陳紅亮

(浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310018)

《機械原理》課程是工科學校機械類專業(yè)的一門重要的基礎核心課，主要研究機構結構學、機構的運動學和機構的動力學等三方面內容的分析與綜合，培養(yǎng)學生具有對現(xiàn)有機構的結構學、運動學和動力學理論分析能力，以及能夠綜合運用各方面的知識，創(chuàng)新設計優(yōu)化新型機構.因此，《機械原理》課題是一門理論和實踐高度結合的學科.該課程知識點多面廣，理論知識抽象枯燥，教學頗為困難.因此，各高校該課程教師都在研究如何提高該課程的教學效果和教學質量[1-2].

1 傳統(tǒng)教學模式分析

傳統(tǒng)教學模式以板書加多媒體教學為主，教學過程穿插實驗教學和課程設計，對機械機構的運動學和動力學分析采用解析法和圖解法[3].傳統(tǒng)教學模式不可避免地存在一系列弊端，提高課堂教學效果的改革勢在必行.

(1)傳統(tǒng)教學模式沒有和當代大學生特點充分結合

首先，現(xiàn)在的高等教育是普及化教育，學生知識掌握的基礎知識和社會知識差異性較大，這些差異會影響了課堂教學效果.其次，現(xiàn)在的學生學習能力強，吸收新知識快，但實踐能力弱，關于機械機構結構學、運動學和動力學等內容缺乏實踐驗證，多數(shù)學生反應本課程抽象、難學.最后，相對于過去精英式教育大學生同期，他們掌握的計算機技術和互聯(lián)網加技術遠超前輩[4-5].

(2)板書加多媒體教學方式采用文字或課件形式

機械機構的運動學和動力學分析與綜合采用的圖解法和解析法的課件多用PPT制作，圖片和文字的結合，機構運動過程難以形象展示，只能用視頻或實物模型，效果都不盡如人意.因此這種教學方法屬于面對面?zhèn)鹘y(tǒng)“填鴨式”教學，教學資源過于單一，上課形式過于死板，學生學習十分被動[6].

(3)實驗課存在的問題

首先，實驗設備屬于固定資產，不能隨時更新，有的早已經損壞.從而影響學生的動手能力.其次，實驗方法死板，實驗內容因實驗設備而設，內容無法輕易改變.學生按照實驗指導書“墨守成規(guī)”進行操作就能完成實驗.學生獨立思考和創(chuàng)造的空間受到限制，學生的求知欲很難激發(fā)，學生的實驗能力、創(chuàng)新能力和解決問題的能力得不到真正地培養(yǎng)[7].

(4)課程設計存在的問題

首先，設計題目老套，而且每屆學生都是相同題目，不適應時代變化要求，不能激發(fā)學生的興趣.其次，全班或者多人題目相同，沒有做到因材施教.最后，課程設計往往不能充分體現(xiàn)課程內容的全局和重點，淡化了課程的精髓.比如課程設計指導書已經擬定了傳動方案，學生按部就班進行設計，不會充分思考機構傳動形式的多樣性，無法激發(fā)學生的創(chuàng)新.這些問題的存在引起學生正確理解機械原理[7].

2 計算機輔助教學和項目制教學相結合的教學模式

隨著三維技術CAD和CAE、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)技術等計算機技術的發(fā)展，借助于CAE軟件的計算機輔助教學(CAI)已在各門學科獲得廣泛開展應用.應用較為普及的CAE軟件有Pro/E、UG、ADAMS等都可以滿足機械原理的輔助教學要求.

《機械原理》課程的教學中，由于采用圖解法和解析法教學，容易出現(xiàn)工科教學理科化的現(xiàn)象，導致知識僵化，很多學生不知其所用.因此為了促進學生掌握基礎知識，提高學生解決實際問題的能力，激發(fā)學生主動學習，課程理論教學以項目制教學方式教學，從而提高課程教學質量[8].

項目制教學體現(xiàn)以學生為中心，項目為載體來實施教學的教學模式.以《機械原理》的課程教學為例，內燃機作為《機械原理》課程中常規(guī)內容可以作為主項目，內燃機中包含的《機械原理》經典三大機構：連桿機構、齒輪機構和凸輪機構作為子項目.教學過程中理論聯(lián)系實際，分別講解各子項目的運動分析和動力學分析等.通過這樣實際的項目案例教學，促進學生掌握基礎知識，提高基本技能，并舉一反三，拓展學生知識面，培養(yǎng)學生自主學習和知識應用的能力[8].

項目制教學和計算機輔助教學兩者并不矛盾，可以相輔相成.本文將以美國MSC公司的ADAMS軟件為例展開計算機輔助教學項目制教學方法.

3 計算機輔助教學的項目制教學實踐

ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是美國MSC公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件，非常適合于《機械原理》的教學[9].

下面以內燃機項目為例，內燃機結構(見圖1).

圖1 內燃機結構示意圖

內燃機工作原理是活塞往復運動帶動曲軸旋轉，從圖1可以看出，內燃機結構上有凸輪機構，飛輪帶動的齒輪機構以及曲柄連桿機構.所以該項目可以分為3個機械原理小項目，本文僅分析曲柄連桿機構.

汽車內燃機中的曲柄連桿機構為曲柄滑塊機構(見圖2)，曲柄對應內燃機曲軸，連桿對應連桿，滑塊對應活塞.曲柄和機架、曲柄和連桿、連桿和滑塊之間連接是轉動副，滑塊和機架之間連接是移動副.

圖2 曲柄滑塊機構示意圖

ADAMS軟件中提供了轉動副、移動副等各種運動副，在教學過程中可以演示各種運動副的功能及其特點，對于缺少實踐的學生來說，可以獲得更多的感性認識，從而提高對機械原理的認識.建立曲柄滑塊機構的ADAMS模型(見圖3).

圖3 曲柄滑塊機構的ADAMS模型

3.1 自由度計算

機構中各構件相對于機架所具有的獨立運動數(shù)目稱為機構的自由度，用F表示，F(xiàn)>0表示機構具有原動件，可以讓機構有效運動.

對于平面機構，則：

F=3n-(2PL+PH)=3n-2PL-PH

(1)

式中：n—活動構件個數(shù)；

PL—低副個數(shù)；

PH—高副個數(shù).

所以對于曲柄滑塊機構，有3個活動構件和4個低副(3個轉動副和1個移動副)，沒有高副，故其自由度為F=3×3-2×4=1.

也就是說該機構具有一個原動件.

1自由度的計算結果在ADAMS軟件中的驗證(見圖4).

圖4 ADAMS軟件中機構驗證

從圖中可以看出，該機構具有3個活動構件，3個轉動副和1個移動副，具有1個自由度.

3.2 機構運動分析

圖2建立了機構運動分析的直角坐標系，坐標系原點為A點，X軸、Y軸正方向如圖所示，那么在任意瞬時t，C點的向量方程為：

(2)

那么，C點向量方程在坐標軸上的投影：

x=r2cosθ2+r3cosθ3

(3)

y=r2sinθ2-r3sinθ3

(4)

根據(jù)幾何學可知：

sinθ3=(r2/r3)×sinθ2=λsinθ2

(5)

所以：

(6)

式(5)中，λ=r2/r3是曲柄長與連桿長之比.將式(6)代入式(3)，并假設θ2=ωt，ω為曲柄角速度，就得到了滑塊的位移運動方程：

(7)

實際工程應用中，λ取值通常在1/6～1/4之間，因此式(7)中將根式展開成λ2的冪級數(shù)，忽略λ4起的各項冪級數(shù)而作近似計算可得：

x=r2cos(ωt)+r3[1-0.5λ2sin2(ωt)-

0.125λ4sin4(ωt)+……]≈

r2cos(ωt)+r3-0.5r3λ2sin2(ωt)=

r2cos(ωt)+r3-0.25λ2[1-cos(2ωt)]

(8)

x≈r3(1-0.25λ2)+
r2[cos(ωt)+0.25λcos(2ωt)]

(9)

式(9)中x對時間分別求一次導和二次導，得到相應的滑塊C速度和滑塊C加速度運動方程的表達式：

(10)

(11)

以上是數(shù)學理論分析，講解過程頗為復雜枯燥，不宜吸引學生.下面用ADAMS進行一個周期的仿真模擬驗證，結果(見圖5).

從圖中可以看出，曲柄以恒定的角速度勻速轉動上，滑塊的位移、速度和加速度曲線(見圖5)，從圖中可以看出，雖然曲柄角速度勻速轉動，但滑塊的速度卻是變化的，反之亦然，所以為了保證汽車行駛過程的平穩(wěn)性，內燃機宜采用多缸形式.

ADAMS軟件的優(yōu)化功能，限于篇幅，不再一一介紹.

圖5 曲柄的角速度、滑塊位移、速度和加速度隨時間關系曲線

4 結 論

本文針對當前大學生特點，結合社會生活中實際，提出以項目制教學為主、并輔以計算機輔助的教學模式.該教學過程中旁征博引，聲圖并茂，既弱化了枯燥乏味的公式證明，避免工科學生理科化；又強化了學生機械系統(tǒng)軟件的學習，可以刺激學習興趣，引導學生主動學習，提高課堂教學效果，達到教學目的.

[1] 殷勇輝，高 志，章蘭珠.提高機械原理課程教學質量的思考與實踐[J].中國大學教學，2014(6):57-59.

[2] 蔡冰倩.面向MOOC的機械原理動態(tài)教學系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2015.

[3] 趙永杰，程西云.機械原理課程探究式教學改革與探索[J].大學教育,2014(5):141-143.

[4] 于曉紅，王小群，邱麗芳.機械原理與機械設計課程體系的優(yōu)化整合[J].中國大學教學,2008(7):34-36.

[5] 申 燚，王明強.機械原理課程“三位一體”教學的探索與實踐[J].裝備制造技術,2012(2):184-186.

[6] 郭紅利，張李嫻，張軍昌.機械原理課程教學體系改革的探索[J].高等農業(yè)教育，2011，6(6)：59-60.

[7] 何玉林.“機械原理”課程實驗教學的現(xiàn)狀分析與改革[J].高教論壇,2014(10):25-28.

[8] 王紅志，李積彬，費躍農.基于CDIO能力培養(yǎng)的機械原理課程項目實踐[J].高教論壇,2009(4):25-27.

[9] 宋少云，尹 芳.ADAMS在機械設計中的應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.