以實例教學(xué)為驅(qū)動的機械原理課程教學(xué)

景作軍　王宇　陳?！≮w明

摘 要 “機械原理”是高等工業(yè)學(xué)校本科機械專業(yè)教學(xué)計劃中重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個機械專業(yè)課程體系中占有主干地位，對培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題及提升創(chuàng)新的能力具有重要的作用。本文就北方工業(yè)大學(xué)近年來在機械原理課程的內(nèi)容改革與教學(xué)方式方面所進行的初步工作進行了總結(jié)和歸納，主要介紹了機械原理課程“以實例教學(xué)為驅(qū)動”的一些做法，旨在調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并使該課程的原理與方法能更緊密地與工程實踐相結(jié)合，使學(xué)生加深對該課程原理與方法的理解，鍛煉應(yīng)用該課程原理與方法解決工程實際問題的能力。

關(guān)鍵詞 機械原理 實例教學(xué) 課程改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.03.047

Abstract "Principle of Mechanical" is an important professional basic course in teaching plan of mechanical professional in higher industrial school， occupying the trunk status in the entire mechanical professional curriculum system， playing an important role in cultivating students' ability to analyze and solve problems and improve their innovation . In this paper， we combine and summary the preliminary work we have done in the content of the mechanical principle course reform and teaching methods in the North China University of Technology in recent years， mainly introducing "driven by instance teaching"， which aims to arouse the students' learning positivity and closely combines the principle with engineering practice to make students have a better understanding of the course， exercising the ability to apply the theory to solve practical engineering problems.

Key words principle of mechanical； instance teaching； curriculum reform

0 引言

“機械原理”是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究內(nèi)容包括機器與機構(gòu)的分析與設(shè)計的原理，機構(gòu)與機器的運動與動力學(xué)分析，對機械系統(tǒng)運動方案給出初步的設(shè)計。通過“機械原理”的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握、了解機器與機構(gòu)分析與設(shè)計的基本原理與方法，鍛煉學(xué)生運用所學(xué)基本原理與方法分析、解決工程實際問題的初步能力。①

機械原理以往的課程體系主要體現(xiàn)的是一種學(xué)科體系，該體系對系統(tǒng)掌握機械原理的理論與方法是有益的，但這對初學(xué)者是有一定學(xué)習(xí)要求的，具體來說只對部分學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生適用，而對部分學(xué)習(xí)能力較弱的學(xué)生將存在一定的難度，對該部分學(xué)生來說若不付出較大的努力，則機械原理課程的內(nèi)容難以完全掌握。這種情況對于普通高校的機械專業(yè)學(xué)生具有一定的普遍性，針對這種情況需要在教學(xué)內(nèi)容的安排與教學(xué)方法進行改變；而實例教學(xué)就是針對工程中的設(shè)計問題與工程案例而組織的一種教學(xué)方法，這種教學(xué)方法的實施也可以達到機械原理課程教學(xué)的基本要求。

1目前機械原理教學(xué)存在的主要問題

1.1 學(xué)生的課堂參與度不高

機械原理的知識體系是建立在高等數(shù)學(xué)、普通物理、機械制圖和理論力學(xué)等先修課程的理論基礎(chǔ)之上，而且本課程的許多理論知識又直接為學(xué)習(xí)機械設(shè)計及相關(guān)專業(yè)課等后續(xù)課程建立理論基礎(chǔ)，②雖然本課程的教學(xué)具有專業(yè)基礎(chǔ)課的性質(zhì)，但同時在一定程度上又具有專業(yè)課的性質(zhì)。

對于普通高等院校而言，部分學(xué)生的理論學(xué)習(xí)能力相對下降，再加上總體課業(yè)存在較重的情況，學(xué)生很難預(yù)先進行課程內(nèi)容的預(yù)習(xí)，隨著課程內(nèi)容的增加與深入，與要達到的課程教學(xué)目標也漸遠，造成進一步的學(xué)習(xí)困難，主動參與課程學(xué)習(xí)的積極性更低，如若授課人數(shù)過多，客觀上也不利于學(xué)生主動參與課堂教學(xué)，再加上移動網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，吸引了部分同學(xué)的注意力。課堂教學(xué)如何最大程度地吸引學(xué)生，提高學(xué)生的參與度與積極性是一個現(xiàn)實的問題。

1.2 工程背景薄弱

一般機械基礎(chǔ)研究除了具備基礎(chǔ)性、科學(xué)性和創(chuàng)新性以外，也應(yīng)具有應(yīng)用型的本質(zhì)特征，③而對于本科學(xué)生來講，由于大多數(shù)學(xué)生缺乏工程實踐知識和經(jīng)驗，對所講的機構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)和機器動力學(xué)等內(nèi)容缺乏必要的感性認識，在一定程度上感到抽象、難學(xué)，實際機器與表達其運動特征的機構(gòu)運動簡圖之間存在較大差距，很難將兩者有機地聯(lián)系起來，對于現(xiàn)實生活的機械產(chǎn)品也難有較好的感性認識，這就致使學(xué)生在機械系統(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。所提出的運動機構(gòu)設(shè)計方案過于簡單，或者作業(yè)完成耗時過長，教學(xué)效果不夠理想。

因此，在講授課程原理與方法時，應(yīng)著力加強講清相關(guān)的工程實例或工程應(yīng)用背景，明確設(shè)計要求與具體的設(shè)計任務(wù)，這樣有助于提高學(xué)生的注意力與興趣。在教學(xué)過程中以學(xué)生為中心，結(jié)合工程實例與應(yīng)用背景，不但可以豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，也具有積極的意義。

2實例教學(xué)在機械原理教學(xué)中應(yīng)用

以實例教學(xué)為驅(qū)動的教學(xué)方法是一種將具體工程實例應(yīng)用于教學(xué)，在此過程中能夠提高學(xué)生理論水平和實踐能力的教學(xué)方法，能夠較有針對性地運用理論知識去分析問題，從而可以加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解。

2.1合理設(shè)計教學(xué)實例

機械原理課程不僅表現(xiàn)專業(yè)基礎(chǔ)課的性質(zhì)，而且會更多地表現(xiàn)專業(yè)課的性質(zhì)，無論是概念設(shè)計還是方案設(shè)計，機械原理課程都起重要作用，對于創(chuàng)新設(shè)計機械原理的作用更加突出。從實際問題中提取出課程的教學(xué)實例，對于實現(xiàn)課程的教學(xué)目的，將起到支撐的作用。教學(xué)實例可來自工程案例、工程的設(shè)計問題、科研的實踐過程中，該教學(xué)實例應(yīng)盡可能涵蓋機械原理課程多個教學(xué)知識點，應(yīng)具有一定的綜合性，不脫離現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容體系，而是將其融入其中。實際工程問題往往是復(fù)雜的，進行教學(xué)實例設(shè)計時，應(yīng)在不失真的前提下，進而合理簡化，形成規(guī)范的機構(gòu)運動簡圖，明確已知條件和分析、設(shè)計任務(wù)，解決該任務(wù)所涉及的理論與方法，由于這種實際分析與設(shè)計任務(wù)的驅(qū)動，從而帶動機械原理課程的教學(xué)。

在設(shè)計教學(xué)實例中應(yīng)注重與其他機械基礎(chǔ)學(xué)科的聯(lián)系，要從機械系統(tǒng)的角度去分析機構(gòu)的工作原理、特點及其在系統(tǒng)中的作用，確定機構(gòu)設(shè)計的要求，要將整個機械課程為基礎(chǔ)來研究機械問題。因此對工程實例的選擇要盡量選擇圍繞本專業(yè)知識、技能與技能培養(yǎng)方向的實例，圍繞該實例中所涉及的知識、能力、技能培養(yǎng)等重點；再有就是要選擇貼合工程實際的實例，選擇在生產(chǎn)生活中比較容易接受的、學(xué)生認可并容易理解的實例，最后就是工程實例的內(nèi)容要對課程教學(xué)重點、難點有所側(cè)重，利于學(xué)生快速把握關(guān)鍵問題，能夠提出自己的見解。

2.2實例教學(xué)的實施

（1）實例1：壓力機六桿運動與力分析。壓力機六桿機構(gòu)可用于沖裁成形、剪切成形等成形加工。該機構(gòu)要求分析其滑塊輸出的速度、加速度，在受到成形阻力后，作用于曲柄軸上的驅(qū)動力矩的大小，為了要得到成形機的運動、受力、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)及效率等性能，要對其進行圖解法的運動與受力分析，為了要得到桿的合理尺寸及機械效率，要對整個成形過程進行解析法的運動與力分析，結(jié)合壓力機六桿機構(gòu)的設(shè)計分析要求，通過圖解法與解析法進行運動與受力的分析的講解，對壓力機六桿機構(gòu)再布置作業(yè)，要求學(xué)生課下完成。在這種項目驅(qū)動下，去分析討論學(xué)習(xí)機械的運動分析，機械運動與力分析，會增強真實性與目的性，提高學(xué)習(xí)效率。

（2）實例2：牛頭刨六桿機構(gòu)的運動與力分析。牛頭刨是一種常見的六桿機構(gòu)形式，對該機構(gòu)的設(shè)計包括有機構(gòu)的速度、加速度、考慮摩擦與不考慮摩擦的受力分析等。從機構(gòu)的結(jié)構(gòu)的設(shè)計上根據(jù)六桿機構(gòu)的綜合方法可以設(shè)計出多種的六桿機構(gòu)類型。對該六桿機構(gòu)的分析可以分解為兩種較簡單的機構(gòu)形式，導(dǎo)桿、連桿與滑枕組成擺桿滑塊機構(gòu)、曲柄、滑塊與導(dǎo)桿組成擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，進行機構(gòu)的運動分析時，對擺桿滑塊機構(gòu)的速度分析是一種典型的基點法，對擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的速度分析是一種典型的復(fù)合運動分析方法，這兩種方法是圖解速度分析的基本方法，同時設(shè)計要求給出切削全過程的速度分析，這時候可以采用矢量分析解析法，進行受力分析時，實施采用考慮摩擦的靜力分析方法，不考慮摩擦的考慮慣性動態(tài)靜力方法。同時還可以對機構(gòu)的機械效率進行分析，對它的傳力特性（壓力角）進行分析。通過這個教學(xué)項目的實施把課程中的運動、力及效率的知識理論方法融在一個實際的問題當中，學(xué)生接受起來相對直觀一些。

（3）實例3：成形機的動力學(xué)分析。成形機是一種由伺服電機驅(qū)動，通過減速器，滾珠絲杠帶動滑臺，滑臺上裝有輥膜，靠輥模實現(xiàn)對鋼板的連續(xù)彎曲成形，輥模相當于數(shù)控機床的刀具。在成形過程中，輥模帶載沿機床橫向左右運動，其移動的位置有嚴格的要求，為此要對其進行運動力學(xué)分析，分析其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間等，此項目的形成帶動了機械運動方程分析的等效動力學(xué)方法教學(xué)，如何進行等效量的變換，如何建立等效動力學(xué)模型，如何對模型進行求解，理論與實踐達到了較好的統(tǒng)一，也說明了理論對實踐的指導(dǎo)意義。

（4）汽車雨刷器的機構(gòu)設(shè)計：汽車雨刷器的機構(gòu)設(shè)計可簡化為根據(jù)雨刷的擺角范圍進行四桿機構(gòu)的設(shè)計。結(jié)合按急回特性要求設(shè)計四桿機構(gòu)的方法，獲得曲柄鉸鏈中心的位置，討論曲柄鉸鏈中心的位置對該四桿機構(gòu)的傳力性能與連續(xù)性的影響，結(jié)合雨刷器無急回特性的要求，令極位夾角等于零獲得曲柄鉸鏈中心的位置。通過這個實例使學(xué)生加深了對四桿機構(gòu)急回特性、傳力特性及運動連續(xù)性的理解。

2.3實例教學(xué)驅(qū)動的教學(xué)方法的效果與問題

通過這種教學(xué)方法，能夠使課堂上比較單一的理論、方法與工程實際有機聯(lián)系起來，吸引了學(xué)生的注意力，并且提高了學(xué)生的積極性，從而提高了學(xué)生對課程教學(xué)內(nèi)容的接受程度，由于工程實例的設(shè)計分析大多帶有一定的綜合性，對于提高學(xué)生的分析問題與解決問題的能力有較大幫助作用。實例驅(qū)動教學(xué)法的實施對工程實例設(shè)計還需要更加深入，特別是應(yīng)帶有一定的綜合性，與其它課程內(nèi)容的融合，不一定一次講完，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容分次講解，另外對學(xué)生布置作業(yè)完成實例的分析設(shè)計任務(wù)。

3 總結(jié)

通過一些工程實例教學(xué)，提高了學(xué)生的注意力與學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使原先課程上較單一的理論、方法有了應(yīng)用背景，加深了學(xué)生對課程理論、方法的理解，同時結(jié)合工程實例講解課程內(nèi)容，通常還帶有一定程度的綜合性，這種綜合性的教學(xué)與實際的工程設(shè)計過程更為接近。對工程實例進行更深入的設(shè)計和引入更多的工程實例，相信對機械原理課程的教學(xué)會提供更大的幫助。

注釋

① 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006：2-4.

② 潘存云，唐進元.機械原理[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2011：5-7.

③ 雷源忠.機械學(xué)科發(fā)展歷程[M].北京：科學(xué)出版社，2015：89.