高職類機械設計基礎課程教學方法創新探析

張勝泉 孫學娟 宋亞杰

摘? 要：針對高職類機械設計基礎課程教學特點，分析教學基礎與環境，以平面連桿機構模塊的教學過程為例，從教學內容、方法、實施及拓展等方面進行設計與實踐，表明科學合理地設計教學模塊和切換教學方法，對提高學生的興趣和能力具有較大幫助。

關鍵詞：高職;機械設計基礎課程;平面連桿機構;教學方法

中圖分類號：G712? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-3769（2020）03-099-04

一、機械設計基礎課程定位及現狀

機械設計基礎是一門綜合性、應用性、理論性和實踐性都很強的專業基礎課，主要針對機械類及近機類專業的學生開設，具有承上啟下的作用。其前序課程為機械制圖、工程力學、工程材料，后續課程為機械零部件設計測繪、典型機構設計、數控機床機械安裝與調試等課程，并服務于高年級課程、畢業設計等模塊，為從事機械設計、設備管理等崗位工作提供技術支持。高職機械設計基礎課程，課時設置56學時，以常見機械及通用零部件為研究對象，內容涵蓋機械原理、設計兩部分，核心知識點包括常用機構的工作原理、結構特點、連接和螺旋傳動等，常用機械傳動類型包括軸系零部件的結構和用途，與設計相關的摩擦、磨損、潤滑、密封。該課程的理論性較強，力學分析計算較多，對制圖、識圖能力要求較高。為此，對該課程大部分高校在課程教學方法上以理論講解為主，雖然采用了基于工作過程的教學方法[1]、混合式教學模式[2]、微信平臺[3]等多種教學模式，但學生對課程的理解還停留在理論層面。部分高校能夠安排一次實訓課，但涉及不到各個模塊知識點，實訓效果不甚理想，比如混合式教學模式，主要混合了“面對面教學”“網絡學習”和“實踐”三種方式來實施教學，但這些教學方式偏重線上教學，和線下課程的講授，而對實踐教學則不涉及。此處的實踐教學是指，一方面要利用實訓平臺搭建及演示，另一方面要將知識點落在生活實際，加強對理論內容理解的深度，強調學以致用。

與本科學生相比較，高職學生群體具有鮮明的特點例如理論學習興趣低、學習的自主性較差，普遍對學習成績不甚關心，較少考慮繼續深造，對就業前景關心不夠，因此線下課堂表現差強人意。但他們動手能力強，愿意互動，受到鼓勵時學習興趣會明顯增強。因此教師有效督促和引導對高職學生的學習效果至關重要。針對我校特色，筆者對機械設計基礎課程的教學進行了深入研究，并以平面連桿機構這一模塊為例，對教學方法進行詳細闡述，經過初步的嘗試，取得了一定效果。

為加強機械設計基礎課程的實訓教學工作，籌建了機構設計與裝調實訓室。該實訓室針對機械設計原理模塊設計了LHJY-A機械原理基礎實驗創新綜合實訓平臺，針對機械設計模塊設計了LHJSKS機械設計課程創意及組合實訓臺、LHJKT-B插齒與滾齒一體機實訓臺及CQX——B創意組合式軸系結構設計及仿真實驗箱等。這些實訓平臺涵蓋了機械設計基礎課程全部章節模塊的教學內容，可構思設計平面機構、齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動、軸系、齒輪箱等設計方案并實現組裝，可完成各零部件的結構設計構思與測量繪制，同時配置了兩組通用機構零部件展示柜，在教學過程中可通過模型展示來加深學生的理解。

二、平面連桿機構模塊的教學探究與實踐

平面連桿機構是機械設備中常見的一種機構，屬于機械原理模塊內容，是“機械設計基礎”課程前期教學的重要模塊。連桿機構是由若干桿狀構件組成，制造簡便，且具有靈活多樣的組合方式，適合長距離傳動及低速且精密性要求不高的一般工業領域，尤其在動物足部、鳥類翅膀仿生結構設計中有重要應用，部分構件還可以用凸輪和滑塊代替，進一步拓展了其使用范圍。基于我校的實訓室硬件條件，對高職數維專業開設的機械設計基礎課程 以4學時聯排進行模塊化設計，用頭腦風暴法、講授法、任務工單法、分組實踐法、自學講解法、微課等教學，實現了對平面連桿機構線下教學方法的探究。

1.平面連桿機構模塊的教學內容

平面連桿機構模塊教學內容的基礎課程是平面機構自由度分析，在學生學會運動簡圖繪制、自由度計算的基礎上，掌握平面連桿機構的概念、組成、分類及動力特性。其中平面連桿機構的動力特性包括桿長之和條件、行程速比系數、壓力角及死點等，為本課程的重點及難點，其分類也是課程的重點。講解主要針對運動簡圖，學生一般不易透徹理解運動特性的推導過程，也不易理解運動特性的實際效果和意義，因而在教學設計過程中要考慮對課程重點的全面掌握與課程難點的突破。筆者對平面連桿機構的教學內容利用思維導圖進行梳理，如圖1所示，形成模塊的脈絡結構使學生容易掌握。

2. 平面連桿機構模塊的教學方法實施

為加強連桿機構展示的直觀性，徐洪[4]使用了內磁性鉸鏈機構在黑板上進行實驗教學，桿件可快速裝拆，并可搭建多種機構，但學生參與程度并不高。于曉紅[5]從備課、教學策略、教學流程等方面進行教學設計，并對學生進行分組，但實訓教具使用較為簡單的硬紙板和大頭釘制作鉸鏈四桿機構，與工程實踐有一定的差距。筆者在此基礎上，利用LHJY-A機械原理基礎實驗創新綜合實訓平臺，將教學內容進行模塊化分割，針對不同的模塊實施不同的教學方法，合理設置教學重難點，每個模塊設定好時間邊界，邊界區間讓學生完成部分習題或者任務工單來轉換學生的注意力。

平面連桿機構教學設計的具體實施方案可分為課前復習、課程導入、自學初步概念、動手實踐不同機構、實踐總結，教師講授桿長之和條件，學生講解急回特性，講授壓力角，觀看微課——機構的死點及其應用，最后進行課程總結。課堂總計180分鐘，4學時聯排。各模塊的時間分配方案如圖2所示。

板書復習模塊主要對上節課內容進行回顧，為本節課內容作鋪墊，復習機構的組成、運動副的定義及分類、機構自由度計算公式等內容，采用頭腦風暴法進行提問。然后順利切換至課程導入模塊，將日常生活接觸到的平面連桿機構與本節課內容建立聯系，列舉油田抽油機、縫紉機、俯仰雷達等機構，總結其共同點，以講授法進行引導。為了加強學生的自主學習能力，考慮連桿機構分類容易上手的特點，使用自學講解法，由學生自學完成，并由一名學生完成連桿機構分類及應用的闡述講解。

以上模塊完成后，學生容易進入倦怠期。應組織學生進行分組實踐，以實訓指導書為依據，組織學生完成不同連桿機構的組裝，在實踐過程中發現知識、學習知識，同時加強學生的決策能力及團隊協作意識。注意做好實訓室環境的設計和學生的引導工作，要求學生記錄過程，完成任務工單（實訓報告），并由老師進行實踐總結和講授，用學生搭建的模型引導學生思考不同連桿機構的成因。在思考過程中，順利過渡到桿長之和條件講授模塊。本模塊是本節課的重點難點之一，以教師講授為主，學生需要理解結論得出的過程，并通過任務工單計算練習、實測連桿實物長度并驗證桿長之和條件等多種任務方式鞏固本模塊內容。

完成任務工單后，進入急回特性自學講解模塊。急回特性也是本節課的重點和難點，挑選學生板演并講解行程速比系數的推導過程，引導學生仔細觀察曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構實物運動過程的急回特性，并通過完成任務工單方式予以鞏固。

通過講解踩縫紉機踏板感受死點的案例，引入機構死點及其應用模塊內容。先觀看教師錄制的微課，了解機構死點定義及優缺點，然后講授壓力角和傳動角的基礎理論來詮釋機構死點的內涵，并輔以板書、實物模型方式進行討論和答疑。微課視頻同步分享至網絡云平臺讓學生課下進行復習鞏固。最后進行本節課的“課程總結”，采用提問、板書、PPT展示等方式，強化學生對本節課內容的記憶。課程教學過程中，不間斷地利用LHJY-A機械原理基礎實驗創新綜合實訓平臺，從搭建模型感知到使用模型加深理解，動靜結合，調動學生積極性和參與度。

總之，在整體的教學實施過程中，作為授課教師的筆者始終強調將抽象的平面連桿機構與現實生活中的實例建立聯系。因為新知識的學習必須以已有的認知結構為基礎，比如講曲柄搖桿機構時要和油田抽油機、汽車雨刷器、俯仰雷達等現實生活的機構建立聯系;講雙曲柄機構時要和振動篩、火車車輪、汽車車門啟閉機構建立聯系;講雙搖桿機構時要和鶴式起重機、汽車轉向器建立聯系;講曲柄滑塊機構時要和汽車發動機建立聯系;講機構死點時要讓聯系踩縫紉機踏板遇到的問題;講急回特性時要和慣性篩、牛頭刨床等實際機器建立聯系。這樣設計教學模塊和教學方法的切換，使知識的傳授深入淺出，會讓學生在學習過程產生濃厚的興趣。

3.平面連桿機構模塊的教學拓展

通過以上的教學實施，還會有學生有疑問，例如平面連桿機構在實際生活有何用處。為了吸引學生的興趣，在課程總結及拓展的環節，引入一個與生活非常貼近的平面連桿機構設計案例——雨傘，引導學生對該實例進行創新結構設計思考。結合之前課程所學的平面機構自由度分析，讓學生完成機構運動簡圖的繪制、機構自由度分析，然后展示近年來比較流行的反轉骨架雨傘的設計方案，給學生觀看相應的視頻，理解反轉骨架雨傘的優勢。指導學生從機構分析角度繪制出反轉骨架雨傘的機構運動簡圖。學生發現，傳統的雨傘機構運動原理是曲柄滑塊機構，如圖3所示，反轉骨架雨傘機構運動原理依然是曲柄滑塊機構，但運動軌跡有變化，如圖4所示。

從近年來學生對教學效果的反饋看，反轉骨架雨傘設計原理的引入，讓學生把理論學習與生活實際聯系起來，多個班級學生對反轉骨架雨傘的設計感興趣，并有部分學生結合電機驅動技術、滾珠絲杠傳動技術等，進行了課下的“新型多功能反向全自動雨傘”科技創新項目的產品開發，達到了學以致用的效果。

參考文獻：

[1]程萍.高職《機械設計》課程的教學改革與實踐[J].當代職業教育，2014（3）：30-33.

[2]章小紅.鄭淑琴.羅博.基于混合式教學模式的《機械設計基礎》課程教學實施[J].科技視界，2017（36）：140-141.

[3]于克強.孫桂蘭.陳國輝.基于微信平臺的機械設計基礎課程教學改革研究與實踐[J].課程教育研究，2018（10）：10-11.

[4]徐洪.黑板上搭建平面連桿機構實驗裝置的設計[J].實驗室研究與探索，2016，35（7）：52-55.

[5]于曉紅.鉸鏈四桿機構的組成與分類教學設計[J].職業，2016（18）：102-103.