“鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)”之教學(xué)探討

李銘

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是就書(shū)本而書(shū)本，因枯燥無(wú)味，使學(xué)生產(chǎn)生了厭學(xué)情緒。針對(duì)這種情況，本人在擔(dān)任《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)工作多年的時(shí)間里，不斷總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了一些好的教學(xué)辦法，取得了良好的課堂效果，非常受學(xué)生們的歡迎。現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹一下《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程中的“鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)”一節(jié)新的教學(xué)方法。

一、教材分析

1、地位作用

本節(jié)課是《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的重要知識(shí)點(diǎn)，是“平面四連桿機(jī)構(gòu)”的核心，也是對(duì)鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步理解和認(rèn)識(shí)。這些基本機(jī)構(gòu)是四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的基礎(chǔ)，將越來(lái)越多的被應(yīng)用于自動(dòng)化操作及工程運(yùn)輸機(jī)械中，也會(huì)為學(xué)生在今后工作中的創(chuàng)新發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

2、教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)：1）掌握并運(yùn)用曲柄存在的條件，判斷鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型；2）掌握急回特性，行程速比系數(shù)的含義；3） 掌握死點(diǎn)產(chǎn)生的條件及應(yīng)用。

能力目標(biāo)：1）培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析及綜合歸納能力；2）培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索、協(xié)作學(xué)習(xí)的能力。

思想目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)的情感偏好，主動(dòng)參與的意識(shí)和科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的工作作風(fēng)，使學(xué)生樹(shù)立辯證唯物主義的世界觀和方法論。

3、重點(diǎn)難點(diǎn)

由曲柄是否存在條件來(lái)判斷出機(jī)構(gòu)的類(lèi)型是本節(jié)課的重點(diǎn)。急回特性原理分析、行程速比系數(shù)的影響因素，都要求學(xué)生有嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的抽象思維能力，是本節(jié)課的難點(diǎn)。

4、教材處理

本著突出重點(diǎn)和突破難點(diǎn)的原則，我對(duì)教材做了如下處理：（1）通過(guò)平面四連桿機(jī)構(gòu)教具直觀演示與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的方法，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)、步步深入。通過(guò)觀察、分析、歸納、總結(jié)，得到曲柄存在的條件、急回特性和死點(diǎn)產(chǎn)生的原因。（2）為使急回特性產(chǎn)生的條件簡(jiǎn)單易懂，我還補(bǔ)充講了急回特性系數(shù)這一概念。

二、教法設(shè)計(jì)

主要采用直觀演示和啟發(fā)式教學(xué)方法，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)例—?jiǎng)?chuàng)新問(wèn)題情境—提出問(wèn)題—探究驗(yàn)證—?dú)w納總結(jié)—實(shí)踐應(yīng)用等環(huán)節(jié)，使學(xué)生順利地掌握上述重點(diǎn)，消化難點(diǎn)并用“引導(dǎo)——激勵(lì)”方式引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，激勵(lì)學(xué)生解決問(wèn)題。教學(xué)手段采用模型直觀教學(xué)和多媒體輔助教學(xué)。

三、學(xué)法指導(dǎo)

1、通過(guò)教師采取的創(chuàng)新、形象、生動(dòng)的教學(xué)氛圍，讓學(xué)生能主動(dòng)參與，積極探索，善于思考，協(xié)作學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

2、采用提取舊知—積極思維—實(shí)驗(yàn)探索—構(gòu)建新知—鞏固深化的教學(xué)方法。

四、教學(xué)過(guò)程

在導(dǎo)入本節(jié)課時(shí)，教師應(yīng)首先提出一個(gè)復(fù)習(xí)性的問(wèn)題：

“鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型有哪些？”當(dāng)學(xué)生一一答出后，接著請(qǐng)學(xué)生將提前準(zhǔn)備好的硬紙板、圖釘、剪子……制作出這些機(jī)構(gòu)。由于學(xué)生不了解四連桿機(jī)構(gòu)的性質(zhì)，所以制作中存在著盲目性，會(huì)遇到困難，教師順勢(shì)導(dǎo)出新課：“本節(jié)課我們就來(lái)解決它，學(xué)習(xí)鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)”。這樣安排新課的導(dǎo)入，目的在于有意給學(xué)生設(shè)置困難，希望學(xué)生解決，故而使學(xué)生對(duì)新課產(chǎn)生興趣，提高學(xué)習(xí)效果。

（一）曲柄存在的條件

這是本節(jié)課的重點(diǎn)知識(shí)，采用教師引導(dǎo)，學(xué)生自主探索的方式完成教學(xué)目標(biāo)。教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，又和學(xué)生在一起找到了解決問(wèn)題的鑰匙，激勵(lì)學(xué)生去敲開(kāi)知識(shí)的大門(mén)，尋找答案。從而培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。推論這部分，教材上沒(méi)有給出轉(zhuǎn)動(dòng)副的概念，但此概念有助于推論知識(shí)的理解，所以教師應(yīng)先給學(xué)生補(bǔ)充上。若AB是曲柄，則A、B是周轉(zhuǎn)副，C、D是擺動(dòng)副。若固定的是最短桿的相鄰桿，A是轉(zhuǎn)動(dòng)副，于是得到了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；若固定最短桿件，A、D是轉(zhuǎn)動(dòng)副，于是得到了雙曲柄機(jī)構(gòu)；若固定最短桿的相對(duì)桿，A、D是擺動(dòng)副，于是得到了雙搖桿機(jī)構(gòu)。

請(qǐng)學(xué)生用填空的方式完成推論知識(shí)的歸納總結(jié)，這樣做會(huì)使基礎(chǔ)知識(shí)得到了及時(shí)的練習(xí)，強(qiáng)化了重點(diǎn)內(nèi)容。接著，趁熱打鐵，請(qǐng)同學(xué)們完成開(kāi)始未完成的制作。由于有了理論知識(shí)作指導(dǎo)，學(xué)生會(huì)感覺(jué)到有的放矢，體會(huì)到“知識(shí)就是力量”，從而培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)的渴望情感。

課堂布置一道與鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有關(guān)的綜合性實(shí)踐題目，拓展學(xué)生的能力，并且使學(xué)生在做題中意識(shí)到，在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄可以是主動(dòng)件，搖桿也可以是主動(dòng)件。這為學(xué)生下邊將要學(xué)習(xí)的兩個(gè)問(wèn)題做了鋪墊——急回特性就是曲柄是主動(dòng)件的情況下，搖桿的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)；而第二個(gè)問(wèn)題死點(diǎn)位置是在搖桿是主動(dòng)件的情況下產(chǎn)生的。

（二）急回特性和行程速比系數(shù)

這是本節(jié)課的難點(diǎn)，采取教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題；根據(jù)結(jié)論分析問(wèn)題；舉例、探討消化問(wèn)題的教學(xué)思路等。

急回特性的典型應(yīng)用是牛頭刨床，對(duì)于此，教材上只是一提，但要了解此機(jī)構(gòu)就要從機(jī)構(gòu)的演化談起。

牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)就是根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動(dòng)原理制成的。刨刀安裝在橫梁上，速度較慢的工作行程用于切削；速度較快的空回行程，用于刨刀迅速?gòu)?fù)位，節(jié)省了大量輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。其實(shí)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的這一特性在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用還很多，如沖床、液壓泵等。

現(xiàn)場(chǎng)放再放一段牛頭刨床正在工作的畫(huà)面效果會(huì)更好。

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)搖桿CD趨于無(wú)窮大時(shí)，C點(diǎn)不能做弧線(xiàn)運(yùn)動(dòng)嗎？不能，它只是做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這就是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

在一些重型機(jī)械中，由于普通的轉(zhuǎn)動(dòng)副的直徑較小，不能傳遞很大的載荷。在這兩種情況下，往往將轉(zhuǎn)動(dòng)副B擴(kuò)大為一個(gè)圓盤(pán)，其直徑超過(guò)曲柄半徑AB之長(zhǎng)，即下圖的偏心輪結(jié)構(gòu)。

教師的拋磚引玉，將進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散性思維，促使他們對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)展開(kāi)熱烈的討論，以達(dá)到能力提升的目的。

（三）死點(diǎn)的位置

這是本節(jié)課的了解性?xún)?nèi)容。教師首先用實(shí)例使學(xué)生對(duì)死點(diǎn)位置有感性認(rèn)知，從而完成由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的思維過(guò)程。

現(xiàn)舉兩個(gè)例子進(jìn)行講解：1、縫紉機(jī)腳踏板機(jī)構(gòu)；2、工件的夾緊機(jī)構(gòu)

有了前邊的兩個(gè)實(shí)例，學(xué)生對(duì)死點(diǎn)位置的概念較易理解。教材中死點(diǎn)位置的概念，是以曲柄搖桿為藍(lán)本，描述的內(nèi)容較多，教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生歸納出能揭示死點(diǎn)位置本質(zhì)的概念：即驅(qū)動(dòng)力對(duì)從動(dòng)件的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，這一概念有助于對(duì)死點(diǎn)位置進(jìn)行有效分析。

板書(shū)設(shè)計(jì)：

1、曲柄存在的條件：

a + d≤b + c

a + b≤d + c

a + c≤b + d

則推算出：a ≤b

a ≤c

a ≤d

由此可知，在四連桿機(jī)構(gòu)中，要使連架桿成為曲柄，須具備如下兩個(gè)條件：（1）連架桿與機(jī)架中必有一個(gè)是最短桿；（2）最短構(gòu)件與最長(zhǎng)構(gòu)件的長(zhǎng)度之和必小于或等于其余兩構(gòu)件的長(zhǎng)度之和。

根據(jù)曲柄存在的條件，我們還可以做出以下推論。（1）如果鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)中，最短構(gòu)件與最長(zhǎng)構(gòu)件的長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩構(gòu)件的長(zhǎng)度之和，則可有以下三種情況：a.以與最短構(gòu)件相鄰的構(gòu)件為機(jī)架時(shí)，則該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；b.以最短構(gòu)件為機(jī)架時(shí)，該機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；c.以與最短構(gòu)件相對(duì)的構(gòu)件為機(jī)架時(shí)，該機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。（2）如果鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)中，最短構(gòu)件與最長(zhǎng)構(gòu)件的長(zhǎng)度之和大于其余兩構(gòu)件的長(zhǎng)度之和，則無(wú)論以哪一構(gòu)件為機(jī)架，均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

2、急回特性

1）當(dāng)θ=0°時(shí)，K=1，無(wú)急回特性 2）當(dāng)θ>0°時(shí)，K>1，有急回特性

3、死點(diǎn)

若以搖桿為主動(dòng)件，且處于連桿與曲柄共線(xiàn)時(shí)，此時(shí)傳動(dòng)角γ=0°，不論用多大的力都不能使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，即產(chǎn)生了頂死現(xiàn)象。

4、實(shí)踐應(yīng)用

a.野外攝影車(chē)座斗升降機(jī)構(gòu)；b.港口鶴式起重機(jī)； c.顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)和沖壓機(jī)構(gòu)；d.沖床中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

結(jié)論：課后進(jìn)行總結(jié)回顧，并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行小結(jié)，形成完整的知識(shí)體系。教師點(diǎn)出本節(jié)課的知識(shí)主線(xiàn)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，以曲柄為主動(dòng)件，有急回特性；以搖桿為主動(dòng)件，有死點(diǎn)位置。使學(xué)生對(duì)本節(jié)課的設(shè)計(jì)思路有了進(jìn)一步深刻和清晰的認(rèn)識(shí)，起到了畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用。endprint