近機(jī)械類專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課教學(xué)方法研究與實(shí)踐

摘 要：近機(jī)械類專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課具有很強(qiáng)的理論性、綜合性和實(shí)踐性，要求學(xué)生不僅要牢固掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，具備將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到工程實(shí)踐中的能力，從而解決在開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)用和修理各種機(jī)械時(shí)遇到的理論和實(shí)際問(wèn)題。因此，在課堂教學(xué)中，教師必須采用合適的教學(xué)方法，使該課程成為一門能切實(shí)提高學(xué)生理論知識(shí)水平和實(shí)際應(yīng)用能力的課程。

關(guān)鍵詞：近機(jī)械類專業(yè)；機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；教學(xué)研究；教學(xué)方法

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課是工程力學(xué)、機(jī)電一體化、化工過(guò)程機(jī)械等近機(jī)械類專業(yè)的一門重要的理論基礎(chǔ)課，在學(xué)生專業(yè)課程學(xué)習(xí)中起著承上啟下的關(guān)鍵作用，既是理論力學(xué)、固體力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械制圖、金工實(shí)習(xí)等先修課程的綜合運(yùn)用，又為學(xué)生學(xué)習(xí)各專業(yè)課程提供了必要的機(jī)械理論基礎(chǔ)。該課程具有很強(qiáng)的理論性、綜合性和實(shí)踐性，要求學(xué)生不僅要牢固掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，具備將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際工程實(shí)踐中的能力，從而研究和解決在開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)用和修理各種機(jī)械時(shí)遇到的理論和實(shí)際問(wèn)題。因此，在課堂教學(xué)中，教師必須采用合適的教學(xué)方法，使該課程成為一門能切實(shí)提高學(xué)生理論知識(shí)水平和實(shí)際應(yīng)用能力的課程。這是一項(xiàng)重要而具有一定難度的工作，也是該課程教師多年來(lái)一直探討的熱點(diǎn)問(wèn)題。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課的教學(xué)內(nèi)容和要求

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課主要研究機(jī)械中的常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、計(jì)算方法和基本設(shè)計(jì)理論等。課程教材內(nèi)容分為兩部分，前半部分主要講述各類機(jī)構(gòu)共有的特點(diǎn)（機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算、運(yùn)動(dòng)分析、速度波動(dòng)調(diào)節(jié)和回轉(zhuǎn)件平衡）和各種常用機(jī)構(gòu)（平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)）的基本原理和設(shè)計(jì)應(yīng)用；后半部分主要講述常用連接（螺紋連接、鍵連接、銷連接）、機(jī)械傳動(dòng)（齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)）、軸系零部件（軸承）等。

針對(duì)近機(jī)械類專業(yè)，教師在授課過(guò)程中應(yīng)強(qiáng)調(diào)“夯實(shí)理論基礎(chǔ)”和“加強(qiáng)知識(shí)運(yùn)用”，突出基本素質(zhì)和應(yīng)用能力并重的培養(yǎng)理念，而不應(yīng)過(guò)于強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的深度。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)基本知識(shí)、基本原理的牢固掌握，并注重解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中圍繞這一教學(xué)要求與學(xué)生一起開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，并注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課傳統(tǒng)的教學(xué)形式

現(xiàn)今，課堂授課仍然是大學(xué)教師的主要教學(xué)方式，教學(xué)過(guò)程依然是一種“填鴨式”教學(xué)。在這種教學(xué)中，學(xué)生是被動(dòng)地接受知識(shí)。例如：直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)，是機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的一個(gè)重要教學(xué)內(nèi)容，由于受到從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、基圓半徑、滾子尺寸、包絡(luò)線畫(huà)法等多種因素的影響，僅靠教師口頭講述，對(duì)近機(jī)械類專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，掌握起來(lái)比較困難。

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是一門涵蓋面廣、內(nèi)容龐雜、理論性和實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科，而學(xué)時(shí)有限，僅有56學(xué)時(shí)，若只靠教師課堂講授，一定會(huì)影響學(xué)生對(duì)更多機(jī)械方面知識(shí)的掌握，限制對(duì)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。而且，該課程要求學(xué)生必須具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)、力學(xué)理論知識(shí)，特別是理論力學(xué)、流體力學(xué)、積分變換等知識(shí)。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生除了能運(yùn)用一些高等數(shù)學(xué)中的知識(shí)，其他相關(guān)知識(shí)已經(jīng)忘得差不多了。這樣會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，傳統(tǒng)的教學(xué)形式相對(duì)單一，教師在課程教學(xué)中對(duì)于一些復(fù)雜抽象的內(nèi)容，口頭表述困難，學(xué)生理解起來(lái)也很吃力，教學(xué)效果不理想。

三、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課教學(xué)方法探索與實(shí)踐

針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課，授課教師不但需要有扎實(shí)的機(jī)械理論知識(shí)和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且需要具備良好的“傳道、授業(yè)、解惑”的能力，即注重采用先進(jìn)、靈活、多樣的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，活躍課堂氣氛，提高課堂教學(xué)信息量，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

1.教學(xué)方法的選擇與設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課涉及知識(shí)面廣、知識(shí)點(diǎn)多，而近機(jī)械類專業(yè)和機(jī)械類專業(yè)要求不同，課程的內(nèi)容設(shè)置也應(yīng)有所不同。因此，在內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)以一本教材為主，其他教材為輔，借助多媒體教學(xué)手段并結(jié)合現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)工具，滿足教學(xué)基本要求，精選內(nèi)容，突出特色，反映學(xué)科新成就，充分注意教學(xué)內(nèi)容的適用性和應(yīng)用性，將不同來(lái)源渠道（教材、教輔書(shū)籍、網(wǎng)絡(luò)、實(shí)物）的相關(guān)知識(shí)整合成適合學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，教師也應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間到圖書(shū)館或在網(wǎng)絡(luò)上搜索相關(guān)知識(shí)，以課堂討論的形式幫助學(xué)生鞏固課堂所學(xué)和擴(kuò)寬知識(shí)面。教師還應(yīng)在這些過(guò)程中不斷充實(shí)新內(nèi)容，以做到不斷更新、與時(shí)俱進(jìn)。

2.教學(xué)方法的確定與實(shí)施

一是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。教師只有激發(fā)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的好奇心和興趣，學(xué)生才會(huì)更加積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)。在教材前半部分的教學(xué)中，教師要讓學(xué)生在掌握機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算和運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)識(shí)各種常用機(jī)構(gòu)，通過(guò)平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)3種典型的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)了解機(jī)構(gòu)的組成形式、工作原理和運(yùn)轉(zhuǎn)特性，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)將各類機(jī)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)。教師應(yīng)向?qū)W生說(shuō)明不要孤立地去認(rèn)識(shí)單個(gè)的機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，而應(yīng)前后聯(lián)系起來(lái)，掌握機(jī)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)的基本理論和方法，確定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。例如：教師在講授第一章“機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算”時(shí)，明確機(jī)構(gòu)自由度在實(shí)際工作中的重要意義，講授計(jì)算自由度的方法，并列舉工程實(shí)際中的相關(guān)例子進(jìn)行練習(xí)。

教師在按順序講授平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)這三大常用機(jī)構(gòu)時(shí)，通常會(huì)面臨學(xué)生初學(xué)時(shí)難以建立各類機(jī)構(gòu)間聯(lián)系的問(wèn)題。這時(shí)，教師可以內(nèi)燃機(jī)為例，向?qū)W生展示一些圖片和視頻（如香港科技館中展出的八缸和六缸往復(fù)式四沖程內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)視頻），讓學(xué)生對(duì)內(nèi)燃機(jī)有一些感性認(rèn)識(shí)；然后介紹往復(fù)式四沖程內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的四個(gè)沖程運(yùn)動(dòng)，明確了三大機(jī)構(gòu)在這一過(guò)程中的作用及相互連接關(guān)系，能就將這三大機(jī)構(gòu)非常自然地聯(lián)系起來(lái)。學(xué)生看到先進(jìn)機(jī)器的視頻，可以激發(fā)其濃厚的學(xué)習(xí)興趣，更容易理解內(nèi)燃機(jī)工作原理及組成，加深對(duì)三大機(jī)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解，從而使教學(xué)收到良好的效果，并且，教師通過(guò)畫(huà)出內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖、計(jì)算自由度、考慮速度波動(dòng)及轉(zhuǎn)子平衡、螺紋連接、軸系設(shè)計(jì)等問(wèn)題，很自然地將教材要求講述的所有重要內(nèi)容都聯(lián)系在一起。所以，教師應(yīng)該在講授第一章內(nèi)容時(shí)，詳細(xì)介紹內(nèi)燃機(jī)的工作原理，并在后面各章節(jié)的教學(xué)中注意聯(lián)系。

二是采用多種手段豐富教學(xué)方法。在課程教學(xué)中，連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算部分，以及螺紋連接、帶傳動(dòng)、軸系計(jì)算等部分都涉及較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，教師口頭講述費(fèi)時(shí)費(fèi)力，學(xué)生也感到枯燥無(wú)味，不能更好地從宏觀的、工程的角度理解設(shè)計(jì)過(guò)程，無(wú)法進(jìn)行創(chuàng)造性思維。為解決這個(gè)問(wèn)題，筆者所在教研室做了很多工作。2006年基于VB開(kāi)發(fā)了一套機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程機(jī)構(gòu)教學(xué)輔助應(yīng)用軟件，以典型機(jī)構(gòu)為分析對(duì)象，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出、圖形的輸出以及程序設(shè)計(jì)輔導(dǎo)，其核心功能模塊為設(shè)計(jì)計(jì)算演示模塊。該軟件包括平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)三個(gè)獨(dú)立的計(jì)算演示子模塊。例如：凸輪機(jī)構(gòu)模塊可完成五種基本廓形的設(shè)計(jì)和分析，可實(shí)現(xiàn)五種不同的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，輸入原始參數(shù)后可點(diǎn)擊按鈕輸出凸輪理論廓線和實(shí)際廓線的縱、橫坐標(biāo)，以及從動(dòng)件的位移、速度和加速度等參數(shù)，也可輸出推程或回程的最大壓力角等；還可以輸出凸輪機(jī)構(gòu)圖形結(jié)果，包括動(dòng)態(tài)演示、位移、速度、加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。該軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)后，由于使用方便，設(shè)計(jì)結(jié)果顯示直觀，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并顯著提高學(xué)生計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的能力，受到了學(xué)生普遍好評(píng)。因此，我們不斷對(duì)該軟件進(jìn)行改進(jìn)和完善，現(xiàn)已擴(kuò)展不少功能，多年來(lái)一直是教學(xué)中不可缺少的輔助工具。

在教學(xué)中，筆者還利用大型通用軟件進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的輔助教學(xué)，既可以避免大量的復(fù)雜計(jì)算，又可以將分析結(jié)果生成圖形、動(dòng)畫(huà)等，使教學(xué)更加生動(dòng)形象，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

針對(duì)近機(jī)械類專業(yè)的教學(xué)要求，筆者通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的分析，在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行教學(xué)方法的改進(jìn)和實(shí)踐，使學(xué)生較好地掌握了該課程的基本理論，并主動(dòng)地將理論應(yīng)用到實(shí)際中，積極以計(jì)算機(jī)為輔助工具進(jìn)行工程分析與計(jì)算，為其將未來(lái)更好地從事相關(guān)專業(yè)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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責(zé)編：思 源