吳建美，吳明明

（安徽三聯(lián)學院機械工程學院，安徽 合肥 230601）

“機械原理”課程是一門機械類專業(yè)的技術基礎課程，研究的是機器中常用機構和通用零部件的基本理論及設計方法，對已有機器進行運動學分析及力學分析時或設計新的機器時，均需畫出機構的運動簡圖。“機構運動簡圖測繪實驗”是實現(xiàn)理論知識教學目標、培養(yǎng)學生實踐能力的重要教學環(huán)節(jié)[1]，尤其是對新的設計思路表達起著關鍵的作用?！皺C構運動簡圖測繪實驗”既能夠讓學生鞏固機械制圖所學的測量技能，又可以加深學生對理論知識的理解；通過測量、繪圖、計算等實踐環(huán)節(jié)，能夠提高學生動手實驗的能力、團結協(xié)作的能力、撰寫實驗報告的能力、判斷決策問題的能力，從而開拓眼界，啟迪思維，促進學生創(chuàng)造能力的提高。

1 教學目標

1.1 知識目標

掌握機構運動簡圖的概念，掌握常用運動副及構件的表示方法及繪制技能；通過計算機構的自由度，進一步判斷平面機構是否具有確定的運動。

1.2 能力目標

培養(yǎng)學生利用機構運動簡圖知識表達工程實際中的機械。

1.3 認知目標

認識到機構運動簡圖不僅能夠簡化表達機器的組成，還能對機器進行運動學分析和力學分析，便于設計新的機器。

2 教學思路

“機構運動簡圖測繪實驗”按照以下5個步驟進行。

2.1 復習鞏固

師生共同回顧已做實驗“常用機構的認識”的相關知識，并引出機器或機械一般是由常用機構組合而成。

2.2 新課導入

通過案例引入的方式導入本次實驗的內容。以內燃機為例，首先讓學生分析內燃機主要由哪些機構組成，這不僅檢驗了學生對已做實驗相關知識的掌握情況，而且激發(fā)了學生學習本次實驗課的興趣。然后說明研究工程實際中機器的運動特性，在機器上分析是不可行的，必須表達在紙面上。繼而拋出一個問題讓學生思考：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驗的課題“機構運動簡圖測繪實驗”，并說明在該圖上可以對內燃機進行運動學分析及力學分析，突出體現(xiàn)“機構運動簡圖測繪實驗”的重要性。采用任務驅動式和啟發(fā)式的教學方式有助于讓學生認識到機構運動簡圖的用途，從而激發(fā)其求知欲望，這時恰當把握時機，將求知欲望轉為學習動力[2]。

2.3 新課教學

2.3.1 機構運動簡圖的概念及表示方法

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

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

圖1 曲柄滑塊機構

最后，介紹常用的運動副符號及構件的表示方法。此部分是教學重點，直觀展示不同類型運動副圖片的同時介紹運動副符號，采用一一對應的方式讓學生去理解并掌握；以兩個具體機器即內燃機、自動卸料裝置為例講解常用構件符號，并播放內燃機和自動卸料裝置的運動視頻讓學生直觀地認識機器構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中內燃機曲柄滑塊機構與右側機構運動簡圖同時運動，學生可以直觀地看出兩者運動完全一致，這也能夠更好地解釋為什么可以利用機構運動簡圖分析實際機器的運動。

2.3.2 運動簡圖測繪步驟

以具體模型為例，如繪制鉸鏈四桿機構的運動簡圖，并分析機構是否具有確定性的運動。首先，通過兩個問題誘發(fā)學生思考，問題1：該機構有哪些構件所組成？結論：該機構由四個構件組成，分別為機架、曲柄、連桿和搖桿。問題2：各活動構件做何種形式的運動？結論：曲柄做整周轉動，連桿做平面運動（既有轉動又有移動），搖桿做一定角度的擺動。以提問的形式提高學生的課堂參與度，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生對理論知識的理解情況，從而可以更加精準地調整教學進度及教學方式。

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

最后，分析機構的運動確定性。先讓學生分小組討論如何判斷機構的運動確定性，學生之間可以通過互補的方式更好地掌握相應知識點，即先計算機構的自由度，若機構自由度F>0且等于原動件數，可判定機構具有確定的運動。通過自由度的計算可得出結論：鉸鏈四桿機構具有確定的運動。在此過程中預留部分討論的時間給學生，學生之間交流學習往往比灌輸性教學的效果更佳[4]。

例題講解結束后，讓學生歸納出機構運動簡圖的測繪步驟。1）分析機構運動，弄清構件數目。2）依照構件之間的接觸情況和相對運動，確定運動副的類型及數目。3）表達運動副和構件（三選：視圖、比例、位置）。4）標注——構件編號、運動副字母、原動件箭頭。5）計算自由度，分析機構運動的確定性。學生歸納的過程中將這部分內容板書出來，學生通過黑板上的板書即可了解本次實驗的主要內容。

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

2.3.3 測繪運動簡圖時應注意的問題

在此過程中，仍然以單缸內燃機中的曲柄滑塊機構為例，分析說明測繪運動簡圖時應注意的問題，主要包括以下幾個方面：1）該機構有四個構件，分別為曲軸、連桿、活塞、機架，所繪制的機構運動簡圖的構件數目與實際機構相同；2）曲柄滑塊機構含有四個運動副，活塞和機架之間是移動副，連桿和活塞之間、曲柄和連桿之間、曲柄和機架之間均是轉動副，所繪制的簡圖中運動副的類型、數目與實際機構相符；3）無需關注活塞的截面尺寸以及連桿、曲柄等外形尺寸，只需關注運動尺寸即可，如連桿的運動尺寸即為兩銷軸之間的距離；4）視圖平面選擇活塞、連桿、曲軸的運動平面，即一般選擇構件的運動平面作為視圖平面；5）運動副之間的相對位置及構件尺寸與實際機構成比例，在此指出前面的例題一開始之所以出錯，就是因為忽視了這個問題。

2.4 實驗操作

給定若干常用機構的模型，讓每組學生選擇兩種不同類型的機構進行測量，畫出機構運動簡圖，并計算出機構的自由度，分析該機構的運動是否具有確定性。測繪結果及分析記錄表如表1所示，讓學生將測繪結果及分析結果填寫到表1中。

表1 測繪結果及分析

操作的過程中每兩人一組，讓學生動手操作，在對機構運動簡圖測繪的過程中，了解機構的運動原理，掌握機構運動簡圖測繪步驟及分析機構運動的確定性的方法。將測繪結果填到表格中，可以更加直觀地展示本次實驗學習的內容。

在網絡平臺中給出兩個能力提升題目：1）繪制顎式破碎機的機構運動簡圖；2）繪制小型壓力機的機構運動簡圖。

通過這兩個題目延伸課堂內容，提升學生的綜合應用能力。另外，網絡平臺還具備其他功能，如主題討論、實驗資料匯總、課外文獻查閱、群聊等，為師生課下交流及擴展學生知識面提供了便捷。

2.5 課堂小結及課后思考

以思維導圖的形式進行課堂總結，既可以讓學生對本次實驗內容形成整體認識，又可以鍛煉學生的發(fā)散和創(chuàng)新思維。下課之前布置與本實驗關聯(lián)的思考題以鞏固學生所學知識點。思考題的解答過程可以在網絡平臺進行，以學生為主體展開思考題的討論，以成果導向的方式讓學生掌握所學知識，不同于傳統(tǒng)的灌輸式教學[5]。

3 教學效果

學生實驗的過程中及時發(fā)現(xiàn)其問題，并采用啟發(fā)式思維引導學生改正錯誤，從而培養(yǎng)學生自主解決問題的能力。網絡平臺可以對學生的訪問進行統(tǒng)計，從訪問量可以看出通過改革實驗教學思路，學生的學習興趣更加濃厚[6]。實驗課的成績也提升明顯，學生學習成績分布如圖2所示，從中可以看出80~100分數段的人居多，教學質量有了顯著的提升。

4 結束語

采用項目化的實驗教學，注重理論知識與實踐問題在教學時間、教學內容上的有機結合，使學生能夠通過實驗及時理解、掌握理論知識，避免枯燥的灌輸性學習，提高學生學習課程的興趣。采用新的實驗教學思路，從根源處對“機構運動簡圖測繪實驗”教學中難以理解的知識點加以改進，使難以消化、接受的知識點變得較易理解。利用網絡平臺完成師生之間的課下交互及學生知識面的拓寬，提升了教學質量，并為培養(yǎng)應用型本科人才作出了貢獻。