提高機(jī)械原理課程教學(xué)質(zhì)量的思考與實踐

殷勇輝+++高志+++章蘭珠

摘 要：機(jī)械原理是一門理論性和實踐性很強的基礎(chǔ)課。本文針對教學(xué)中出現(xiàn)的問題，從教學(xué)內(nèi)容的共性知識提煉，以問題的提出和解答為主線，適時地從引入和拓展新知識等方面著手，探討了具體內(nèi)容的教學(xué)模式和方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和思考的主動性，有效地提高了機(jī)械原理課程的課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理；教學(xué)方法；教學(xué)質(zhì)量

“機(jī)械原理”課程是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化等專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課，具有很強的工程性、實踐性和應(yīng)用性。在“機(jī)械原理”課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生要掌握機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析、機(jī)構(gòu)的運動學(xué)分析和機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析三方面的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的理論分析能力?！皺C(jī)械原理”課程的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生具有創(chuàng)新機(jī)構(gòu)運動方案的設(shè)計能力，即針對不同的設(shè)計任務(wù)，綜合運用各方面的相關(guān)知識，提出多種機(jī)構(gòu)運動方案，并進(jìn)行綜合評價。因此，它又是一門實踐性很強的學(xué)科。

作為大學(xué)二年級的本科學(xué)生來講，由于大多數(shù)學(xué)生缺乏實踐知識和實踐經(jīng)驗，經(jīng)常對所講的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)和機(jī)器動力學(xué)等內(nèi)容缺乏實際驗證，普遍感到抽象、難學(xué)。如所表達(dá)運動特征的機(jī)構(gòu)運動簡圖與實際機(jī)器相差甚遠(yuǎn)，很難將兩者有機(jī)地聯(lián)系起來。在機(jī)械系統(tǒng)運動方案創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)中和完成習(xí)題時經(jīng)常出現(xiàn)和所學(xué)理論脫節(jié)，甚至感到無從下手的狀況。所提出的運動機(jī)構(gòu)設(shè)計方案過于簡單，或者作業(yè)完成耗時過長，難以體現(xiàn)教學(xué)成果。因此，本文從激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力和知識應(yīng)用能力，提高機(jī)械原理的課堂教學(xué)質(zhì)量角度，探討機(jī)械原理教學(xué)過程中的注意事項和實踐工作。

一、教學(xué)內(nèi)容要注重共性知識的提煉

該課程重點在于使學(xué)生掌握關(guān)于機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)運動學(xué)和機(jī)器動力學(xué)的基本理論、基本知識和基本方法，難點是理論性強，知識點多，學(xué)生在有限的課堂教學(xué)中不容易理解和掌握。因此，教師應(yīng)在對課程內(nèi)容深入理解的基礎(chǔ)上，抓住重點和難點，綜觀全局，提煉出分布在各章節(jié)中的共性知識。

如機(jī)械原理課程中多次用到“當(dāng)量分析法”，是一種科學(xué)抽象方法。教材中考慮移動副摩擦?xí)r，針對非平面的槽面接觸、圓柱面接觸等幾何形狀改變的移動副時，采用當(dāng)量摩擦因數(shù)和當(dāng)量摩擦角將形狀的影響與平面接觸的摩擦因數(shù)和摩擦角時統(tǒng)一起來。在斜齒輪研究時，以齒形與斜齒輪法面齒形相當(dāng)?shù)凝X輪作為當(dāng)量齒輪，方便選擇加工斜齒輪的銑刀號、斜齒輪的強度計算以及選擇端面變位系數(shù)。由于錐齒輪大端的球面漸開線投影到背錐上得到的齒廓曲線與球面漸開線上的齒廓曲線非常接近，近似用背錐齒形代替圓錐齒輪大端齒形，而將背錐張開的扇形齒輪補充為完整的圓柱齒輪即為錐齒輪的當(dāng)量齒輪。

依據(jù)理論力學(xué)中相對運動原理，課程中貫穿始終采用的“反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)法”。講解時采用模型、動畫演示連桿機(jī)構(gòu)及凸輪機(jī)構(gòu)的運動變化，說明反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方法的實質(zhì)并不改變構(gòu)件之間的相對運動關(guān)系。比如在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)三種基本類型轉(zhuǎn)換時，就是選擇不同構(gòu)件作為機(jī)架，即僅僅是參考坐標(biāo)改變而已。在給定連架桿的位置設(shè)計平面四桿機(jī)構(gòu)時，采用“反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)法”設(shè)計原理實現(xiàn)將函數(shù)機(jī)構(gòu)設(shè)計問題轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)引機(jī)構(gòu)設(shè)計問題。對于凸輪輪廓曲線設(shè)計的圖解法和解析法，假設(shè)凸輪靜止不動，保證凸輪與從動件之間相對運動不變，從動件尖頂?shù)倪\動軌跡就是凸輪輪廓曲線，所依據(jù)的基本原理也是“反轉(zhuǎn)法”原理。后續(xù)的齒輪輪系設(shè)計章節(jié)中，計算周轉(zhuǎn)輪系傳動比采用固定行星架的方法也以“轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)法”為基礎(chǔ)，將周轉(zhuǎn)輪系轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄝS輪系。

在教材中針對平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運動分析中和動態(tài)靜力分析過程中均采用的“桿組法”兩者的思想同樣基于機(jī)構(gòu)組成原理而來，但在具體使用中又有差別。平面機(jī)構(gòu)運動和動力分析圖解法方法中使用的速度多邊形、加速度多邊形、力多邊形和機(jī)械靜平衡和動平衡中采用的質(zhì)徑積分析方法等，均基于“矢量多邊形方法”。

這樣在講解相關(guān)內(nèi)容時，就可以共性知識研究的基本方法和思路為主線，提綱挈領(lǐng)，使學(xué)生對不同內(nèi)容貫穿起來，涉及的不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容通過類比、觸類旁通。共性知識的提煉，既理清了思路，又節(jié)省了教學(xué)時間，得到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

二、講解要善于提出問題，引導(dǎo)學(xué)生主動思考

在教學(xué)過程中，學(xué)生必須成為教學(xué)過程的參與者，才能使學(xué)生從被動接受轉(zhuǎn)為主動學(xué)習(xí)。因此，教師應(yīng)力求對內(nèi)容高度熟練，將重點內(nèi)容整理成幾個主要問題，以問題為主線展開，學(xué)生在試圖解答問題時，就會主動思考，積極參與，由此提高教學(xué)效果。

機(jī)構(gòu)自由度計算部分是教學(xué)的重點內(nèi)容，老師要做到深入淺出地講授構(gòu)件和運動副的概念，分析運動副產(chǎn)生約束作用，由此自然給出平面機(jī)構(gòu)自由度計算公式。在自由度計算例題中，故意導(dǎo)入“誤區(qū)”，引導(dǎo)學(xué)生找出問題，引申出復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束等需要注意的三個因素，并加以歸納和總結(jié)，加深學(xué)生對公式的理解和正確運用。這部分內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，邏輯性強，其中涉及的概念和公式都按照自由度主線來表述。講解時力求學(xué)生弄清楚我們進(jìn)行了怎樣的推理才得出公式的表達(dá)？我們做了哪些假設(shè)才可以正確運用？我們的結(jié)論對機(jī)構(gòu)的運動有什么意義？引導(dǎo)學(xué)生逐步理解課程的重點和難點，這樣使課堂內(nèi)容的系統(tǒng)性加強，引導(dǎo)學(xué)生走向一門學(xué)科，融入科學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

在講授齒輪機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計這一章內(nèi)容時采取問題啟發(fā)式，使教學(xué)內(nèi)容充實生動，且抓住學(xué)生對于問題答案的好奇心進(jìn)行知識的傳授。利用各種機(jī)器中使用的不同類型齒輪機(jī)構(gòu)的模型、聯(lián)系實際進(jìn)行介紹。比如可以提出如下問題：“齒輪機(jī)構(gòu)的類型雖然很多，但為什么直齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)是最簡單，最基本，也是應(yīng)用最廣泛的一種”，“不同的齒輪嚙合傳動背后隱藏那些規(guī)律”，“齒輪的齒廓曲線與一對齒輪的傳動比有什么關(guān)系”。通過一對齒輪的運動分析，歸納出齒廓嚙合基本定律并進(jìn)一步給出共軛齒廓曲線的概念。進(jìn)一步提出“為什么目前絕大部分的齒輪仍然采用漸開線作為齒廓曲線”，介紹其原因在于漸開線齒廓具有許多獨特的優(yōu)點，而這些優(yōu)點與漸開線的特性密切相關(guān)。從漸開線的形成入手，分析漸開線的特性，為后面分析漸開線齒廓的傳動特點打下基礎(chǔ)。在介紹斜齒輪、蝸輪蝸桿齒輪和圓錐齒輪時，重點介紹其與漸開線直齒圓柱齒輪的異同，可以提出“實際生產(chǎn)中是斜齒輪使用的多還是直齒輪多？兩類齒輪的加工方法或加工設(shè)備需要改變嗎？”等問題，引發(fā)學(xué)生去探索和求解問題的答案，加深學(xué)習(xí)的興趣和思考的主動性。

三、教學(xué)過程要注重新知識的吸收和拓展

經(jīng)過多年的發(fā)展，機(jī)械原理的分析方法相對成熟，但是有些分析方法已相對陳舊，如對機(jī)構(gòu)的運動和動力分析，目前主要有圖解法、解析法。圖解法與解析法兩種方法兼容并存、相得益彰。圖解法主要用于闡明機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計的原理，并為解析法建立數(shù)學(xué)模型奠定基礎(chǔ)；解析法的重點放在如何建立機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，以適應(yīng)計算機(jī)輔助設(shè)計和解決工程問題的通用性。在講解時由于準(zhǔn)確性差或直觀性等問題，學(xué)生在學(xué)習(xí)時感覺接受起來比較困難，制約了教學(xué)效果。而適時引入虛擬樣機(jī)技術(shù)、機(jī)械工程軟件則極大簡化教學(xué)過程，彌補實踐環(huán)節(jié)的不足，能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效果。

在講解機(jī)構(gòu)的自由度概念時，拓展學(xué)生課外討論的興趣，讓學(xué)生分析人體上肢有多少自由度？一般的機(jī)械手的自由度有幾個？結(jié)合機(jī)械手指的設(shè)計，指出每個手指有三個關(guān)節(jié)，即3個自由度，5個手指則具有15個自由度。根據(jù)機(jī)械原理的理論知識得知，如果機(jī)構(gòu)具有確定運動，則需要給定原動件的數(shù)量和自由度相同，進(jìn)一步分析當(dāng)兩者不同時出現(xiàn)何種情況？對于原動件數(shù)小于自由度時，機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生不確定或無規(guī)則的運動。對于原動件數(shù)大于自由度的情況，即冗余驅(qū)動機(jī)構(gòu)則會出現(xiàn)運動的干涉或損壞。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，可吸收新知識，引申出新型的欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)，指出該類機(jī)構(gòu)可以采用新型控制策略來實現(xiàn)，或者可以通過機(jī)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)類型設(shè)計，使其具有確定運動。更進(jìn)一步則提出變結(jié)構(gòu)或柔性結(jié)構(gòu)的概念，通過新知識的拓展，引導(dǎo)學(xué)生跳出課本思維，激發(fā)學(xué)生大膽進(jìn)行深入思考。

機(jī)械原理課程是培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)人才的重要基礎(chǔ)課程，是進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程的橋梁，在學(xué)科體系中起承上啟下的作用。教師的教學(xué)工作不僅傳授知識，更重要的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、思考的主動性和強烈的求知欲。作者結(jié)合多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗，針對學(xué)生學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的問題，總結(jié)了提高課堂授課效果和教學(xué)質(zhì)量的方法。在教學(xué)過程中教師要熟悉教學(xué)內(nèi)容，提煉其中的共性知識，講解時要精選案例。教學(xué)方法上應(yīng)以問題的提出和解答為主線，注重講重點、講難點、講思路、講方法，幫助學(xué)生自覺地走向科學(xué)的探究中。同時在教學(xué)中要注重知識拓展，使學(xué)生更加深刻地理解所學(xué)知識，引發(fā)深度思考，使教學(xué)質(zhì)量跨上一個新臺階。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王行知，鄧宗全. 機(jī)械原理（第二版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2] 高志，殷勇輝，章蘭珠，崔立. 機(jī)械原理[M]. 上海：華東理工大學(xué)出版社，2011.

[3] 申永勝. 機(jī)械原理教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4] 孫恒，陳作模. 機(jī)械原理（6版）[M]. 北京：高等教育出版社，2001.

[責(zé)任編輯：文和平]