“鉸鏈四桿機構的基本性質”之教學探討

李銘

傳統的教學方法是就書本而書本，因枯燥無味，使學生產生了厭學情緒。針對這種情況，本人在擔任《機械設計基礎》課程教學工作多年的時間里，不斷總結，發現了一些好的教學辦法，取得了良好的課堂效果，非常受學生們的歡迎。現簡單介紹一下《機械設計基礎》課程中的“鉸鏈四桿機構的基本性質”一節新的教學方法。

一、教材分析

1、地位作用

本節課是《機械設計基礎》課程的重要知識點，是“平面四連桿機構”的核心，也是對鉸鏈四連桿機構的進一步理解和認識。這些基本機構是四桿機構設計和分析的基礎，將越來越多的被應用于自動化操作及工程運輸機械中，也會為學生在今后工作中的創新發展打下良好的基礎。

2、教學目標

知識目標：1）掌握并運用曲柄存在的條件，判斷鉸鏈四連桿機構的類型；2）掌握急回特性，行程速比系數的含義；3） 掌握死點產生的條件及應用。

能力目標：1）培養學生觀察、分析及綜合歸納能力；2）培養學生主動探索、協作學習的能力。

思想目標：培養學生對學習活動的情感偏好，主動參與的意識和科學、嚴謹、細致的工作作風，使學生樹立辯證唯物主義的世界觀和方法論。

3、重點難點

由曲柄是否存在條件來判斷出機構的類型是本節課的重點。急回特性原理分析、行程速比系數的影響因素，都要求學生有嚴謹細致的抽象思維能力，是本節課的難點。

4、教材處理

本著突出重點和突破難點的原則，我對教材做了如下處理：（1）通過平面四連桿機構教具直觀演示與生產實踐相結合的方法，引導學生循序漸進、步步深入。通過觀察、分析、歸納、總結，得到曲柄存在的條件、急回特性和死點產生的原因。（2）為使急回特性產生的條件簡單易懂，我還補充講了急回特性系數這一概念。

二、教法設計

主要采用直觀演示和啟發式教學方法，通過生產實例—創新問題情境—提出問題—探究驗證—歸納總結—實踐應用等環節，使學生順利地掌握上述重點，消化難點并用“引導——激勵”方式引導學生發現問題，激勵學生解決問題。教學手段采用模型直觀教學和多媒體輔助教學。

三、學法指導

1、通過教師采取的創新、形象、生動的教學氛圍，讓學生能主動參與，積極探索，善于思考，協作學習，從而提高學生分析問題、解決問題的能力。

2、采用提取舊知—積極思維—實驗探索—構建新知—鞏固深化的教學方法。

四、教學過程

在導入本節課時，教師應首先提出一個復習性的問題：

“鉸鏈四連桿機構的基本類型有哪些？”當學生一一答出后，接著請學生將提前準備好的硬紙板、圖釘、剪子……制作出這些機構。由于學生不了解四連桿機構的性質，所以制作中存在著盲目性，會遇到困難，教師順勢導出新課：“本節課我們就來解決它，學習鉸鏈四連桿機構的基本性質”。這樣安排新課的導入，目的在于有意給學生設置困難，希望學生解決，故而使學生對新課產生興趣，提高學習效果。

（一）曲柄存在的條件

這是本節課的重點知識，采用教師引導，學生自主探索的方式完成教學目標。教師引導學生發現問題，又和學生在一起找到了解決問題的鑰匙，激勵學生去敲開知識的大門，尋找答案。從而培養了學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。推論這部分，教材上沒有給出轉動副的概念，但此概念有助于推論知識的理解，所以教師應先給學生補充上。若AB是曲柄，則A、B是周轉副，C、D是擺動副。若固定的是最短桿的相鄰桿，A是轉動副，于是得到了曲柄搖桿機構；若固定最短桿件，A、D是轉動副，于是得到了雙曲柄機構；若固定最短桿的相對桿，A、D是擺動副，于是得到了雙搖桿機構。

請學生用填空的方式完成推論知識的歸納總結，這樣做會使基礎知識得到了及時的練習，強化了重點內容。接著，趁熱打鐵，請同學們完成開始未完成的制作。由于有了理論知識作指導，學生會感覺到有的放矢，體會到“知識就是力量”，從而培養了學生對學習知識的渴望情感。

課堂布置一道與鉸鏈四桿機構有關的綜合性實踐題目，拓展學生的能力，并且使學生在做題中意識到，在曲柄搖桿機構中，曲柄可以是主動件，搖桿也可以是主動件。這為學生下邊將要學習的兩個問題做了鋪墊——急回特性就是曲柄是主動件的情況下，搖桿的運動特點；而第二個問題死點位置是在搖桿是主動件的情況下產生的。

（二）急回特性和行程速比系數

這是本節課的難點，采取教師引導學生發現問題、解決問題；根據結論分析問題；舉例、探討消化問題的教學思路等。

急回特性的典型應用是牛頭刨床，對于此，教材上只是一提，但要了解此機構就要從機構的演化談起。

牛頭刨床的運動就是根據曲柄搖桿機構的急回運動原理制成的。刨刀安裝在橫梁上，速度較慢的工作行程用于切削；速度較快的空回行程，用于刨刀迅速復位，節省了大量輔助時間，提高了生產效率。其實，曲柄搖桿機構的這一特性在我們日常生活中的應用還很多，如沖床、液壓泵等。

現場放再放一段牛頭刨床正在工作的畫面效果會更好。

在曲柄搖桿機構中，當搖桿CD趨于無窮大時，C點不能做弧線運動嗎？不能，它只是做直線運動，這就是曲柄滑塊機構。

在一些重型機械中，由于普通的轉動副的直徑較小，不能傳遞很大的載荷。在這兩種情況下，往往將轉動副B擴大為一個圓盤，其直徑超過曲柄半徑AB之長，即下圖的偏心輪結構。

教師的拋磚引玉，將進一步引導學生進行發散性思維，促使他們對曲柄搖桿機構展開熱烈的討論，以達到能力提升的目的。

（三）死點的位置

這是本節課的了解性內容。教師首先用實例使學生對死點位置有感性認知，從而完成由感性認識上升到理性認識的思維過程。

現舉兩個例子進行講解：1、縫紉機腳踏板機構；2、工件的夾緊機構

有了前邊的兩個實例，學生對死點位置的概念較易理解。教材中死點位置的概念，是以曲柄搖桿為藍本，描述的內容較多，教師還應引導學生歸納出能揭示死點位置本質的概念：即驅動力對從動件的有效回轉力矩為零，這一概念有助于對死點位置進行有效分析。

板書設計：

1、曲柄存在的條件：

a + d≤b + c

a + b≤d + c

a + c≤b + d

則推算出：a ≤b

a ≤c

a ≤d

由此可知，在四連桿機構中，要使連架桿成為曲柄，須具備如下兩個條件：（1）連架桿與機架中必有一個是最短桿；（2）最短構件與最長構件的長度之和必小于或等于其余兩構件的長度之和。

根據曲柄存在的條件，我們還可以做出以下推論。（1）如果鉸鏈四連桿機構中，最短構件與最長構件的長度之和小于或等于其余兩構件的長度之和，則可有以下三種情況：a.以與最短構件相鄰的構件為機架時，則該機構為曲柄搖桿機構；b.以最短構件為機架時，該機構為雙曲柄機構；c.以與最短構件相對的構件為機架時，該機構為雙搖桿機構。（2）如果鉸鏈四連桿機構中，最短構件與最長構件的長度之和大于其余兩構件的長度之和，則無論以哪一構件為機架，均為雙搖桿機構。

2、急回特性

1）當θ=0°時，K=1，無急回特性 2）當θ>0°時，K>1，有急回特性

3、死點

若以搖桿為主動件，且處于連桿與曲柄共線時，此時傳動角γ=0°，不論用多大的力都不能使曲柄轉動，即產生了頂死現象。

4、實踐應用

a.野外攝影車座斗升降機構；b.港口鶴式起重機； c.顎式破碎機機構和沖壓機構；d.沖床中的曲柄滑塊機構

結論：課后進行總結回顧，并引導學生對所學知識進行小結，形成完整的知識體系。教師點出本節課的知識主線。曲柄搖桿機構，以曲柄為主動件，有急回特性；以搖桿為主動件，有死點位置。使學生對本節課的設計思路有了進一步深刻和清晰的認識，起到了畫龍點睛的作用。endprint