-5]。高等學校機械原理教材中主要闡述包括連桿、凸輪和齒輪三大常用機構。隨著計算機技術的發(fā)展普及，常用機構的計算機輔助分析和設計成為一種新趨勢。在近年出版的機械原理教材中，關于三大機構的運動分析和設計的圖解法和解析法都進行了闡述，尤其是平面連桿機構和凸輪機構的設計方法中增加了較多解析法的內(nèi)容，圖解法的篇幅相應進行了縮減。面對課程內(nèi)容增加和課時縮減的矛盾，實際授課中不可能做到對各章節(jié)的圖解法和解析法面面俱到地講述，需要兼顧到各章節(jié)的具體內(nèi)容及其實際工程應用做到講述時重點突出。圖解法雖然不具有解析法設計的精確性和可重復性優(yōu)點，但是對圖解法原理的理解對掌握解析法的建立模型和列方程都有幫助。

例如教材中凸輪輪廓曲線設計，無論圖解法還是解析法，都是通過反轉(即變換“機架”) 將凸輪固定為“機架”，再按照從動件與凸輪的相對運動關系求出凸輪輪廓曲線，因此最好先把反轉法原理和圖解法設計凸輪機構的步驟給學生講清楚。連桿機構設計中的圖解法或圖譜曲線已經(jīng)基本可以滿足工程設計需要，尤其借助計算機輔助作圖軟件應用圖解法也可以達到解析法的精確程度[6]，因此也應該把圖解法講述清楚。

解析法的講授如果泛泛地講公式推導和求解往往效果較差，最好能和技能訓練結合起來，例如講完連桿機構的解析法運動分析之后，讓學生進行一個六桿機構的運動分析，講完凸輪廓線的設計后，讓學生用解析法進行凸輪輪廓曲線的設計。通過親自動手編寫程序、繪出運動曲線或輪廓曲線等實踐，學生可以更好地掌握解析法的實際應用和一般步驟。

二、 基本研究方法與內(nèi)容的講授體系

機械原理課程的內(nèi)容從整體上來說更趨于是一種方法論。在機械原理的教學中，決不是讓學生記住幾個知識點或會解幾道題目，而要重視讓學生掌握科學的基本的研究方法。對機械原理課程中常用的基本研究方法和知識內(nèi)容要融會貫通并形成講授體系。教材中的一些基本研究方法通常貫穿于各章節(jié)內(nèi)容中，把這些方法經(jīng)過總結、歸納和提煉并展示給學生，幫助學生對全書各章節(jié)內(nèi)容歸納、比較，找出內(nèi)在聯(lián)系，建立完整的理論體系，切實掌握機械原理的研究思路與方法。

例如在平面連桿機構設計中，無論是剛體導引機構還是函數(shù)機構的設計，都可以通過變換“機架”把問題簡化為求解一虛擬固定鉸鏈點的問題進行解決。而在凸輪輪廓曲線的設計中，通過反轉即變換“機架”將凸輪假想固定為“機架”，然后按照從動件與凸輪的相對運動關系求出凸輪輪廓曲線。在推導周轉輪系傳動比的計算時，也是通過反轉將系桿固定為“機架”，把周轉輪系轉化為定軸輪系進行求解。上述各章內(nèi)容中的轉換機架法、反轉法、相對運動法和運動倒置法從根本原理講是一致的，都是相對運動原理在機構分析與綜合中的應用，通過相對運動達到變換“機架”，即改變參照系。像這類機械原理課程的重要思維方法，在講課中應該向學生明確。又例如機械原理中的壓力角這一基本概念。在連桿機構中定義為：在不計摩擦力、慣性力和重力的條件下，機構中驅使輸出件運動的力的方向線與輸出件上受力點的速度方向間所夾的銳角，通常用α來表示。在凸輪機構中是指從動件在高副接觸點所受的法向壓力F與從動件在該點的線速度υ方向所夾的銳角，常用α表示。在漸開線齒輪中定義為齒廓在接觸點K所受的正壓力方向（即齒廓在該點的法線方向）與該齒輪繞軸心O轉動的線速度方向所夾的銳角稱為漸開線在該點處的壓力角，用αK表示。壓力角α的本質都是力F與速度υ的夾角，反映了機構傳力的效果。在每一章講到壓力角時，應把連桿機構、凸輪機構和齒輪機構中的定義聯(lián)系起來講，比較其共性和不同的表述，以加深學生的深刻理解。

此外，機械原理與前驅課程如理論力學等的內(nèi)容關系密切，講課中如果把前驅課程中所學過的理論與機械原理要講述的問題和內(nèi)容聯(lián)系起來，不但可以順利地引導學生思考，而且使講授內(nèi)容更易于接受。例如平面機構的運動分析一章中，用矢量方程圖解法作機構的速度和加速度分析時，所采用的基本原理是理論力學中的運動合成原理，事先要求學生把理論力學書上的相關內(nèi)容復習一下，針對同一剛體上不同點之間的相對轉動和不同剛體上兩個重合點之間的相對滑動兩種相對運動情況，分別采用簡單圖列幫助學生復習一下，加深學生對于該部分理論的理解，這對于學生正確列出運動矢量方程非常有幫助。

三 、學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

機械原理教學的目的是通過課程學習，使學生掌握機構學和機器動力學的基本理論、知識和技能，學會常用基本機構的分析和綜合方法，具有進行機械系統(tǒng)運動方案設計的初步能力，最終讓學生具備一定的機械綜合設計能力和產(chǎn)品創(chuàng)新能力。俗話說：“給人以魚，不如授之以漁”。機械原理的授課過程不是照本宣科地講授知識，而更重要的是啟發(fā)學生的思維，點燃思維火花，讓學生學會一種思考和解決問題的方法，重視學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，授課過程中要摒棄滿堂灌“填鴨式”的授課方式，通過啟發(fā)、誘導、提示、點撥，使學生積極主動地進行思考，從而培養(yǎng)學生獨立思考的習慣和意識，獲得解決問題的辦法。平時授課中，選擇一些日常常用機構或工程實際應用的題目讓學生參與討論，不但可以提高學生的學習興趣，而且培養(yǎng)學生解決工程實際問題的初步能力。

此外，要重視理論與實踐結合、動手實踐與動腦思考相互促進，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與熱情?，F(xiàn)在國家和各高校都很重視學生的創(chuàng)新思維和實踐，近幾年舉辦的大學生機械創(chuàng)新設計大賽成為檢驗學生創(chuàng)新能力的一個平臺。學生發(fā)揮自己的積極性、主動性和創(chuàng)意性，查閱創(chuàng)新專利網(wǎng)，根據(jù)所學的知識構思設計方案，然后畫出機構的運動簡圖，進行結構設計和運動分析。不但可以激發(fā)學生的參與創(chuàng)新活動的積極性，也一定程度上鍛煉了學生，增強了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，也是理論教學的有益補充。

四 、多種教學手段的靈活應用

機械原理課程的特點是概念多、公式多、圖形多、教學內(nèi)容具有動態(tài)性特點。采用傳統(tǒng)的教學手段和方式，教授過程具有一定抽象性，學習過程也要求較高的想象力，加重了講課與學習的難度。電腦和多媒體等現(xiàn)代化的教學資源和教學手段令制作課件更加容易，摒棄了傳統(tǒng)掛圖和黑板作圖，尤其動畫軟件令機構和系統(tǒng)運動原理更加直觀和形象，有助于學生理解和記憶；此外多媒體教學節(jié)約板書時間、增加課程信息量、擴大學生視野、提高教學效率和教學質量。但是CAI課件只是一種為教學服務的輔助教學手段， 它并不能代替課堂上教師的啟發(fā)、引導等主導作用，對于機械原理課程的某些內(nèi)容就不適于使用多媒體教學。例如涉及圖解法的機構分析和設計內(nèi)容時，如四桿機構、凸輪機構的設計，采用多媒體教學效果并不好，學生流于一種表面的理解過程，缺少了思考過程。而應用傳統(tǒng)教學手段黑板作圖講授的方法把設計思路與步驟用板書表示出來，給學生留下思考的空間，調節(jié)課堂節(jié)奏，突出教學重點，學生更容易領悟。傳統(tǒng)教學手段有利于調節(jié)課堂節(jié)奏，給學生留下思考的余地，對鍛煉學生的深入思考和分析能力仍然是不可或缺的。此外，傳統(tǒng)教學有利于教師針對學生的理論基礎和認知能力，靈活調整教學方法，即使講授同一問題、方法或概念，根據(jù)學生的特點也要隨時調整論述問題的角度，以充分調動學生的主觀能動性，啟發(fā)學生能動地去思考，加深學生理解吸收，達到最佳的教學效果。因此，機械原理課程需要多媒體教學和傳統(tǒng)教學多種教學手段有機結合，不能全部依賴多媒體，還可以借助教學模型、陳列柜等教具增加學生的感性認識和直觀性。另外，隨著Internet和校園計算機網(wǎng)絡等的建設與發(fā)展，借助在線協(xié)作式學習也成為機械原理教學的新途徑。

五、 結 論

面對機械原理課程內(nèi)容的增加和課時減少的矛盾，要求教師明確教學目的，熟悉教學內(nèi)容，靈活運用多種教學手段和方法，以提高授課效果和質量，培養(yǎng)具有發(fā)展創(chuàng)造能力的機械類專業(yè)技術人才。

[1] 鄭文緯，吳克堅. 機械原理（第七版） [M] . 北京：高等教育出版社，1997

[2] 鄒慧君，等. 機械原理[M] . 北京：高等教育出版社，1999

[3] 申永勝. 機械原理[M] . 北京：清華大學出版社，1999

[4] 孫桓，陳作模主編. 機械原理（第六版）[M] . 北京：高等教育出版社，2001

[5] 王知行，劉廷榮. 機械原理[M] . 北京：高等教育出版社，20006

[6] 王勇.計算機輔助圖解法求解機械原理問題[J].合肥學院學報（自然科學版），2005年3月 第15卷第1期

Exp loration and thought on the Teaching of Mechanisms and Machine Theory

Lu Fang-mei

(College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093)

Mechanisms and Machine Theory is a major technical basic course in mechanical engineering of institution of higher education. From the perspective of practice , the paper explores several teaching issues, such as focus on teaching of graphical method and analytical method, teaching system of basic research methods and content ,innovation ability cultivation of students and flexibility in the use of a variety of teaching methods ,etc..The aim is to exchange views with the peers, and to improve the quality and effect of teaching.

mechanisms and machine theory; teaching methods ; teaching effect