【摘要】機(jī)構(gòu)學(xué)是開啟“機(jī)械智慧”的一把金鑰匙。平面連桿機(jī)構(gòu)作為最基本的機(jī)構(gòu)，其教學(xué)效果的好壞將直接影響到學(xué)生對機(jī)械專業(yè)的興趣。本文旨在探索一種新穎的平面連桿機(jī)構(gòu)教學(xué)方法，以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果，利用MATLAB語言，制作了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的虛擬教學(xué)儀器。達(dá)到教學(xué)效果的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生對機(jī)械學(xué)的興趣，并且可以鍛煉學(xué)生的邏輯思維和形象思維能力。

【關(guān)鍵詞】機(jī)構(gòu)教學(xué) 虛擬教學(xué)儀器 平面連桿 曲柄滑塊

一、前言

平面連桿機(jī)構(gòu)是《機(jī)械基礎(chǔ)》的基本內(nèi)容，也是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，可以通過實(shí)物教學(xué)儀器或者機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，讓學(xué)生更直觀地感受平面連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)桿件之間的運(yùn)動(dòng)傳遞過程，但實(shí)物教學(xué)儀器往往在種類和數(shù)量上有所限制。運(yùn)用三維繪圖軟件SolidWorks、pro/e等可以直接做出各種平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，并且不受種類和數(shù)量上的限制。然而，利用三維軟件制作動(dòng)畫“重結(jié)果，輕過程”，不益于鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力，也不益于鍛煉學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。針對這一問題，本文探索性地將虛擬教學(xué)儀器引入到平面連桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)中。

二、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

在平面連桿機(jī)構(gòu)中，對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜程度較適中，在充分考慮教學(xué)效果和學(xué)生可接受能力的前提下，選定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的對象。根據(jù)基本的幾何學(xué)和三角函數(shù)知識，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析如下。

三、虛擬教學(xué)儀器的編制

MATLAB語言語法規(guī)則簡單，計(jì)算功能強(qiáng)大，具有強(qiáng)大的圖形繪制和處理功能。本文利用MATLAB語言來制作曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的虛擬教學(xué)儀器，使得學(xué)生對計(jì)算機(jī)編程技術(shù)有個(gè)初步的認(rèn)識和了解，讓學(xué)生知道當(dāng)前處理數(shù)學(xué)問題的基本手段和方法。根據(jù)式（2），編制相應(yīng)的計(jì)算程序（源程序見附錄），可以得到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。

選取曲柄長度r=1，連桿長度l=5，代入式（2）中，可以模擬出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況。圖（2）給出了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。

從圖2中可以清晰地看出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程。圖2（a）和圖2（e）分別給出了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在曲柄和連桿“拉直共線”位置，也就是滑塊在兩個(gè)極限位置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況。圖2（c）和圖2（g）還給出了連桿與滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡所成夾角為最大值的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況。這些特殊的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置，都可以從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫中直觀地得到。

四、總結(jié)

本文提出了一種新穎的平面連桿機(jī)構(gòu)教學(xué)方法，探索性地將虛擬教學(xué)儀器運(yùn)用到平面連桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)中。以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，分析了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，并編制了相應(yīng)的分析程序。通過虛擬教學(xué)儀器，可以直觀方便地得到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，以及機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程的特殊位置。在虛擬教學(xué)儀器的編制過程中，可以鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力，訓(xùn)練學(xué)生分析問題的能力，激發(fā)學(xué)生對機(jī)械學(xué)的興趣。