呂方梅

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

機械原理教學(xué)探索和思考

呂方梅

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

機械原理是高等學(xué)校機械類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。本文從實踐角度出發(fā)，就機械原理課程教學(xué)中的圖解法和解析法的講授重點、基本研究方法和內(nèi)容的講授體系、學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和教學(xué)手段的應(yīng)用等幾個問題進行探討，以達到與同行交流，和進一步提高機械原理教學(xué)質(zhì)量。

機械原理；教學(xué)方法；教學(xué)質(zhì)量

機械原理是高等學(xué)校機械類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)高級機械工程技術(shù)人才的過程中，不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程起到承前啟后的作用，而且為學(xué)生今后從事機械設(shè)計和研究工作奠定必要的基礎(chǔ)。近幾年來，隨著計算機等新技術(shù)的出現(xiàn)和各高校課程體系的深化改革，機械原理課程的內(nèi)容不斷更新和增加，然而各高校相關(guān)課程的教學(xué)課時卻不斷減少。在這種矛盾情況下，本文從作者的教學(xué)實踐出發(fā)，就機械原理課程教學(xué)中的圖解法和解析法的講授重點、基本研究方法和內(nèi)容的講授體系、學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和教學(xué)手段的應(yīng)用等幾個問題進行探討，以期通過與同行的交流探討，進一步提高機械原理教學(xué)質(zhì)量。

一、 圖解法與解析法的講授重點

機械原理作為機械設(shè)計理論和方法中的重要分支，主要研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運動分析、常用機構(gòu)的分析與設(shè)計、機器動力學(xué)、機械系統(tǒng)運動方案的設(shè)計等方面的內(nèi)容[1-5]。高等學(xué)校機械原理教材中主要闡述包括連桿、凸輪和齒輪三大常用機構(gòu)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展普及，常用機構(gòu)的計算機輔助分析和設(shè)計成為一種新趨勢。在近年出版的機械原理教材中，關(guān)于三大機構(gòu)的運動分析和設(shè)計的圖解法和解析法都進行了闡述，尤其是平面連桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)的設(shè)計方法中增加了較多解析法的內(nèi)容，圖解法的篇幅相應(yīng)進行了縮減。面對課程內(nèi)容增加和課時縮減的矛盾，實際授課中不可能做到對各章節(jié)的圖解法和解析法面面俱到地講述，需要兼顧到各章節(jié)的具體內(nèi)容及其實際工程應(yīng)用做到講述時重點突出。圖解法雖然不具有解析法設(shè)計的精確性和可重復(fù)性優(yōu)點，但是對圖解法原理的理解對掌握解析法的建立模型和列方程都有幫助。

例如教材中凸輪輪廓曲線設(shè)計，無論圖解法還是解析法，都是通過反轉(zhuǎn)(即變換“機架”) 將凸輪固定為“機架”，再按照從動件與凸輪的相對運動關(guān)系求出凸輪輪廓曲線，因此最好先把反轉(zhuǎn)法原理和圖解法設(shè)計凸輪機構(gòu)的步驟給學(xué)生講清楚。連桿機構(gòu)設(shè)計中的圖解法或圖譜曲線已經(jīng)基本可以滿足工程設(shè)計需要，尤其借助計算機輔助作圖軟件應(yīng)用圖解法也可以達到解析法的精確程度[6]，因此也應(yīng)該把圖解法講述清楚。

解析法的講授如果泛泛地講公式推導(dǎo)和求解往往效果較差，最好能和技能訓(xùn)練結(jié)合起來，例如講完連桿機構(gòu)的解析法運動分析之后，讓學(xué)生進行一個六桿機構(gòu)的運動分析，講完凸輪廓線的設(shè)計后，讓學(xué)生用解析法進行凸輪輪廓曲線的設(shè)計。通過親自動手編寫程序、繪出運動曲線或輪廓曲線等實踐，學(xué)生可以更好地掌握解析法的實際應(yīng)用和一般步驟。

二、 基本研究方法與內(nèi)容的講授體系

機械原理課程的內(nèi)容從整體上來說更趨于是一種方法論。在機械原理的教學(xué)中，決不是讓學(xué)生記住幾個知識點或會解幾道題目，而要重視讓學(xué)生掌握科學(xué)的基本的研究方法。對機械原理課程中常用的基本研究方法和知識內(nèi)容要融會貫通并形成講授體系。教材中的一些基本研究方法通常貫穿于各章節(jié)內(nèi)容中，把這些方法經(jīng)過總結(jié)、歸納和提煉并展示給學(xué)生，幫助學(xué)生對全書各章節(jié)內(nèi)容歸納、比較，找出內(nèi)在聯(lián)系，建立完整的理論體系，切實掌握機械原理的研究思路與方法。

例如在平面連桿機構(gòu)設(shè)計中，無論是剛體導(dǎo)引機構(gòu)還是函數(shù)機構(gòu)的設(shè)計，都可以通過變換“機架”把問題簡化為求解一虛擬固定鉸鏈點的問題進行解決。而在凸輪輪廓曲線的設(shè)計中，通過反轉(zhuǎn)即變換“機架”將凸輪假想固定為“機架”，然后按照從動件與凸輪的相對運動關(guān)系求出凸輪輪廓曲線。在推導(dǎo)周轉(zhuǎn)輪系傳動比的計算時，也是通過反轉(zhuǎn)將系桿固定為“機架”，把周轉(zhuǎn)輪系轉(zhuǎn)化為定軸輪系進行求解。上述各章內(nèi)容中的轉(zhuǎn)換機架法、反轉(zhuǎn)法、相對運動法和運動倒置法從根本原理講是一致的，都是相對運動原理在機構(gòu)分析與綜合中的應(yīng)用，通過相對運動達到變換“機架”，即改變參照系。像這類機械原理課程的重要思維方法，在講課中應(yīng)該向?qū)W生明確。又例如機械原理中的壓力角這一基本概念。在連桿機構(gòu)中定義為：在不計摩擦力、慣性力和重力的條件下，機構(gòu)中驅(qū)使輸出件運動的力的方向線與輸出件上受力點的速度方向間所夾的銳角，通常用α來表示。在凸輪機構(gòu)中是指從動件在高副接觸點所受的法向壓力F與從動件在該點的線速度υ方向所夾的銳角，常用α表示。在漸開線齒輪中定義為齒廓在接觸點K所受的正壓力方向（即齒廓在該點的法線方向）與該齒輪繞軸心O轉(zhuǎn)動的線速度方向所夾的銳角稱為漸開線在該點處的壓力角，用αK表示。壓力角α的本質(zhì)都是力F與速度υ的夾角，反映了機構(gòu)傳力的效果。在每一章講到壓力角時，應(yīng)把連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和齒輪機構(gòu)中的定義聯(lián)系起來講，比較其共性和不同的表述，以加深學(xué)生的深刻理解。

此外，機械原理與前驅(qū)課程如理論力學(xué)等的內(nèi)容關(guān)系密切，講課中如果把前驅(qū)課程中所學(xué)過的理論與機械原理要講述的問題和內(nèi)容聯(lián)系起來，不但可以順利地引導(dǎo)學(xué)生思考，而且使講授內(nèi)容更易于接受。例如平面機構(gòu)的運動分析一章中，用矢量方程圖解法作機構(gòu)的速度和加速度分析時，所采用的基本原理是理論力學(xué)中的運動合成原理，事先要求學(xué)生把理論力學(xué)書上的相關(guān)內(nèi)容復(fù)習(xí)一下，針對同一剛體上不同點之間的相對轉(zhuǎn)動和不同剛體上兩個重合點之間的相對滑動兩種相對運動情況，分別采用簡單圖列幫助學(xué)生復(fù)習(xí)一下，加深學(xué)生對于該部分理論的理解，這對于學(xué)生正確列出運動矢量方程非常有幫助。

三 、學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

機械原理教學(xué)的目的是通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機構(gòu)學(xué)和機器動力學(xué)的基本理論、知識和技能，學(xué)會常用基本機構(gòu)的分析和綜合方法，具有進行機械系統(tǒng)運動方案設(shè)計的初步能力，最終讓學(xué)生具備一定的機械綜合設(shè)計能力和產(chǎn)品創(chuàng)新能力。俗話說：“給人以魚，不如授之以漁”。機械原理的授課過程不是照本宣科地講授知識，而更重要的是啟發(fā)學(xué)生的思維，點燃思維火花，讓學(xué)生學(xué)會一種思考和解決問題的方法，重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，授課過程中要摒棄滿堂灌“填鴨式”的授課方式，通過啟發(fā)、誘導(dǎo)、提示、點撥，使學(xué)生積極主動地進行思考，從而培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的習(xí)慣和意識，獲得解決問題的辦法。平時授課中，選擇一些日常常用機構(gòu)或工程實際應(yīng)用的題目讓學(xué)生參與討論，不但可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際問題的初步能力。

此外，要重視理論與實踐結(jié)合、動手實踐與動腦思考相互促進，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與熱情?，F(xiàn)在國家和各高校都很重視學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐，近幾年舉辦的大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽成為檢驗學(xué)生創(chuàng)新能力的一個平臺。學(xué)生發(fā)揮自己的積極性、主動性和創(chuàng)意性，查閱創(chuàng)新專利網(wǎng)，根據(jù)所學(xué)的知識構(gòu)思設(shè)計方案，然后畫出機構(gòu)的運動簡圖，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動分析。不但可以激發(fā)學(xué)生的參與創(chuàng)新活動的積極性，也一定程度上鍛煉了學(xué)生，增強了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，也是理論教學(xué)的有益補充。

四 、多種教學(xué)手段的靈活應(yīng)用

機械原理課程的特點是概念多、公式多、圖形多、教學(xué)內(nèi)容具有動態(tài)性特點。采用傳統(tǒng)的教學(xué)手段和方式，教授過程具有一定抽象性，學(xué)習(xí)過程也要求較高的想象力，加重了講課與學(xué)習(xí)的難度。電腦和多媒體等現(xiàn)代化的教學(xué)資源和教學(xué)手段令制作課件更加容易，摒棄了傳統(tǒng)掛圖和黑板作圖，尤其動畫軟件令機構(gòu)和系統(tǒng)運動原理更加直觀和形象，有助于學(xué)生理解和記憶；此外多媒體教學(xué)節(jié)約板書時間、增加課程信息量、擴大學(xué)生視野、提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。但是CAI課件只是一種為教學(xué)服務(wù)的輔助教學(xué)手段， 它并不能代替課堂上教師的啟發(fā)、引導(dǎo)等主導(dǎo)作用，對于機械原理課程的某些內(nèi)容就不適于使用多媒體教學(xué)。例如涉及圖解法的機構(gòu)分析和設(shè)計內(nèi)容時，如四桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)的設(shè)計，采用多媒體教學(xué)效果并不好，學(xué)生流于一種表面的理解過程，缺少了思考過程。而應(yīng)用傳統(tǒng)教學(xué)手段黑板作圖講授的方法把設(shè)計思路與步驟用板書表示出來，給學(xué)生留下思考的空間，調(diào)節(jié)課堂節(jié)奏，突出教學(xué)重點，學(xué)生更容易領(lǐng)悟。傳統(tǒng)教學(xué)手段有利于調(diào)節(jié)課堂節(jié)奏，給學(xué)生留下思考的余地，對鍛煉學(xué)生的深入思考和分析能力仍然是不可或缺的。此外，傳統(tǒng)教學(xué)有利于教師針對學(xué)生的理論基礎(chǔ)和認知能力，靈活調(diào)整教學(xué)方法，即使講授同一問題、方法或概念，根據(jù)學(xué)生的特點也要隨時調(diào)整論述問題的角度，以充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，啟發(fā)學(xué)生能動地去思考，加深學(xué)生理解吸收，達到最佳的教學(xué)效果。因此，機械原理課程需要多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)多種教學(xué)手段有機結(jié)合，不能全部依賴多媒體，還可以借助教學(xué)模型、陳列柜等教具增加學(xué)生的感性認識和直觀性。另外，隨著Internet和校園計算機網(wǎng)絡(luò)等的建設(shè)與發(fā)展，借助在線協(xié)作式學(xué)習(xí)也成為機械原理教學(xué)的新途徑。

五、 結(jié) 論

面對機械原理課程內(nèi)容的增加和課時減少的矛盾，要求教師明確教學(xué)目的，熟悉教學(xué)內(nèi)容，靈活運用多種教學(xué)手段和方法，以提高授課效果和質(zhì)量，培養(yǎng)具有發(fā)展創(chuàng)造能力的機械類專業(yè)技術(shù)人才。

[1] 鄭文緯，吳克堅. 機械原理（第七版） [M] . 北京：高等教育出版社，1997

[2] 鄒慧君，等. 機械原理[M] . 北京：高等教育出版社，1999

[3] 申永勝. 機械原理[M] . 北京：清華大學(xué)出版社，1999

[4] 孫桓，陳作模主編. 機械原理（第六版）[M] . 北京：高等教育出版社，2001

[5] 王知行，劉廷榮. 機械原理[M] . 北京：高等教育出版社，20006

[6] 王勇.計算機輔助圖解法求解機械原理問題[J].合肥學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2005年3月 第15卷第1期

Exp loration and thought on the Teaching of Mechanisms and Machine Theory

Lu Fang-mei

(College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093)

Mechanisms and Machine Theory is a major technical basic course in mechanical engineering of institution of higher education. From the perspective of practice , the paper explores several teaching issues, such as focus on teaching of graphical method and analytical method, teaching system of basic research methods and content ,innovation ability cultivation of students and flexibility in the use of a variety of teaching methods ,etc..The aim is to exchange views with the peers, and to improve the quality and effect of teaching.

mechanisms and machine theory; teaching methods ; teaching effect