吳建美，吳明明

（安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

“機(jī)械原理”課程是一門機(jī)械類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，研究的是機(jī)器中常用機(jī)構(gòu)和通用零部件的基本理論及設(shè)計(jì)方法，對已有機(jī)器進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析及力學(xué)分析時(shí)或設(shè)計(jì)新的機(jī)器時(shí)，均需畫出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖。“機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)”是實(shí)現(xiàn)理論知識教學(xué)目標(biāo)、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[1]，尤其是對新的設(shè)計(jì)思路表達(dá)起著關(guān)鍵的作用。“機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)”既能夠讓學(xué)生鞏固機(jī)械制圖所學(xué)的測量技能，又可以加深學(xué)生對理論知識的理解；通過測量、繪圖、計(jì)算等實(shí)踐環(huán)節(jié)，能夠提高學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)的能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力、判斷決策問題的能力，從而開拓眼界，啟迪思維，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造能力的提高。

1 教學(xué)目標(biāo)

1.1 知識目標(biāo)

掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的概念，掌握常用運(yùn)動副及構(gòu)件的表示方法及繪制技能；通過計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，進(jìn)一步判斷平面機(jī)構(gòu)是否具有確定的運(yùn)動。

1.2 能力目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖知識表達(dá)工程實(shí)際中的機(jī)械。

1.3 認(rèn)知目標(biāo)

認(rèn)識到機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖不僅能夠簡化表達(dá)機(jī)器的組成，還能對機(jī)器進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析和力學(xué)分析，便于設(shè)計(jì)新的機(jī)器。

2 教學(xué)思路

“機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)”按照以下5個(gè)步驟進(jìn)行。

2.1 復(fù)習(xí)鞏固

師生共同回顧已做實(shí)驗(yàn)“常用機(jī)構(gòu)的認(rèn)識”的相關(guān)知識，并引出機(jī)器或機(jī)械一般是由常用機(jī)構(gòu)組合而成。

2.2 新課導(dǎo)入

通過案例引入的方式導(dǎo)入本次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。以內(nèi)燃機(jī)為例，首先讓學(xué)生分析內(nèi)燃機(jī)主要由哪些機(jī)構(gòu)組成，這不僅檢驗(yàn)了學(xué)生對已做實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識的掌握情況，而且激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)本次實(shí)驗(yàn)課的興趣。然后說明研究工程實(shí)際中機(jī)器的運(yùn)動特性，在機(jī)器上分析是不可行的，必須表達(dá)在紙面上。繼而拋出一個(gè)問題讓學(xué)生思考：是像畫家那樣將其原原本本地畫出來，還是采用最簡潔的符號表明其組成呢？從而自然地過渡到本次實(shí)驗(yàn)的課題“機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)”，并說明在該圖上可以對內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析及力學(xué)分析，突出體現(xiàn)“機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)”的重要性。采用任務(wù)驅(qū)動式和啟發(fā)式的教學(xué)方式有助于讓學(xué)生認(rèn)識到機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的用途，從而激發(fā)其求知欲望，這時(shí)恰當(dāng)把握時(shí)機(jī)，將求知欲望轉(zhuǎn)為學(xué)習(xí)動力[2]。

2.3 新課教學(xué)

2.3.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的概念及表示方法

首先，展示轉(zhuǎn)動副模型并說明可以用簡單符號來表達(dá)，讓學(xué)生直觀感受到簡化的必要性。

其次，展示內(nèi)燃機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖1所示，并向?qū)W生說明應(yīng)按一定比例尺定出運(yùn)動副的位置，繪制出表示該機(jī)構(gòu)的簡明圖形。這種能反映機(jī)構(gòu)運(yùn)動的簡化圖形被稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。不按比例繪制的圖形被稱為機(jī)構(gòu)示意圖，只能表達(dá)其組成，并不能對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析及力學(xué)分析。采用演示式的教學(xué)方式既闡述了機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的概念，又區(qū)分了機(jī)構(gòu)示意圖，能夠讓學(xué)生在充分理解機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖概念的基礎(chǔ)上更好地掌握它。

圖1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

最后，介紹常用的運(yùn)動副符號及構(gòu)件的表示方法。此部分是教學(xué)重點(diǎn)，直觀展示不同類型運(yùn)動副圖片的同時(shí)介紹運(yùn)動副符號，采用一一對應(yīng)的方式讓學(xué)生去理解并掌握；以兩個(gè)具體機(jī)器即內(nèi)燃機(jī)、自動卸料裝置為例講解常用構(gòu)件符號，并播放內(nèi)燃機(jī)和自動卸料裝置的運(yùn)動視頻讓學(xué)生直觀地認(rèn)識機(jī)器構(gòu)件與其表示方法之間的聯(lián)系，繼而掌握其表示方法。在此過程中，利用動畫功能讓圖1中內(nèi)燃機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與右側(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖同時(shí)運(yùn)動，學(xué)生可以直觀地看出兩者運(yùn)動完全一致，這也能夠更好地解釋為什么可以利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖分析實(shí)際機(jī)器的運(yùn)動。

2.3.2 運(yùn)動簡圖測繪步驟

以具體模型為例，如繪制鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，并分析機(jī)構(gòu)是否具有確定性的運(yùn)動。首先，通過兩個(gè)問題誘發(fā)學(xué)生思考，問題1：該機(jī)構(gòu)有哪些構(gòu)件所組成？結(jié)論：該機(jī)構(gòu)由四個(gè)構(gòu)件組成，分別為機(jī)架、曲柄、連桿和搖桿。問題2：各活動構(gòu)件做何種形式的運(yùn)動？結(jié)論：曲柄做整周轉(zhuǎn)動，連桿做平面運(yùn)動（既有轉(zhuǎn)動又有移動），搖桿做一定角度的擺動。以提問的形式提高學(xué)生的課堂參與度，既起到了師生互動的作用，又可以從問題的回答中了解到學(xué)生對理論知識的理解情況，從而可以更加精準(zhǔn)地調(diào)整教學(xué)進(jìn)度及教學(xué)方式。

其次，師生共同思考如何繪制模型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。在繪制過程中采用故意出錯(cuò)的方式引起學(xué)生的重視，讓學(xué)生獨(dú)立思考錯(cuò)在何處，應(yīng)如何改正，通過這種方式讓學(xué)生參與到教學(xué)過程中來。采用這種教學(xué)方式不僅能夠提高其學(xué)習(xí)積極性，還可以培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力[3]。讓學(xué)生思考之后再分析問題（錯(cuò)誤在于運(yùn)動副之間的位置與實(shí)際機(jī)構(gòu)不成比例），可以使學(xué)生更深刻地理解并掌握相應(yīng)知識點(diǎn)，即機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖需要按照一定的比例尺進(jìn)行繪制。最后得出正確的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。

最后，分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動確定性。先讓學(xué)生分小組討論如何判斷機(jī)構(gòu)的運(yùn)動確定性，學(xué)生之間可以通過互補(bǔ)的方式更好地掌握相應(yīng)知識點(diǎn)，即先計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，若機(jī)構(gòu)自由度F>0且等于原動件數(shù)，可判定機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。通過自由度的計(jì)算可得出結(jié)論：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。在此過程中預(yù)留部分討論的時(shí)間給學(xué)生，學(xué)生之間交流學(xué)習(xí)往往比灌輸性教學(xué)的效果更佳[4]。

例題講解結(jié)束后，讓學(xué)生歸納出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的測繪步驟。1）分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動，弄清構(gòu)件數(shù)目。2）依照構(gòu)件之間的接觸情況和相對運(yùn)動，確定運(yùn)動副的類型及數(shù)目。3）表達(dá)運(yùn)動副和構(gòu)件（三選：視圖、比例、位置）。4）標(biāo)注——構(gòu)件編號、運(yùn)動副字母、原動件箭頭。5）計(jì)算自由度，分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動的確定性。學(xué)生歸納的過程中將這部分內(nèi)容板書出來，學(xué)生通過黑板上的板書即可了解本次實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容。

此部分亦為教學(xué)難點(diǎn)，需注重講解例題的求解方法與步驟，不能為了解題而解題，而是要讓學(xué)生在例題的求解中找到一般規(guī)律，達(dá)到任一機(jī)器或模型都可以繪制出其機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的目的。問題的解決過程遵循了“實(shí)際問題—分析模型—解決問題”的思維方式。通過這種教學(xué)方式，在潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用已有知識解決實(shí)際問題的能力。

2.3.3 測繪運(yùn)動簡圖時(shí)應(yīng)注意的問題

在此過程中，仍然以單缸內(nèi)燃機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，分析說明測繪運(yùn)動簡圖時(shí)應(yīng)注意的問題，主要包括以下幾個(gè)方面：1）該機(jī)構(gòu)有四個(gè)構(gòu)件，分別為曲軸、連桿、活塞、機(jī)架，所繪制的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的構(gòu)件數(shù)目與實(shí)際機(jī)構(gòu)相同；2）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)含有四個(gè)運(yùn)動副，活塞和機(jī)架之間是移動副，連桿和活塞之間、曲柄和連桿之間、曲柄和機(jī)架之間均是轉(zhuǎn)動副，所繪制的簡圖中運(yùn)動副的類型、數(shù)目與實(shí)際機(jī)構(gòu)相符；3）無需關(guān)注活塞的截面尺寸以及連桿、曲柄等外形尺寸，只需關(guān)注運(yùn)動尺寸即可，如連桿的運(yùn)動尺寸即為兩銷軸之間的距離；4）視圖平面選擇活塞、連桿、曲軸的運(yùn)動平面，即一般選擇構(gòu)件的運(yùn)動平面作為視圖平面；5）運(yùn)動副之間的相對位置及構(gòu)件尺寸與實(shí)際機(jī)構(gòu)成比例，在此指出前面的例題一開始之所以出錯(cuò)，就是因?yàn)楹鲆暳诉@個(gè)問題。

2.4 實(shí)驗(yàn)操作

給定若干常用機(jī)構(gòu)的模型，讓每組學(xué)生選擇兩種不同類型的機(jī)構(gòu)進(jìn)行測量，畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，并計(jì)算出機(jī)構(gòu)的自由度，分析該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是否具有確定性。測繪結(jié)果及分析記錄表如表1所示，讓學(xué)生將測繪結(jié)果及分析結(jié)果填寫到表1中。

表1 測繪結(jié)果及分析

操作的過程中每兩人一組，讓學(xué)生動手操作，在對機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪的過程中，了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理，掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪步驟及分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動的確定性的方法。將測繪結(jié)果填到表格中，可以更加直觀地展示本次實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

在網(wǎng)絡(luò)平臺中給出兩個(gè)能力提升題目：1）繪制顎式破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖；2）繪制小型壓力機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。

通過這兩個(gè)題目延伸課堂內(nèi)容，提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。另外，網(wǎng)絡(luò)平臺還具備其他功能，如主題討論、實(shí)驗(yàn)資料匯總、課外文獻(xiàn)查閱、群聊等，為師生課下交流及擴(kuò)展學(xué)生知識面提供了便捷。

2.5 課堂小結(jié)及課后思考

以思維導(dǎo)圖的形式進(jìn)行課堂總結(jié)，既可以讓學(xué)生對本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形成整體認(rèn)識，又可以鍛煉學(xué)生的發(fā)散和創(chuàng)新思維。下課之前布置與本實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)的思考題以鞏固學(xué)生所學(xué)知識點(diǎn)。思考題的解答過程可以在網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行，以學(xué)生為主體展開思考題的討論，以成果導(dǎo)向的方式讓學(xué)生掌握所學(xué)知識，不同于傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)[5]。

3 教學(xué)效果

學(xué)生實(shí)驗(yàn)的過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)其問題，并采用啟發(fā)式思維引導(dǎo)學(xué)生改正錯(cuò)誤，從而培養(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力。網(wǎng)絡(luò)平臺可以對學(xué)生的訪問進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從訪問量可以看出通過改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚[6]。實(shí)驗(yàn)課的成績也提升明顯，學(xué)生學(xué)習(xí)成績分布如圖2所示，從中可以看出80~100分?jǐn)?shù)段的人居多，教學(xué)質(zhì)量有了顯著的提升。

4 結(jié)束語

采用項(xiàng)目化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，注重理論知識與實(shí)踐問題在教學(xué)時(shí)間、教學(xué)內(nèi)容上的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)及時(shí)理解、掌握理論知識，避免枯燥的灌輸性學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣。采用新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，從根源處對“機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中難以理解的知識點(diǎn)加以改進(jìn)，使難以消化、接受的知識點(diǎn)變得較易理解。利用網(wǎng)絡(luò)平臺完成師生之間的課下交互及學(xué)生知識面的拓寬，提升了教學(xué)質(zhì)量，并為培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才作出了貢獻(xiàn)。