侯 宇

（南陽理工學(xué)院，南陽 473004）

《機(jī)械原理》課程的動(dòng)態(tài)參數(shù)教學(xué)法

侯 宇

（南陽理工學(xué)院，南陽 473004）

以“漸開線齒輪的參數(shù)”節(jié)為例，提出了一種《機(jī)械原理》教學(xué)中的動(dòng)態(tài)參數(shù)教學(xué)方法。介紹該方法的主要過程，包括核心參數(shù)的動(dòng)畫展示、參數(shù)的推導(dǎo)關(guān)系圖以及動(dòng)態(tài)參數(shù)演示。實(shí)踐證明，該方法在教學(xué)中取得了良好效果。

機(jī)械原理 漸開線齒輪 動(dòng)態(tài)參數(shù) 教學(xué)法 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)

引言

《機(jī)械原理》是本科機(jī)械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)生普遍認(rèn)為，本課程在專業(yè)基礎(chǔ)課中的學(xué)習(xí)難度較高。一是因?yàn)檎n程中牽涉到大量變化的幾何關(guān)系，教師難以清晰傳達(dá)給學(xué)生，學(xué)生也難以展開想象。二是因?yàn)樵谟械恼鹿?jié)，極為豐富的信息量會(huì)快速涌入，學(xué)生很難加以理解和記憶。因此，純粹的書本講解很難適應(yīng)教學(xué)需求，必須求助于現(xiàn)代信息技術(shù)。

國內(nèi)采用CAD和CAE相關(guān)工具輔助進(jìn)行機(jī)械原理教學(xué)已經(jīng)有不少先例，此類工具具有動(dòng)態(tài)特性，非常適合形象展示機(jī)構(gòu)的幾何特性和運(yùn)動(dòng)特性。例如，文獻(xiàn)[1]中使用了ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)，文獻(xiàn)[2]則使用UG軟件進(jìn)行教學(xué)。

然而，大型軟件的學(xué)習(xí)成本較高，容易讓“學(xué)習(xí)軟件”這一任務(wù)所占用的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“學(xué)習(xí)理論”這一主題。因此，在力所能及的前提下，編寫專用課件和軟件是更合適的方案。本文重點(diǎn)介紹筆者探索出的一種非常適合該課程教學(xué)的“動(dòng)態(tài)參數(shù)教學(xué)法”。該方法依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)，以課件和專用教學(xué)軟件為工具，以動(dòng)態(tài)改變幾何參數(shù)、動(dòng)態(tài)演示參數(shù)關(guān)系的方式展示課程內(nèi)容。本文以“漸開線齒輪的參數(shù)”一節(jié)為例，介紹此方法。

1 教學(xué)內(nèi)容概述

傳統(tǒng)上，“漸開線齒輪的參數(shù)”一節(jié)首先介紹齒輪的基本參數(shù)[3]，如圖1所示。

圖1 漸開線齒輪的基本參數(shù)

表1 漸開線齒輪的參數(shù)及其關(guān)系

顯然，如何安排以上包含巨大信息量的教學(xué)內(nèi)容，是一個(gè)非常值得研究的問題。如果安排不當(dāng)，學(xué)生就無法理解和消化該節(jié)課的內(nèi)容，而本文提出的動(dòng)態(tài)參數(shù)教學(xué)法，非常適合此種教學(xué)內(nèi)容。

2 教學(xué)方法

2.1 動(dòng)態(tài)展示標(biāo)準(zhǔn)齒輪的生成

表1中的核心參數(shù)及其計(jì)算關(guān)系可以通過以下動(dòng)畫步驟進(jìn)行展示。

（1）屏幕上出現(xiàn)一個(gè)標(biāo)有m的短線段，代表模數(shù)的大?。?/p>

（2）短線段伸長為原先的若干倍，成為長線段，標(biāo)注為d=mz，r=d/2；

（3）以長線段為直徑顯示一個(gè)圓，標(biāo)注為分度圓；

（4）從分度圓出發(fā)，向外繪制長m的短線段，向內(nèi)繪制長m的短線段并延長至1.25m；

（5）與分度圓同心，過第（4）步的第一個(gè)短線段外端點(diǎn)顯示一個(gè)圓，標(biāo)注為齒頂圓；

（6）與分度圓同心，過第（4）步的第二個(gè)短線段內(nèi)端點(diǎn)顯示一個(gè)圓，標(biāo)注為齒根圓；

（7）與分度圓同心，出現(xiàn)一個(gè)較小的圓，其外自帶有多條漸開線。該圓及漸開線作為整體，共同逐漸縮小，最終停留在其半徑等于分度圓半徑乘以cos20°的位置，標(biāo)注為基圓；

（8）以基圓所帶漸開線為參考，浮現(xiàn)最終的齒輪。

2.2 展示標(biāo)準(zhǔn)齒輪的參數(shù)推導(dǎo)關(guān)系

將標(biāo)準(zhǔn)齒輪的主要參數(shù)推導(dǎo)關(guān)系展示給學(xué)生，如圖3所示。

圖3 漸開線齒輪的參數(shù)推導(dǎo)關(guān)系

2.3 參數(shù)對(duì)齒輪形態(tài)的影響

為順利進(jìn)行本節(jié)教學(xué)的最重要部分，筆者制作了一個(gè)可動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)的漸開線齒輪演示程序。程序使用Flex 4.7開發(fā)，可以隨意修改模數(shù)、壓力角、齒數(shù)、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)、變位系數(shù)，動(dòng)態(tài)改變齒輪的形態(tài)。除了變位系數(shù)適用于之后的“齒輪的變位”一節(jié)，其他參數(shù)都適用于本節(jié)內(nèi)容。圖4分別展示了原齒輪、修改模數(shù)、修改壓力角、修改齒數(shù)、修改齒頂高系數(shù)、修改變位系數(shù)后齒輪的形態(tài)。

這個(gè)演示并不限制只有單參數(shù)變化，而是允許多個(gè)參數(shù)進(jìn)行組合變化。在本單元中，學(xué)生可以發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，親自操作，按照自己的意愿修改多種參數(shù)的組合，以觀察不同參數(shù)配置下的齒輪形態(tài)。最終，在大腦中建立起完整的動(dòng)態(tài)齒輪幾何圖景。

圖4 動(dòng)態(tài)參數(shù)下的齒輪形態(tài)

3 教學(xué)效果

對(duì)于2.1節(jié)所展示的動(dòng)畫，學(xué)生普遍反映，該動(dòng)畫過程很容易形成圖像記憶，每次在大腦中的回放都等于進(jìn)行了一次復(fù)習(xí)。動(dòng)畫中，參數(shù)的先后展示次序也讓學(xué)生對(duì)參數(shù)推導(dǎo)形成了動(dòng)態(tài)影像記憶。有了2.2節(jié)展示的關(guān)系推導(dǎo)圖，則更進(jìn)一步明確了參數(shù)之間的相互推導(dǎo)關(guān)系。默寫該圖數(shù)次后，就能夠徹底記住本節(jié)的所有知識(shí)點(diǎn)，并且不易遺忘。此外，若能與2.1節(jié)所展示的動(dòng)畫結(jié)合，效果更好。同時(shí)，第2.3節(jié)的動(dòng)態(tài)齒輪演示程序是最吸引學(xué)生的環(huán)節(jié)。通過本環(huán)節(jié)，前兩節(jié)的數(shù)學(xué)關(guān)系變成了形象的幾何圖形，對(duì)學(xué)生產(chǎn)生了良好的感官刺激，最終圓滿完成本節(jié)的教學(xué)工作，并且對(duì)本章之后的各節(jié)教學(xué)也具有良好的指導(dǎo)效果。

4 結(jié)論

多媒體教學(xué)的主要任務(wù)是采用多種手段讓學(xué)生更好地掌握所學(xué)知識(shí)。其中，動(dòng)畫、圖形作為多媒體的重要組成部分，具有顯著的教學(xué)效果。本文所述的教學(xué)方法，通過動(dòng)畫和圖形的結(jié)合，不僅減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，同時(shí)讓教學(xué)過程極為生動(dòng)形象，大大提升了教學(xué)質(zhì)量。

[1]黃小龍.虛擬樣機(jī)技術(shù)在“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2013，（4）：102-109.

[2]張毅杰，孔令瓊，施杰，等.基于UG平臺(tái)的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)新模式探究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2013，（3）：70-72.

[3]王躍進(jìn).機(jī)械原理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

Teaching Method of Dynamic Parameters in the Course of Mechanical Principle

HOU Yu
(Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473004)

Taking the "parameters of involute gear" as an example, the teaching method of dynamic parameters in the teaching of mechanical principle is put forward. Describes the main process of the method, including the core parameters of the animation display, parameters of the derivation and dynamic parameters of the demonstration. Practice has proved that the method has achieved good results in teaching.

mechanical principle, involute gear, dynamic parameters, teaching method, computer aided instruction