應用型本科機械原理課程教學改革探索和實踐

湯迎紅 余江鴻

【摘要】針對機械專業應用型人才培養的需要，從重組課程模塊、優化教學內容、改革教學方法和教學手段、以學科競賽為載體加強學生創新能力和工程素質等幾方面，對機械原理課程的教學進行了改革和探索。

【關鍵詞】機械原理 ?教學改革 ?創新能力 ?工程素質

【基金項目】湖南省普通高等學校教學改革研究項目（湘教通[2014]247號-317;湘教通（ [2012]401號-296）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）07-0194-02

機械原理課程是機械類專業的一門重要的主干技術基礎課，具有很強的工程性、實踐性和應用性，在專業教學計劃中處于承上啟下的作用，在培養學生的機械綜合設計和創新素質所需的知識結構中占有不可替代的地位。因此，加強基礎、拓寬知識、提高學生的工程素質、培養創新意識和創新能力是機械專業本科生機械原理課程改革和研究目標[1]。

一、以設計為主線來組合課程內容模塊

機械原理是研究機構和機器的學科，其主要組成部分為機構學和機械動力學[2]。立足于“以設計為主線，分析為設計服務，立足點是機械系統的方案設計”機械原理新課程體系要求，按照學院“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質”的應用型高級專門人才培養目標，教研室將課程內容組合為機構學模塊（重點講述模塊）和機械動力學模塊（選擇性介紹模塊）。

機構學模塊：包括機構的結構分析;齒輪機構、連桿機構、凸輪機構和間歇運動機構等四大機構的原理、應用及設計;機構的組合和創新;機械運動系統的方案設計四方面內容。該模塊是重點講述模塊，其中各機構的學習是教學基礎，機構的組合和創新是提高，機械系統的方案設計是核心。

機械動力學模塊：包括運動分析、力分析、剛性轉子平衡以及機械系統動力學的基礎理論和方法。該模塊是選擇性介紹模塊，根據學時作一般的簡介處理。一方面這一部分知識多數已由理論力學提供了理論基礎，另一方面動力學基礎模塊相對于我院應用型人才培養目標而言，主要是拓展知識面，主要引導有能力的學生自學或在進一步學習中掌握。

二、加強基礎、拓寬知識、豐富教學內容

針對學時被壓縮、學生總體素質下滑的現實，要完成我院培養目標要求，教學內容必須有豐富也有刪減。多年來，教研室不再強求知識的系統性和完整性，而是遵循“少講精講，講就要讓學生聽明白會運用”的“少而精”原則，重點突出結論的應用，培養學生進行機構設計和創新以及解決工程實際問題的思維方法和基本技能。在重點講述的機構學模塊，作了很多大膽的刪除。例如略講復合輪系傳動比計算;刪除在工程實際中基本不再使用連桿機構設計的圖譜法和實驗法;刪除理論上已很成熟或專業性過強的內容，例如齒輪傳動中無側隙嚙合條件、根切的形成過程和不根切最小齒數公式推導過程[3]……為了拓寬學生知識面， 開闊思路和眼界，教研室在“少而精”原則的同時“廣而新”。為了培養同學們的創新素質，深化了機構組合和創新內容;增加了電、氣、液傳動等非機械內容的簡介;考慮到解析法便于結合現代設計方法獲得最佳設計方案，突出解析法而弱化圖解法設計;在教學的過程中，貫穿運用三維設計軟件（如Solid Works、ADAMS、UG、pro/e 等）建立的虛擬樣機模型和運動仿真實例，激發學生的主動求知欲望，使他們了解和及時掌握最先進的機械設計手段。

三、改革教學方法和教學手段，強化學生的創新意識和思維

隨著教學內容的改革和整合， 教學方法必須與之配套。如果仍照本宣科，采用“填鴨式”教學方法，只會造成教學內容無法完成和脫離工程實際的結果，達不到對學生創新能力和工程實踐能力的培養要求[4]。同時，機械原理的教學內容具有很強的工程背景，如果僅靠教師的講解，學生不一定能深入地理解，因此，教師充分利用直觀實物教學、模型演示教學和采用多媒體動畫課件等教學手段。下面筆者就平面機構自由的自由度的內容交流教學方法和教學手段的設計。

①提出問題：繪制圖1所出簡易沖床初步設計案例的機構運動簡圖。目的1：回顧運動副、機構等基本概念以及運動簡圖的繪制方法。目的2：導入本次課要解決的問題——該機構設計合理嗎？

圖1 簡易沖床初步設計 ? ? 圖2 簡易沖床初步設計運動簡圖

②推導平面機構自由度的計算公式。期間演示了自由構件、約束、 低副（轉動副、移動副）、高副（齒輪副和凸輪副）六個動畫并展示運動副實物模型。提問：平面運動的自由構件有幾個自由度，轉動副、移動副、齒輪副和凸輪副各引入幾個約束？很自然推出計算公式F=3n-2Pl-Ph。

③知識拓展：簡介空間機構自由度的計算。要求學生在空間運動副動畫中的觀察出約束情況，給出空間結構的學習參考資料，引導同學深入探索。

④討論平面機構具有確定運動的條件。通過對剛性桁架、超靜定桁架計算討論得出機構具有確定運動的條件之一：自由度F>0;通過對四桿機構、五桿機構在不同數目的原動件驅動下的動畫演示和討論，歸納出機構具有確定運動的另一個條件：原動件數=機構自由度數。

⑤解決課程之初的案例和提問：自由度等于0，機構設計不合理。

⑥提問：怎么改進該機構？安排小組討論（分析提示：原方案F=0，原動件數為1，必須將自由度增加為1，可以從計算公式F=3n-2Pl-Ph入手）。

解決辦法：增加n和減少Pl、Ph可達到增加F的目的。

方法1思路：從F=3n-2Pl-Ph =0到F=3（n+1）-2（Pl+1）-Ph=1，即增加一個構件和一個低副。實現方式：增加一個滑塊和一個移動副，如圖3所示，并展示改進后沖床模型動畫。提問：方法1思路還有實現方式嗎？可以通過增加一個桿件和轉動副實現嗎？

圖3 ?改進方案1

方法2思路：從F=3n-2Pl-Ph=0到F=3n-2（Pl-1）-（Ph+1）=1，即將一個低副改為高副。實現方式如圖4所示，并展示改進后沖床模型動畫。

圖4 ? 改進方案2

機械原理課堂教學上沒有統一的教學方法，而應是結合不同的講授內容采用不同的教學方法，如啟發式、分析討論式、現場教學式等。筆者在機構自由度的計算中從問題的提出到解決，有知識的拓展;有十多個問題的設置;在改進方案時安排了分析討論，得出不一樣的解決方案。知識的拓展是引導學生自我完善;在教學中不斷設疑，不斷啟發，是為了激發學生積極思考;安排分析討論是為了開發學生智能、鍛煉學生膽量、培養學生科學思維能力和創新意識。整節內容共設計三十多個圖片，演示21個動畫，展示實物模型4個，直觀、形象地展示了自由度、約束的概念以及機構的動作過程，為學生創建一個動靜結合、形象逼真的教學環境，提高學生的學習興趣和理解程度。

參考文獻：

[1]鮑莉，康紅艷.《機械原理》課程教學研究與實踐[J].重慶科技學院學報， 2010（18）： 175-179.

[2]裘建新.《機械原理》精品課程建設[J].上海工程技術大學教育研究，2006（2）：30-33.

[3]王波，林其斌.應用型本科機械原理課程教學改革研究與實踐[J].滁州學院學報，2013（2）：111-113轉125.

[4]李光煜，李陽星，羅鳳利.基于大工程教育的機械原理課程教學改革研究與實踐[J].課程建設，2010（3）：48-49轉51.