機(jī)械原理課程探究式教學(xué)改革與探索

趙永杰 程西云

［摘要］針對(duì)機(jī)械原理課程進(jìn)行探究式教學(xué)改革與探索，我們可以提出機(jī)械原理課程教學(xué)中探究的內(nèi)容與探究式教學(xué)的一般步驟，并以機(jī)構(gòu)自由度分析與設(shè)計(jì)為例介紹探究式教學(xué)的實(shí)施過(guò)程。教學(xué)目標(biāo)檢驗(yàn)與學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)估證實(shí)，通過(guò)探究式教學(xué)可以取得滿意的學(xué)習(xí)效果。

［關(guān)鍵詞］機(jī)械原理教學(xué)改革探究式教學(xué)

［中圖分類(lèi)號(hào)］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2014）09-0141-03機(jī)械原理課是機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的主干課，是學(xué)習(xí)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)所必須要掌握的重要課程，國(guó)內(nèi)外高校的機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)對(duì)這門(mén)課也相當(dāng)重視。[1]針對(duì)機(jī)械原理的教學(xué)現(xiàn)狀，基于探究式教學(xué)原理對(duì)本課程實(shí)施探究式教學(xué)[2][3][4]，探究本課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容、學(xué)習(xí)側(cè)重點(diǎn)、學(xué)習(xí)方法、知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在機(jī)理、聯(lián)系與應(yīng)用以及機(jī)構(gòu)學(xué)的學(xué)術(shù)前沿，將有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生更好地理解、掌握與應(yīng)用本課程知識(shí)，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的目標(biāo)，也有助于實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。

一、機(jī)械原理探究式教學(xué)的設(shè)計(jì)思路

在課程教學(xué)過(guò)程中，由于時(shí)間、教師自身對(duì)知識(shí)的把握能力、學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)、學(xué)習(xí)素材等條件的限制，不可能對(duì)所有的內(nèi)容進(jìn)行探究式教學(xué)與學(xué)習(xí)。因此，我們采用有所選擇的原則，實(shí)行部分教學(xué)內(nèi)容探究，主要圍繞知識(shí)點(diǎn)探究、知識(shí)的內(nèi)在機(jī)理探究、分析設(shè)計(jì)方法，基于問(wèn)題或者基于項(xiàng)目探究進(jìn)行教學(xué)。

（一）機(jī)械原理教學(xué)中探究的內(nèi)容

1.知識(shí)點(diǎn)的探究。主要探究機(jī)械結(jié)構(gòu)自由度分析及應(yīng)用、自鎖的利用、齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)、桿傳動(dòng)特點(diǎn)、機(jī)構(gòu)死點(diǎn)的應(yīng)用。

2.知識(shí)點(diǎn)內(nèi)在機(jī)理的探究。主要探究常見(jiàn)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)形式以及優(yōu)缺點(diǎn)、常見(jiàn)的輸入為移動(dòng)輸出為轉(zhuǎn)動(dòng)、輸入為轉(zhuǎn)動(dòng)輸出為移動(dòng)、輸入為移動(dòng)輸出為移動(dòng)以及輸入為轉(zhuǎn)動(dòng)輸出為轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)形式、不平衡產(chǎn)生的原因及后果。

3.分析設(shè)計(jì)方法的探究。連桿機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的圖解法與解析法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例探究數(shù)值優(yōu)化法的優(yōu)勢(shì)。

（二）機(jī)械原理探究式教學(xué)的一般步驟

1.提出問(wèn)題。借鑒項(xiàng)目陳述式思路介紹問(wèn)題的背景，目的是提高學(xué)生的興趣與積極性。

2.相關(guān)資料查詢(xún)與分析。查詢(xún)相關(guān)的資料，了解所探尋問(wèn)題的外在表象與內(nèi)在機(jī)理。（1）推測(cè)與假設(shè)。對(duì)所探究問(wèn)題進(jìn)行推測(cè)假設(shè)，尋找可能的原因以及解決問(wèn)題的辦法。（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。對(duì)所研究的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，進(jìn)行探索分析。（3）尋求證實(shí)。通過(guò)分析或者實(shí)驗(yàn)探索，驗(yàn)證推測(cè)與假設(shè)的合理性。（4）信息和數(shù)據(jù)處理。處理探究過(guò)程中產(chǎn)生的信息與數(shù)據(jù)。（5）結(jié)論與表達(dá)。形成研究問(wèn)題的結(jié)論。

二、機(jī)械原理探究式教學(xué)實(shí)施過(guò)程與教學(xué)目標(biāo)檢驗(yàn)

本課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)之一是掌握平面機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析能力。因此，在探究式教學(xué)中以機(jī)械結(jié)構(gòu)自由度計(jì)算公式為切入點(diǎn)，探究機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成、機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算及現(xiàn)狀。針對(duì)課堂教學(xué)中講述知識(shí)點(diǎn)時(shí)學(xué)生不感興趣、講述知識(shí)點(diǎn)的用途及現(xiàn)狀時(shí)學(xué)生往往很感興趣的現(xiàn)象，我們把機(jī)械原理探究式教學(xué)講述思路調(diào)整如下：1.提出問(wèn)題。機(jī)構(gòu)自由度分析是機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的基本工具，完成機(jī)械裝備的開(kāi)發(fā)首先要根據(jù)功能的需求完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。2.知識(shí)點(diǎn)的講述與推導(dǎo)。以書(shū)本上的內(nèi)容為基礎(chǔ)介紹平面機(jī)構(gòu)與空間機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式，解釋公式的各個(gè)要素的組成。3.知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用及現(xiàn)狀。通過(guò)對(duì)平面機(jī)構(gòu)與空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式的學(xué)習(xí)，分析普通平面機(jī)構(gòu)與簡(jiǎn)單空間機(jī)構(gòu)的自由度，實(shí)現(xiàn)本課程中有關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)。4.教學(xué)目標(biāo)檢驗(yàn)。布置開(kāi)放性作業(yè)題目，檢驗(yàn)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。具體的探究過(guò)程如下。

（一）提出問(wèn)題

什么條件下機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)？機(jī)械裝置需要驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目是多少？機(jī)械系統(tǒng)自由度分析在這一問(wèn)題中所起到的作用是什么？機(jī)構(gòu)自由度分析是機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的基本工具，完成機(jī)械裝備的開(kāi)發(fā)首先要根據(jù)功能的需求完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。

1.分析現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目與驅(qū)動(dòng)器數(shù)目的關(guān)系，分析其中的原因。（1） 四連桿機(jī)構(gòu)需要安裝一個(gè)電機(jī)。（2）五連桿機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)電機(jī)。

2.說(shuō)明機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件。

（二）相關(guān)資料查詢(xún)與分析

布置任務(wù)查閱資料，經(jīng)過(guò)查閱資料分析，所探究的問(wèn)題屬于機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)問(wèn)題，解決這一問(wèn)題的途徑為機(jī)械自由度分析與設(shè)計(jì)。

1.機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式。

平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式：F＝3n-（2p1+pn）

空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式：F＝6n-（5p5+4p4+3p3+2p2+p1）。解釋?zhuān)簄活動(dòng)構(gòu)件數(shù)，p運(yùn)動(dòng)副數(shù)，下標(biāo)表示運(yùn)動(dòng)副級(jí)數(shù)即約束數(shù)。

探究自由度公式推導(dǎo)。（1） 平面機(jī)構(gòu)自由度公式構(gòu)成要素。① 自由不受約束的構(gòu)件在平面上具有3個(gè)自由度，2移動(dòng)+1轉(zhuǎn)動(dòng)。② 運(yùn)動(dòng)副的作用是將機(jī)械系統(tǒng)引入約束，約束構(gòu)件只能完成特定的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)副限制機(jī)構(gòu)只能沿某一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)副限制機(jī)構(gòu)只能沿導(dǎo)軌方向移動(dòng)。③ 平面機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目=活動(dòng)構(gòu)件自由度數(shù)目-運(yùn)動(dòng)副提供的約束數(shù)目。

（2） 空間機(jī)構(gòu)自由度公式構(gòu)成要素。① 自由不受約束的構(gòu)件具有6個(gè)自由度，3移動(dòng)+3轉(zhuǎn)動(dòng)。② 運(yùn)動(dòng)副的作用是將機(jī)械系統(tǒng)引入約束，約束構(gòu)件只能完成特定的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)副限制機(jī)構(gòu)只能沿某一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)副限制機(jī)構(gòu)只能沿導(dǎo)軌方向移動(dòng)。③ 空間機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目=活動(dòng)構(gòu)件自由度數(shù)目-運(yùn)動(dòng)副提供的約束數(shù)目。

機(jī)構(gòu)自由度分析與知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，目標(biāo)是加深對(duì)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式的理解，掌握其應(yīng)用。（1） 內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算。利用平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式，計(jì)算內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)的自由度等于1。（2） 空間四桿機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算。利用機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式，計(jì)算空間四連桿機(jī)構(gòu)的自由度等于1。

2. 知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用及現(xiàn)狀。通過(guò)對(duì)平面機(jī)構(gòu)與空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式的學(xué)習(xí)，分析普通平面機(jī)構(gòu)與簡(jiǎn)單空間機(jī)構(gòu)的自由度，實(shí)現(xiàn)本課程中有關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)。

機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算。（1） 計(jì)算一般機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，主要包括平面四連桿、五連桿、三角形機(jī)構(gòu)、空間四連桿等，目標(biāo)是掌握一般機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式的應(yīng)用。（2） 計(jì)算工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床自由度數(shù)目，目的是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。（3） 比較特殊機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算：平行四邊形機(jī)構(gòu)、Gough平臺(tái)等。

自由度公式的現(xiàn)狀。（1） 可計(jì)算數(shù)目，不能確定自由度的性質(zhì)。（2） 容易被工程師掌握，可以用來(lái)發(fā)明創(chuàng)造新機(jī)構(gòu)。（3） 適用于剛體機(jī)構(gòu)、柔順機(jī)構(gòu)、繩索機(jī)構(gòu)等，需要具體問(wèn)題具體分析。（4） 驅(qū)動(dòng)器的位置發(fā)生變化時(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將發(fā)生變化，自由度公式對(duì)此類(lèi)問(wèn)題無(wú)能為力。（5） 機(jī)構(gòu)學(xué)上存在欠秩機(jī)構(gòu)與冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，自由度數(shù)目不等于驅(qū)動(dòng)器數(shù)目。（6） 一些特殊機(jī)構(gòu)不適用自由度的計(jì)算公式。

設(shè)計(jì)創(chuàng)造新機(jī)構(gòu)。根據(jù)操作任務(wù)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求，依據(jù)自由度公式進(jìn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。（1）四連桿機(jī)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)精確的口型折線運(yùn)動(dòng)。（2）五連桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)精確的口型折線運(yùn)動(dòng)。（3）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征。

（三）推測(cè)與假設(shè)

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：1.機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目。2.如果驅(qū)動(dòng)器數(shù)目小于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目,則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將不完全確定。3.如果原動(dòng)件數(shù)大于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目,則會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。

（四）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

以平面四連桿機(jī)構(gòu)與平面五連桿為研究對(duì)象，分析其自由度數(shù)目，分析驅(qū)動(dòng)器數(shù)目與機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目不相同時(shí)可能發(fā)生的情形，課堂中可以紙板為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1.通過(guò)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)演示，四連桿機(jī)構(gòu)給定一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，即安裝一個(gè)電機(jī)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)完全確定，給定兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)最薄弱的地方損壞。2.通過(guò)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)演示，五連桿機(jī)構(gòu)給定一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不確定，給定兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)完全確定。3.推斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求應(yīng)該滿足，機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目等于驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目。

（五）尋求證實(shí)

根據(jù)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式，平面四連桿機(jī)構(gòu)的自由度等于1。平面四連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器數(shù)目應(yīng)該為1個(gè)時(shí)，機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。平面五連桿機(jī)構(gòu)的自由度為2，平面五連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器數(shù)目為2個(gè)時(shí)，機(jī)構(gòu)才具有確切的運(yùn)動(dòng)。調(diào)查研究證實(shí)：結(jié)構(gòu)為平面四連桿的機(jī)械裝備需要一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)為平面五連桿的機(jī)械裝備需要兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，常見(jiàn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器數(shù)目應(yīng)該等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目。

（六）信息和數(shù)據(jù)處理

所探索問(wèn)題的核心知識(shí)為：

1.平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式：F＝3n-（2p1+pn）

2.空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式：F＝6n-（5p5+4p4+3p3+2p2+p1）

3.機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目等于機(jī)構(gòu)自由度的數(shù)目。

（七）結(jié)論與表達(dá)

為使機(jī)械裝備具有確定的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)該使得機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目等于機(jī)構(gòu)自由度的數(shù)目。

（八）教學(xué)目標(biāo)檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，設(shè)計(jì)課外習(xí)題：1.分析10種自由度等于1的常見(jiàn)機(jī)構(gòu)。2.設(shè)計(jì)兩種自由度等于2的機(jī)構(gòu)。3.分析3種輸入為轉(zhuǎn)動(dòng)輸出為轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。4.分析3種輸入為轉(zhuǎn)動(dòng)輸出為移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。5.分析3種輸入為移動(dòng)輸出為移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。6.分析3種輸入為移動(dòng)輸出為轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。

探究式教學(xué)結(jié)果：作業(yè)顯示，只要認(rèn)真對(duì)待作業(yè)①,③,④,⑤,⑥都能做出答案，②的內(nèi)容屬于超越教學(xué)大綱的內(nèi)容，部分同學(xué)也能做出正確答案。

三、學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)估

機(jī)械原理課程的期末考試為閉卷考試，在期末考試中設(shè)置含虛約束的較復(fù)雜平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算的題目。期末考試總共有48人參加，其中45人能夠完全正確求解本題目，3人不能得滿分。這3人能解釋平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式的構(gòu)成要素，但對(duì)圖示機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。考試結(jié)果顯示：通過(guò)探究式教學(xué)可以使學(xué)生較好的掌握機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算，其中93.75%（45/48）的學(xué)生能夠應(yīng)用機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式分析比較復(fù)雜機(jī)構(gòu)的自由度。

四、機(jī)械原理探究式教學(xué)中的注意事項(xiàng)與教學(xué)反思

1.探究式教學(xué)對(duì)教師的要求：知道知識(shí)的來(lái)龍去脈。為上好探究式教學(xué)，教師要主動(dòng)學(xué)習(xí)，用專(zhuān)業(yè)知識(shí)與學(xué)術(shù)前沿知識(shí)武裝自己。2.探究式教學(xué)對(duì)教材的要求：教材內(nèi)容的編排格式需要修改，可按照提出問(wèn)題，講述知識(shí)點(diǎn)，解決問(wèn)題，分析問(wèn)題的思路進(jìn)行編寫(xiě)教材或進(jìn)行教學(xué)。3.課堂教學(xué)中探究的深度與范圍：盡可能在教學(xué)大綱內(nèi)探究，且探究的廣度、深度要跟教學(xué)目標(biāo)相結(jié)合，注意跟學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣相結(jié)合。4.仔細(xì)選擇素材，防止學(xué)生產(chǎn)生疲倦。

本文針對(duì)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的主干課程機(jī)械原理進(jìn)行探究式教學(xué)改革與探索，提出了機(jī)械原理課程教學(xué)中探究的內(nèi)容與探究式教學(xué)的一般步驟，并以機(jī)構(gòu)自由度分析與設(shè)計(jì)為例介紹探究式教學(xué)的實(shí)施過(guò)程，指出機(jī)械原理探究式教學(xué)中需要注意的事項(xiàng)。教學(xué)目標(biāo)檢驗(yàn)與學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)估證實(shí)，通過(guò)探究式教學(xué)可以取得滿意的學(xué)習(xí)效果。

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［2］溫·哈倫，韋鈺.科學(xué)教育的原則和大概念［M］.科學(xué)普及出版社，2011.

［3］韋鈺.十年做中學(xué)為了說(shuō)明什么:以科學(xué)研究為基礎(chǔ)的教學(xué)改革之路［M］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

［4］中華人民共和國(guó)教育部高等教育司高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目成果匯編.研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與示范［Z］.北京：高等教育出版社，2010.

［責(zé)任編輯：陳明］