“機械原理”課程設計教學的創新實踐性探索

摘要：“機械原理”課程設計的核心內容是對機械系統進行方案設計。本著培養工程應用型創新人才的教學理念，從機械系統設計過程的系統化、實踐性及創新性這三個方面對課程設計原有教學模式存在的問題加以探討，提出擬定多樣化創新實踐性題目的構想，使學生在創新思維和實踐能力方面得到鍛煉和提升，掌握機械系統先進設計理念，真正達到“機械原理”課程設計實踐教學的目的，以適應我國科學技術及工程創新的發展。

關鍵詞：機械原理；系統化；多樣化創新性設計；實踐性

作者簡介：張莉潔（1976-），女，河南洛陽人，洛陽理工學院機械工程系，講師。（河南#8194;洛陽#8194;471023）

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）14-0120-02

機械系統的設計是機械設計中極其重要的一環，機械系統設計的正確合理性，對提高機械的性能和質量，降低制造成本與維護費用等影響很大，決定著機器性能的好壞。機械系統方案設計是一項極富創造性的活動，要求設計者善于運用和總結已有知識和實踐經驗，深入理解，廣泛積累，收集相關技術資料，充分發揮創造性思維和想象能力，靈活運用各種設計方法和技巧，從而設計出新穎、靈巧、高效的機械系統。

作為“機械原理”課程的一個重要實踐性教學環節，機械原理課程設計的內容正是對機器進行機械系統方案設計。它是學生將所學知識轉化為實際工作能力的橋梁，使其將所學知識系統化；使理論與工程實際相結合，提高分析解決工程實際問題的能力，樹立機構分析和設計的概念，樹立正確的工程設計觀點；通過創造意識的教育，培養學生創造、實踐能力。根據近年來對課程設計實踐教學環節的深入探索及積累的經驗，本著洛陽理工學院提出的培養工程應用型創新人才的教育理念，筆者總結了學生在進行課程設計時出現的普遍問題，針對機械原理課程設計的培養目標，本文從機械系統設計過程的系統化、實踐性及創新性這三個方面對原有教學模式存在的問題加以提出、探討和論述。

一、機械原理課程設計教學內容及存在的問題

“機械原理”課程設計的核心內容是對機械系統進行方案設計。其一般設計步驟為：擬定機械工作原理，制訂總體功能，提出設計要求；執行構件和原動機的運動設計，確定執行構件的數目、運動形式、運動參數及運動協調配合關系；機構選型，選擇滿足機械運動、動力要求的機構類型，確定機械系統結構方案，繪制系統示意圖；機構的尺寸綜合，根據執行構件和原動機的運動參數，以及各執行構件運動的協調配合要求，確定各構件的運動尺寸，繪制機構運動簡圖；方案分析，進行運動學和動力學分析，對系統方案合理性進行論證，驗證其能否滿足運動要求。機械系統設計工作是一項創造性勞動，設計過程通常不會一次性完成，經常出現反復和交叉，通過不斷論證分析的過程才能達到最終的設計目的和最優的設計要求。

根據近年來“機械原理”課程的理論教學，結合課程設計實踐環節指導經驗，筆者發現學生在機械系統設計中，普遍存在如下問題：面對復雜的機械系統，學生在初始確定機械方案的工作中不能把握全局，沒有“整體規劃”的概念，竟不考慮機械系統各部分的運動協調性和機構運動實現的可行性，設計工作呈現照貓畫虎的狀況，無法發揮自身主觀能動性和創造能力，如此“參考設計”并不利于學生真正掌握機械系統設計的精髓。另外，原有課程設計所選設計題目大都集中于傳統、經典式的機床類設計，題目過于單一，創新設計性體現不強，導致學生缺乏設計興趣。

筆者認為在課程設計過程中應積極發揮學生的主觀能動性，能夠通過思考自行提出解決方案，培養創新和實踐能力，這才是該課程設計所應達到的教學目的，針對以上培養目標和所述問題，本文分別對課程設計進行中的重要環節和應注意的問題加以探討和論述。

二、系統化、實踐性及創新性教學探索

1.總體規劃，把握正確設計方向

機械系統的正常工作是依靠各部分機構的協調運動來實現的，因此機械系統方案設計的最初工作階段應是“系統工程設計”，即應在滿足機器各執行構件的協調運動關系和運動、動力要求下，高屋建瓴地進行整體規劃，該階段應包括上節所述設計步驟的前三步。“系統工程設計”階段將為之后各設計階段提供設計目標、依據和技術參數，其重要性正如房屋的架構或是汽車的運行，決定了機械系統方案設計工作成功與否及方案的可實現性與合理性。

然而，“系統工程設計”工作正是學生在設計過程中遇到的最大困難，其不愿運用邏輯思維統籌分析各部分運動協調關系和機構運動的合理性，而是莽撞地從熟知的局部機構入手開始設計，如此毫無方向性的設計方法無異于盲人摸象，而后的工作無論進行得多細致也無法保證正確的設計結果，最終導致南轅北轍的失敗。

進行“系統工程設計”的關鍵步驟是繪制各執行機構的運動工作循環圖。運動工作循環圖使各執行部分協調運動關系明晰可見，更有助于設計者理清思路。最清楚的繪制方法是在直角坐標系中分別做出各執行構件所對應原動件在一個工作循環內的運動位移曲線以及對應的阻力曲線，該曲線將為之后的機構設計、運動和受力分析提供必要的設計技術參數。

以牛頭刨床機構舉例分析，該機器有兩個相互協調的執行端運動，其一為刨頭的往復直線運動，通過電機、減速裝置及轉動導桿和曲柄滑塊機構的組合執行機構來實現；另一個運動是工作臺的橫向進給運動，該運動由主運動通過傳動系統，而后通過曲柄連桿、棘輪機構及絲杠螺母組成的螺旋運動來實現，兩者的運動協調關系為工作臺的橫向進給運動必須在刨頭非切削時間內進行，否則被加工工件將被損壞。繪制運動循環圖時應分別畫出刨頭、工作臺對應于原動件曲柄轉角轉動一周的位移曲線圖。另外，其工作中切削阻力曲線也應相應繪出，為之后在任意位置進行受力分析時提供相應數據。

運動循環圖將對之后各階段提出一系列設計要求，如工作臺進給的間歇運動是最終通過棘輪機構實現的。若通過曲柄搖桿機構來實現主動曲柄和棘輪的運動傳遞，則應考慮如何設計曲柄連桿機構，才能保證棘輪的工作行程（撥齒使工作臺進給）位于刨頭主運動的回程段，且工作周期一致。以上運動協調性為之后進行機構尺寸綜合提出了設計要求，通過分析可將其轉化為機構設計的三大類基本問題來解決。

2.開展實踐調查研究，鍛煉自主研究能力

由于理論學習占授課的主要部分，許多學生對實際機器缺乏感性認識，只會按既定方案進行教條設計，如此閉門造車的設計狀態使學生缺乏設計興趣，且設計出來的方案也是紙上談兵，不符合實際。

優秀的機械系統設計工作依賴于設計者的豐富經驗，針對專業知識匱乏，實踐少的問題，在進行課程設計前的準備工作中應提出以下要求：開展實踐調查研究，鍛煉學生自主收集獲取相關技術資料及深入自主研究的能力。鼓勵學生廣泛閱讀，擴展知識面，了解最先進的機械構造和設計技術，對機械系統的豐富性能窺得一斑。生活中先進機械系統實例舉不勝舉，如汽車構造中實現前車輪轉向的機構、四連桿獨立懸架直線機構等等，都是極具創意且包含先進設計思想理念的設計實例。

獲得實踐的方式很多，如實地參觀考察，聽現場工人師傅講解；圖書館、網絡技術資源也能夠感受到一個豐富精彩的機械世界。通過實踐，再與所學理論知識相結合，學生再一次經過了由感性上升到理性的認識過程，掌握了課本知識與實際機器的內在聯系，在設計時更易發揮其主觀能動性。在補充專業知識的過程中，領略前輩們的智慧和創新精神，想必也一定會激發學生自主設計的欲望與熱情。

3.擬定多樣化、創新型設計題目，啟發創新思維

目前現有傳統的經典式機械系統設計題目通常是一些僅要求滿足急回特性和一定協調運動的機床類設計，這類設計題目多數較為成熟，設計難度不小，而類型過于單一，創意思考空間并不大，無法體現機械系統的豐富性。而實際機械系統的功能和設計要求是極其多樣化的，學生在進行課程設計中卻始終沒有機會接觸到這些，無法感受到機械系統設計的豐富多樣性和創新趣味性，更無法為學生帶來創新設計成功后的成就感和喜悅感，更甚者學生直接照搬照抄，比葫蘆畫瓢。

筆者認為，針對初學的學生擬定機械系統題目不宜太過復雜，而在于有思考性和設計意義。只要有創新和分析價值，能激發起學生創新設計的欲望，這樣的題目即可獲得事半功倍的效果。隨著不斷完善的教學體系發展，多樣化、創新性設計題目應有所呈現，而這些題目能使學生充分利用所學之術，鍛煉分析判斷能力和解決實際問題的能力。

舉例來說，機械系統中執行機構通常是由一些簡單而極富創意設計的四連桿機構來實現的，如從這方面選題，就應要求學生在完成設計的過程中要使設計既不過分復雜，同時又能讓人感受到機械系統的設計理念。在此舉出以下實例加以說明。

如讓學生進行汽車前車輪轉向系統的設計。首先向學生提出以下問題：兩前輪轉向時，兩車輪的轉角是否相等；然后分析問題：汽車高速行駛時首先要保證行駛的安全性，因此車輪轉向時應保證整車純滾動，否則將會出現打滑的危險。由此得到結論：前車輪兩軸線必然與后車輪軸線交于一點，由幾何分析得到兩車輪轉角具有一定的函數關系。該機構可由等腰梯形四連桿機構來實現，其設計問題可歸納為給定兩連架桿位置的函數生成問題。該問題可分別采用圖解法和解析法來進行求解。

再有，鶴式起重機的執行機構為雙搖桿機構，其末端利用連桿的運動來實現重物的移動。問題看似簡單，但其設計卻有一定的特殊功能要求。為保證起重機在左右移動時不上下起伏，避免不必要的做功浪費，應保證連桿末端軌跡為直線，該問題正歸納為連桿機構設計的難點——軌跡生成問題。設計時可首先讓學生了解經典的直線軌跡機構，可采用圖解法先進行幾何特征分析，然后再利用優化設計來建立數學模型，以與直線軌跡誤差最小作為優化目標進行針對性設計。

通過以上所舉實例可知，實際機械系統中有很多亟待解決和優化的問題都依賴于機械系統方案設計。諸如此類具有一定不確定性的設計問題，讓學生真正感受和接觸到實際問題的存在，即使在設計過程中的思考和思維過程很艱難，解決問題時會感到困苦，但收獲成果的喜悅是無法替代的。整個設計過程是伴隨著激情和設計靈感的創造性活動，而不再是一項繁瑣枯燥的事情，使機械系統創新設計理念深入人心。

三、總結

綜上所述，通過創新性、實踐性的課程設計過程，使學生對機械系統的設計理念有所感悟，使學生更好地在創造實踐能力和分析思維方面得到大幅度的鍛煉，真正達“機械原理”課程設計實踐教學的目的。同時，也對學生今后進一步深入研究并確定其研究方向和領域大有裨益，起著導向作用。期待在今后的機械原理課程設計中將出現更多豐富的創新實踐性題目和先進的設計理念，培養出優秀的應用型創新人才，以適應我國科學技術及工程創新的發展。

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（責任編輯：王意琴）