基于Matlab的機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析教學(xué)實踐

匡兵+何玉林+楊孟杰

摘要：《機(jī)械原理》課程是機(jī)械類專業(yè)本科生的一門主干課程。機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析是《機(jī)械原理》課程的重要內(nèi)容之一，針對目前機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析教學(xué)與實際工程的差距，基于Matlab進(jìn)行了教學(xué)改革實踐。在課堂教學(xué)中，將原來圖解法和解析法并重改為以解析法為主。針對Matlab的特點，對課程作業(yè)的題目和形式進(jìn)行了改變。通過教學(xué)改革，提高了學(xué)生的知識應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：《機(jī)械原理》；機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析；教學(xué)改革；Matlab

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）30-0105-02

《機(jī)械原理》是機(jī)械工程類本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1-4]，主要介紹機(jī)器運(yùn)動特性的基本概念和原理。《機(jī)械原理》課程應(yīng)當(dāng)注重聯(lián)系實際才能獲得較好的效果。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，如何在《機(jī)械原理》增加計算機(jī)輔助設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，緊跟科技發(fā)展的步伐，成為《機(jī)械原理》課程教學(xué)改革的重要方向之一。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析是機(jī)械原理課程的重要內(nèi)容之一，是在已知機(jī)構(gòu)尺寸及原動件運(yùn)動規(guī)律的情況下，確定機(jī)構(gòu)中其他構(gòu)件的規(guī)律。在工程設(shè)計中，機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析用于對已選定尺寸的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析，以確定所設(shè)計機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律是否能滿足產(chǎn)品的需要。目前計算機(jī)輔助設(shè)計已廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析，因此引入計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)是貼近實際，提高學(xué)生知識應(yīng)用能力的關(guān)鍵之一。

Matlab軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值計算能力和高效的工具箱函數(shù)[5，6]，在機(jī)械工程中得到廣泛應(yīng)用。因此，我們基于Matlab開展機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的教學(xué)改革。機(jī)械原理是實踐性很強(qiáng)的課程，教學(xué)改革的主要工作分為課堂教學(xué)的改革和課后作業(yè)的改革兩個部分。

一、課堂教學(xué)的改革

為了將Matlab融入機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的教學(xué)中，需要對現(xiàn)有的課堂教學(xué)進(jìn)行改革，需要在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計和課件制作等幾個方面有針對性地進(jìn)行調(diào)整。

1.教學(xué)內(nèi)容。在原來的機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析部分的教學(xué)中，需要介紹矢量圖解法和解析法兩種方法。矢量圖解法作為一種繪圖求解的方法，在計算機(jī)輔助設(shè)計尚未廣泛應(yīng)用于機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析時，是機(jī)械工程師進(jìn)行產(chǎn)品運(yùn)動分析的一種重要方法。但隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，矢量圖解法已基本被淘汰。由于缺乏合適的軟件平臺，一直是矢量圖解法和解析法兩種方法并重。在引入Matlab進(jìn)行輔助教學(xué)后，課程教學(xué)中就不需要花費(fèi)時間介紹矢量圖解法了，可以將原來用于矢量圖解法的時間加強(qiáng)解析法的教學(xué)。運(yùn)用Matlab進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析需要熟悉計算機(jī)編程和Matlab軟件，因此需要增加Matlab基礎(chǔ)教學(xué)的內(nèi)容。雖然在本門課程教學(xué)之前會開設(shè)C語言程序設(shè)計課程，Matlab軟件本身也較容易上手，但課程教學(xué)內(nèi)容中仍需要安排適當(dāng)?shù)臅r間做一些基礎(chǔ)性的介紹。

2.教學(xué)設(shè)計。由于采用了Matlab軟件輔助進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的教學(xué)，因此需要進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的調(diào)整。教學(xué)設(shè)計的調(diào)整包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點和教學(xué)方法等三個方面：（1）教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)目標(biāo)方面，原來需要掌握矢量圖解法和解析法的原理，現(xiàn)在只需要掌握解析法的原理，但需要增加掌握運(yùn)用Matlab進(jìn)行運(yùn)動分析的部分。Matlab本來就是常用的工程分析軟件，增加這部分內(nèi)容可以加強(qiáng)課程教學(xué)內(nèi)容與工程應(yīng)用的聯(lián)系，從而提升學(xué)生的應(yīng)用能力。（2）教學(xué)重難點。在教學(xué)重難點方面，原來矢量圖解法和解析法都是重點和難點，現(xiàn)在解析法仍然是重點和難點，運(yùn)用Matlab進(jìn)行運(yùn)動分析的也是教學(xué)的重點。讓學(xué)生具備利用Matlab進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的能力是我們教學(xué)改革的目標(biāo)，因此這部分內(nèi)容也需要設(shè)為教學(xué)重點。（3）教學(xué)方法。在教學(xué)方法方面，由于利用Matlab進(jìn)行輔助教學(xué)，需要采用項目導(dǎo)入法，從機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析實例出發(fā)介紹解析法及基于Matlab進(jìn)行分析的過程。

3.課件制作。在引入Matlab進(jìn)行輔助教學(xué)后，首先基于項目導(dǎo)入法，從機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析實例出發(fā)進(jìn)行課件制作的規(guī)劃。規(guī)劃內(nèi)容包括項目實例的選擇、課件制作軟件的使用和教學(xué)內(nèi)容三個方面：（1）項目實例方面，既要保留原課件中的例子，又要考慮增加工程實例。原課件中的例子更為基礎(chǔ)，有利于介紹解析法的基本知識。工程實例與工程實際聯(lián)系緊密，一方面可以引發(fā)學(xué)生的興趣，另一方面也可以讓學(xué)生了解實際工程中機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析知識的應(yīng)用。（2）課件制作軟件方面，在引入Matlab進(jìn)行輔助教學(xué)后，需要以PPT為主適當(dāng)結(jié)合Matlab的方式制作。在介紹解析法基礎(chǔ)知識、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析方程建立和編寫Matlab程序的過程等，仍然采用PPT，而在展示機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析結(jié)果時采用Matlab軟件。PPT作為演示文稿軟件更適合課堂教學(xué)，例如在介紹編寫Matlab程序的過程時采用Matlab，字體會過小，影響教學(xué)效果。Matlab作為商業(yè)化的分析軟件，在展示機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析結(jié)果時，更為貼近工程實際。（3）在課件內(nèi)容方面，針對Matlab的引入，增加Matlab基礎(chǔ)介紹、運(yùn)動分析計算結(jié)果、分析圖表和動畫。基于Matlab，各從動構(gòu)件的速度變化表、加速度變化表、速度變化圖、加速度變化圖和運(yùn)動動畫都很容易得到，運(yùn)用這些圖表進(jìn)行分析也更符合工程實際情況。

二、課程作業(yè)的改革

在引入Matlab進(jìn)行輔助教學(xué)后，課程作業(yè)也需要進(jìn)行改革，包括：課程作業(yè)題目和形式兩方面的變動。

1.課程作業(yè)題目變動。在改革前，教學(xué)內(nèi)容有圖解法和解析法，課程作業(yè)以圖解法為主，解析法為輔。圖解法為主的作業(yè)設(shè)計主要是考慮到學(xué)生完成作業(yè)的困難而定的。圖解法的題目只需要在紙張上作圖就可以求解，而解析法的題目常常需要計算機(jī)輔助才能完成。造成解析法題目一直較少的原因在不同階段并不相同，早期是因為計算機(jī)普及率不高，計算機(jī)普及率提高后是因為缺乏合適的軟件平臺。在沒有合適的軟件平臺時，要求用類似C語言等平臺編程完成解析法的作業(yè)對大多數(shù)學(xué)生還是有一定困難的。

為了配合課堂教學(xué)實現(xiàn)教學(xué)改革目標(biāo)，需要針對解析法和Matlab應(yīng)用設(shè)計作業(yè)題。這些作業(yè)題應(yīng)兼顧解析法和Matlab應(yīng)用，即注重應(yīng)用Matlab編程求解解析法的問題。設(shè)計的作業(yè)題分原解析法題目、原圖解法題目和新增題目三種：第一種是教材中原來的解析法題目，可以直接用，但需要針對Matlab應(yīng)用做一些小修改；第二種是教材中原來的圖解法題目，需要根據(jù)解析法的特點結(jié)合Matlab應(yīng)用對題目做修改；第三種是新增題目，增加了一些設(shè)計題目。

2.課程作業(yè)形式變動。在改革前，課程作業(yè)的形式基本上以在作業(yè)本上完成為主。在作業(yè)本上先列出方程，然后給出計算結(jié)果。在引入Matlab進(jìn)行輔助教學(xué)后，難以準(zhǔn)確了解學(xué)生掌握的情況，因此需改變原來的課程作業(yè)形式，作業(yè)都要在Matlab平臺上完成，然后將程序清單和運(yùn)行結(jié)果打印出來。

三、結(jié)論

基于Matlab平臺，以提高學(xué)生的知識應(yīng)用能力為目標(biāo)，進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析教學(xué)改革。從課堂教學(xué)和課程作業(yè)兩個方面進(jìn)行了改革，真正實現(xiàn)Matlab與機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析內(nèi)容的銜接。

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