鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化教學(xué)案例分析

吳征

國家職業(yè)教育政策為江蘇省溧水中等專業(yè)學(xué)校的發(fā)展帶來了新機(jī)遇。但是，職業(yè)學(xué)生素質(zhì)越來越差，也向每位教師提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，特別是職業(yè)教育教師。職業(yè)教育教師必須轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，探索與新課程理念相適應(yīng)的教學(xué)方式。只有站在教育改革的前沿，不斷更新教學(xué)觀念，積極主動(dòng)地投身到教育創(chuàng)新的研究和實(shí)踐中，才能走在新課程改革前列。

《機(jī)械基礎(chǔ)》是中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)械類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容復(fù)雜、知識(shí)面廣，難易程度不同，有的比較直觀，有的比較抽象，理論性強(qiáng)，前后聯(lián)系不密切，具有一定特殊性。因此教師需要分析和挖掘教材，從各個(gè)方面對(duì)問題進(jìn)行深入提示和細(xì)致分析，才能使學(xué)生深刻理解、靈活運(yùn)用，并達(dá)到舉一反三的目的。

在《機(jī)械基礎(chǔ)》教學(xué)中，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化是教學(xué)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。僅依靠分析教材，以不同構(gòu)件為機(jī)架進(jìn)行演化，得到不同的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，會(huì)使大部分學(xué)生無法理解和運(yùn)用，導(dǎo)致在判別機(jī)構(gòu)類型時(shí)經(jīng)常出錯(cuò)。

一、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

1.演化

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的搖桿無限增長，C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)演化成往復(fù)移動(dòng)。通過動(dòng)畫演示，教師可引導(dǎo)學(xué)生注重觀察曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡變化，如圖1所示。

圖1

2.性質(zhì)

①急回特性：對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的極位夾角為0，沒有急回特性，C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡延長線通過曲柄A點(diǎn)的鉸鏈中心；不對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有極位夾角，具有急回特性，C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡延長線不通過曲柄A點(diǎn)的鉸鏈中心。②死點(diǎn)位置：滑塊為主動(dòng)件時(shí)，有兩個(gè)死點(diǎn)位置。

3.變化

偏心輪機(jī)構(gòu)。曲柄很短時(shí)演化而成，只能以偏心輪為主動(dòng)件。

4.運(yùn)用

內(nèi)燃機(jī)、壓力機(jī)等。

二、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

1.演化

改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件。以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲柄為機(jī)架，如圖2所示。

圖2

2.性質(zhì)

①曲柄存在的條件：最短桿為機(jī)架則為轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)； 最短桿為連架桿則為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。②急回特性：有。③死點(diǎn)位置：擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中導(dǎo)桿為主動(dòng)件時(shí)，有兩個(gè)死點(diǎn)位置。

3.運(yùn)用

牛頭刨床、旋轉(zhuǎn)油泵等。

三、擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)和固定滑塊機(jī)構(gòu)（移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)）

其運(yùn)用于自動(dòng)卸貨翻斗裝置、抽水機(jī)。雖然這個(gè)部分的內(nèi)容比較好講解，但由于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化類型很多且圖形相似，在認(rèn)知機(jī)構(gòu)、分辨鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化的類型時(shí)，學(xué)生常常容易混淆，為進(jìn)一步認(rèn)知各演化機(jī)構(gòu)的特性帶來了困難。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)該問題后，筆者根據(jù)這些機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)成進(jìn)行了一些分析，認(rèn)為滑塊是這些機(jī)構(gòu)中比較特殊的構(gòu)件，所以滑塊是區(qū)分這些機(jī)構(gòu)類型的關(guān)鍵。在實(shí)際教學(xué)中，筆者從滑塊這個(gè)構(gòu)件入手，結(jié)合多媒體動(dòng)畫演示，總結(jié)分析與之構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，并聯(lián)系該機(jī)構(gòu)名稱幫助學(xué)生區(qū)分各演化機(jī)構(gòu)的類型，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

在整個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化機(jī)構(gòu)中，以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為例。在給導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)下定義時(shí)，首先要定義什么是導(dǎo)桿？導(dǎo)桿是機(jī)構(gòu)中與另一運(yùn)動(dòng)構(gòu)件組成移動(dòng)副的構(gòu)件，而導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)至少有一個(gè)構(gòu)件為導(dǎo)桿的平面四桿機(jī)構(gòu)。從定義中，我們似乎把導(dǎo)桿作為認(rèn)知導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵，其實(shí)定義只是指出導(dǎo)桿是機(jī)構(gòu)中的一個(gè)特殊運(yùn)動(dòng)（移動(dòng)）構(gòu)件。而從機(jī)構(gòu)演化上來看，滑塊是機(jī)構(gòu)構(gòu)成的特殊構(gòu)件（塊），是實(shí)現(xiàn)特殊運(yùn)動(dòng)（移動(dòng)）的關(guān)鍵。導(dǎo)桿定義中的“另一構(gòu)件”其實(shí)就是滑塊，它是導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中形狀特殊（塊）的構(gòu)件，找到它很方便，從它的運(yùn)動(dòng)特征入手來區(qū)分導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)類型最直接，學(xué)生也最容易掌握。

導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中與滑塊相連（構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副）的構(gòu)件有兩個(gè)，一個(gè)構(gòu)成了移動(dòng)副（導(dǎo)桿），另一個(gè)是轉(zhuǎn)動(dòng)副，兩個(gè)能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)不同，即移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。要區(qū)分類型，只要清楚“誰”被固定了即可。如滑塊被固定了，導(dǎo)桿在滑塊中移動(dòng)，該機(jī)構(gòu)叫移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（定塊機(jī)構(gòu)）；導(dǎo)桿被固定了，滑塊在導(dǎo)桿上滑動(dòng)，該機(jī)構(gòu)叫曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；與滑塊構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副的桿件被固定了，滑塊作擺動(dòng)（搖動(dòng)），該機(jī)構(gòu)叫曲柄搖塊機(jī)構(gòu)；未與滑塊相連的構(gòu)件被固定，導(dǎo)桿能在滑塊中作移動(dòng)，與滑塊構(gòu)成移動(dòng)副也能作轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)這個(gè)導(dǎo)桿是否能作整周運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)可以分為兩種，即轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。從滑塊入手，通過分析與之構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副構(gòu)件的特點(diǎn)，可以引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分各演化機(jī)構(gòu)的類型。

從滑塊入手區(qū)分導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)類型，有利于理解各種演化機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，因?yàn)榛瑝K是導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中與兩個(gè)構(gòu)件構(gòu)成兩個(gè)不同類型運(yùn)動(dòng)副的特殊構(gòu)件，各演化機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性與之直接相關(guān)，如果能從滑塊入手區(qū)分各演化機(jī)構(gòu)的類型，那么各機(jī)構(gòu)的基本特性也就掌握了一半，分析機(jī)構(gòu)成立的條件就有了知識(shí)基礎(chǔ)。如導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)以曲柄為主動(dòng)件，導(dǎo)桿一邊轉(zhuǎn)動(dòng)、一邊在滑塊中移動(dòng)，導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)方向和滑塊給導(dǎo)桿的受力方向重合，所以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的壓力角始終為零度。如果以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)桿為主動(dòng)件，曲柄的運(yùn)動(dòng)方向和滑塊給曲柄的受力方向就不會(huì)重合，壓力角始終變化。特別是擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)范圍有兩個(gè)極限位置性，所以在這兩個(gè)位置時(shí)，曲柄的壓力角為90°，處于死點(diǎn)位置。

通過聯(lián)系實(shí)際幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)各演化機(jī)構(gòu)，能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)各演化機(jī)構(gòu)的感性認(rèn)識(shí)。通過動(dòng)畫把實(shí)際機(jī)構(gòu)抽象成對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)，分析實(shí)際機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，把對(duì)應(yīng)的物體抽象成相應(yīng)的構(gòu)件，并將構(gòu)件構(gòu)成與運(yùn)動(dòng)特性相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)才是解決問題的關(guān)鍵。在實(shí)際機(jī)構(gòu)中，找到機(jī)構(gòu)中的塊是關(guān)鍵。當(dāng)實(shí)物中兩個(gè)物體間能做相對(duì)移動(dòng)時(shí)，我們可以初步認(rèn)定此處存在移動(dòng)副，把一個(gè)物體抽象成桿，另一個(gè)抽象成塊，如果其中一個(gè)構(gòu)件還與另外的物體構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副的話，那么這個(gè)實(shí)體很可能就是導(dǎo)桿，與兩個(gè)物體構(gòu)成兩個(gè)不同類型運(yùn)動(dòng)副的應(yīng)當(dāng)把它抽象成塊，機(jī)構(gòu)類型圖很快就會(huì)出現(xiàn)在腦海中。

教材為學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)提供了基本線索，是實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的重要資源。但因?yàn)椴煌嗉?jí)、不同學(xué)生生活背景不同，所以《機(jī)械基礎(chǔ)》教學(xué)材料的呈現(xiàn)方式應(yīng)多樣化，并切合學(xué)生實(shí)際，內(nèi)容應(yīng)該突出學(xué)生的主體地位，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考、交流，建構(gòu)自己的機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)。在教學(xué)中，筆者嘗試把教材內(nèi)容與生活相聯(lián)系，以便解決“死知識(shí)”與“活教學(xué)”間的矛盾。

（作者單位：江蘇省溧水中等專業(yè)學(xué)校）endprint