引機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目入機(jī)械原理教學(xué)

劉艷+張樂瑩+李靜

[摘 要]機(jī)械原理是一門理論性、系統(tǒng)性和實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是向?qū)嵺`性較強(qiáng)的專業(yè)課過渡的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。如何根據(jù)機(jī)械原理課程的特點(diǎn)來提高教學(xué)質(zhì)量一直是一個(gè)熱點(diǎn)問題。目前，機(jī)械原理教學(xué)存在一定的不足之處。應(yīng)該以提出問題和解答為主線，引導(dǎo)學(xué)生在大學(xué)期間注重實(shí)踐創(chuàng)新，積極參與大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新項(xiàng)目，改善目前教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱、學(xué)生動(dòng)手能力弱的現(xiàn)狀。

[關(guān)鍵詞]實(shí)踐創(chuàng)新;機(jī)械原理;教學(xué)方法

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）11-0111-03

機(jī)械原理是一門介紹機(jī)械中常用機(jī)構(gòu)和一般工作條件下常用參數(shù)范圍內(nèi)的通用零部件設(shè)計(jì)的基本知識(shí)、基本理論和基本方法的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是機(jī)械類及相關(guān)工程類專業(yè)的必修課程。在機(jī)械原理這門課程中，學(xué)生要掌握“三大機(jī)構(gòu)”和“三大分析”?！叭蠓治觥奔礄C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析的基本知識(shí);“三大機(jī)構(gòu)”即連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與綜合。機(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(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)能力，即針對(duì)不同的設(shè)計(jì)任務(wù)，綜合運(yùn)用多學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，提出多種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)確定最優(yōu)方案。因此，它又是一門多學(xué)科、實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。[1]

一、機(jī)械原理教學(xué)中存在的問題

當(dāng)今世界，科技發(fā)展日新月異，技術(shù)快速發(fā)展，而我們的教材一直是經(jīng)典教材，課程的內(nèi)容跟不上科學(xué)研究的發(fā)展，也跟不上技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，甚至存在有些知識(shí)點(diǎn)是實(shí)際應(yīng)用中多年棄之不用的技術(shù)等問題。結(jié)合這幾年授課經(jīng)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)，機(jī)械原理教學(xué)中存在如下幾點(diǎn)不足：

第一，缺少實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，缺少學(xué)生創(chuàng)造性思維能力和實(shí)際設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

第二，重理論知識(shí)系統(tǒng)性而輕工程應(yīng)用背景的介紹。如連桿機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)動(dòng)副（鉸鏈），學(xué)生從書本上見到的只是桿是直線和鉸鏈?zhǔn)菆A組成的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活的機(jī)械產(chǎn)品難有較好的感性認(rèn)識(shí)。特別是在大四做畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，構(gòu)件與構(gòu)件之間的實(shí)際的鉸鏈的裝配關(guān)系容易出錯(cuò)。

第三，缺少對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)新技術(shù)、新發(fā)展和新成果介紹，以及機(jī)構(gòu)解析法設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

第四，與其他課程聯(lián)系少，往往是就機(jī)構(gòu)分析而機(jī)構(gòu)分析，可通過設(shè)立綜合性強(qiáng)的課題，將機(jī)械原理與工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)合進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì)，或結(jié)合設(shè)計(jì)比賽進(jìn)行串接。

第五，在實(shí)踐環(huán)節(jié)，每年都做同一個(gè)題目“減速器的課程設(shè)計(jì)”，只是每個(gè)學(xué)生的數(shù)據(jù)不同而已，沒有體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教育理念，使得該環(huán)節(jié)程序化，制約了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

以上問題的存在，使得本來是創(chuàng)新性強(qiáng)、思維發(fā)散靈活、創(chuàng)作激情澎湃的機(jī)械原理教學(xué)，有可能變成理論實(shí)際脫節(jié)、教學(xué)過程枯燥、學(xué)習(xí)目標(biāo)盲目、學(xué)習(xí)激情減退、教學(xué)質(zhì)量下降的灌輸式教學(xué)。[1]

二、要善于提出問題，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考

在教學(xué)過程中，需要將學(xué)生的地位至于教學(xué)的核心。讓學(xué)生參與到教學(xué)活動(dòng)里，在進(jìn)行教學(xué)之前可以設(shè)置多重問題，讓學(xué)生在問題的引導(dǎo)下層層深入，自主進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的興趣和效率。

機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算是機(jī)械原理教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一，教師要做到深入淺出地講授構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副產(chǎn)生約束作用，由此自然給出平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式。不僅加入了理論知識(shí)，還使用一些簡(jiǎn)短視頻和動(dòng)態(tài)圖，讓學(xué)生了解各個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間的關(guān)系，便于理解和識(shí)別復(fù)合鉸鏈、虛約束等特殊情況。增加一些趣味性和實(shí)際生活中常見并且熟悉的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，或者對(duì)看起來復(fù)雜的機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。引領(lǐng)學(xué)生在計(jì)算自由度的時(shí)候建立對(duì)機(jī)械原理的最初理解以及興趣。鼓勵(lì)學(xué)生將學(xué)到的機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用。建立簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)和對(duì)機(jī)構(gòu)原動(dòng)件到從動(dòng)件進(jìn)行順序分析的解題思路。提出機(jī)構(gòu)，讓學(xué)生自由分析和進(jìn)行計(jì)算，再進(jìn)行講解。培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

齒輪機(jī)構(gòu)在各種機(jī)器中應(yīng)用廣泛，在講授這部分知識(shí)時(shí)，利用在實(shí)驗(yàn)室不同類型齒輪機(jī)構(gòu)的模型和視頻、聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行理論知識(shí)的講解，可以加強(qiáng)學(xué)生知識(shí)的理解。首先要建立對(duì)一般齒輪類型的認(rèn)知。了解齒輪傳動(dòng)在實(shí)際應(yīng)用中的重要性，再提取最普通的直齒圓柱齒輪進(jìn)行分析?？梢宰寣W(xué)生自己探索分度圓，齒根圓，模數(shù)等的意義。通過對(duì)齒廓的研究了解漸開線各個(gè)參數(shù)的意義，了解為什么漸開線是最常用的齒廓，從而了解漸開線的優(yōu)點(diǎn)。再通過實(shí)際嚙合狀態(tài)，提出嚙合相關(guān)的問題，包括嚙合規(guī)律、傳動(dòng)比、重合度等疑問。在研究斜齒輪、蝸輪蝸桿傳動(dòng)時(shí)，讓學(xué)生類比齒輪的公式，進(jìn)行公式的推斷，從而了解其與漸開線直齒圓柱齒輪的異同。通過讓學(xué)生研究對(duì)不同齒輪加工方法的異同，了解齒輪的加工過程。按照從實(shí)際到理論，從設(shè)計(jì)到制造的順序，提出不同階段的問題，引領(lǐng)學(xué)生建立系統(tǒng)的齒輪方面的知識(shí)。了解不同階段不同的公式以及公式的來源。[2]

三、注重實(shí)踐創(chuàng)新

我校教師帶領(lǐng)學(xué)生連續(xù)參加第四、五、六、七屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽（慧魚組）。2014年我校學(xué)子一舉斬獲一等獎(jiǎng)，不僅取得了我校在此項(xiàng)賽事中的最好成績(jī)，還實(shí)現(xiàn)了我校在該賽事一等獎(jiǎng)獎(jiǎng)項(xiàng)的零的突破，為學(xué)校贏得了榮譽(yù)。還帶領(lǐng)學(xué)生參加了江蘇省第五屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽暨第六屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽獲省二等獎(jiǎng)，不僅要求學(xué)生設(shè)計(jì)出作品，并且要做出實(shí)物，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬。據(jù)悉，全省獨(dú)立學(xué)院獲得的最高獎(jiǎng)項(xiàng)為二等獎(jiǎng)，且只有三項(xiàng)，我校即占其中之一。今年我們爭(zhēng)取再接再厲取得好名次。

第七屆（2016年）全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的主題為“服務(wù)社會(huì)——高效、便利、個(gè)性化”;內(nèi)容為“錢幣的分類、清點(diǎn)、整理機(jī)械裝置;不同材質(zhì)、形狀和尺寸商品的包裝機(jī)械裝置;商品載運(yùn)及助力機(jī)械裝置”。我們選擇關(guān)于錢幣的分類、清點(diǎn)、整理機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)。

在當(dāng)今的社會(huì)生活中，人們?cè)桨l(fā)注重綠色出行，因此公交車出行越來越成為人們優(yōu)先選擇的公共交通設(shè)備。然而，現(xiàn)如今公交車上錢幣分類主要依靠人工或者簡(jiǎn)易的投幣裝置，這樣的方式成本高并且效率低下。這都預(yù)示著新型的多功能投幣機(jī)械將會(huì)被人們廣泛使用，其需求量將會(huì)越來越大。作品一設(shè)計(jì)的是新型公交車投幣箱。利用簡(jiǎn)單的滑道及杠桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行紙幣及硬幣的分離，再以簡(jiǎn)單的滑道機(jī)置對(duì)不同面值的硬幣進(jìn)行分類，如圖1所示。由兩個(gè)滑道構(gòu)成主要結(jié)構(gòu)，上面一個(gè)滑道兩點(diǎn)固定，主要是給硬幣和紙幣一個(gè)下落的初速度，下面的滑道是一個(gè)杠桿結(jié)構(gòu)，硬幣的質(zhì)量完全可以壓下杠桿落入硬幣箱，人們把硬幣從投幣口投入，經(jīng)過一系列物理反應(yīng)，達(dá)到分離的目的。此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要能源輸入，只需要小小的改動(dòng)就能更便利。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：1.沒有科幻元素，處處體現(xiàn)實(shí)用化。簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)容易制造，并且出現(xiàn)故障容易修理。2.無須通電和供能，因此投幣機(jī)十分安全并且節(jié)能、受到的使用限制也會(huì)大大縮小。3.設(shè)計(jì)制造成本低，可批量生產(chǎn)，便于推廣。此設(shè)計(jì)不僅功能齊全、可靠性高，并且機(jī)械裝置簡(jiǎn)單，大大降低了公交公司的生產(chǎn)成本，價(jià)格的低廉也將會(huì)贏得廣泛的客戶群。由于成本低，可以批量生產(chǎn)，具有廣泛的市場(chǎng)性和實(shí)用性。

作品二是根據(jù)公交車上的投幣特點(diǎn)（需要人們一個(gè)一個(gè)投）設(shè)計(jì)了該產(chǎn)品，如圖2所示。我們根據(jù)硬幣的直徑不同，給它們?cè)谲壍郎习才帕瞬煌某鰩趴?，使得不同面額的硬幣進(jìn)入不同的空間內(nèi)。由于目前我國新版人民幣有三種圓形硬幣，其直徑依次為：一元硬幣25mm、5角硬幣22.5mm、1角硬幣20.5mm。所以我們將第一個(gè)出口處的擋板與軌道的間距設(shè)置為21mm（先將一角錢分出），將第二個(gè)出口處的間距設(shè)置為23mm（再將五角錢分離），最后的出口的間距設(shè)置為26mm。這樣，不同的硬幣就會(huì)不同的出口處落出，原理如圖3所示。我們?cè)诿恳粋€(gè)出幣口搭建了一個(gè)容器，使它的開口直徑不超過它所盛裝的硬幣的直徑（裝一元的容器直徑為40mm，五角的為40mm，一角的為30mm）的兩倍;我們又測(cè)量出每一種硬幣的厚度（一元為1.85mm，五角為1.65mm，一角為1.67mm），然后根據(jù)計(jì)算，在容器外表面標(biāo)出刻度（不同的高度對(duì)應(yīng)不同的數(shù)量，如：在一元容器外，每隔18.5mm，畫一刻度線，標(biāo)出數(shù)字十;在五角容器外，每隔16.5mm，畫一刻度線，標(biāo)出數(shù)字十;在一角容器外，每隔16.7mm，畫一刻度線，標(biāo)出數(shù)字十）。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 1.可進(jìn)行硬幣的分類。2.可計(jì)數(shù)根據(jù)測(cè)量硬幣堆積的厚度，從而計(jì)算出硬幣的數(shù)量。3.將軌道分段銜接。4.原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。5.系統(tǒng)還具備升級(jí)和擴(kuò)展的潛能。本作品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可后續(xù)添加其他功能，較好地滿足了硬幣發(fā)展的需求。

作品制作歷時(shí)四個(gè)月，經(jīng)過多次改造。從剛開始產(chǎn)品設(shè)計(jì)的構(gòu)思到最后整個(gè)作品的制作完成都充分發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提高了學(xué)生針對(duì)實(shí)際需求進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新、設(shè)計(jì)、制作的實(shí)踐能力。[3]

四、總結(jié)

通過這次研究課題的實(shí)踐，不僅讓學(xué)生學(xué)到了許多了專業(yè)知識(shí)，而且培養(yǎng)了其解決問題的能力。其次，團(tuán)隊(duì)管理也是很重要的，一個(gè)團(tuán)隊(duì)核心就是通過合作去開展工作，這樣才能發(fā)揮最大的效益。合作就需要良好的管理，對(duì)于不同的問題需要設(shè)立討論小組，對(duì)問題進(jìn)行研究，集眾人之力去解決問題。最后筆者認(rèn)為，本次研究關(guān)鍵就是不斷反思問題，從反思中取得突破。研究是個(gè)連續(xù)的過程，在每個(gè)階段發(fā)現(xiàn)問題才能確定接下來工作的方向，這樣不斷進(jìn)行反思總結(jié)，才能取得突破，取得最后的勝利。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 孫亮波.在機(jī)械原理教學(xué)中引入機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目的研究與實(shí)踐[J].機(jī)械，2010（12）：21-23，33.

[2] 殷勇輝，高志，章蘭珠.提高機(jī)械原理課程教學(xué)質(zhì)量的思考與實(shí)踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2014（6）：57-59.

[3] 張躍，李雪瀅等.淺談大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目對(duì)機(jī)械類應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的促進(jìn)——以南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院為例[J].大學(xué)教育，2015（8）：168-169.

[4] 黃晨華，蔡小夢(mèng)，毛桂生.提高機(jī)械原理教學(xué)質(zhì)量的方法探討[J].大學(xué)教育，2012（11）：92.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]