以柔性為特色的機械結構設計新課程探索與實踐

金莫輝 段潔利

（華南農業大學工程學院 廣東·廣州 510642）

1 背景分析

機械結構是機器系統的骨架、核心運動部件，其分析和設計對于創造出新機械、優化出性能優越的機械具有重要的理論和應用意義，而讓學生掌握相關的結構設計理論和方法是機械工程類專業的核心培養環節之一。目前，與機械工程類本科專業相關的傳統結構設計課程包括《機械原理》和《機械設計》，前者引導學生如何從原理上設計具有特定運動功能的機構，并對機構進行運動分析和力分析，后者則教導學生如何設計機械的具體結構才能滿足實際工作要求，兩者是機械工程專業的核心課程。然而，隨著現代機械朝多元化方向發展，機械系統的結構已呈現出結構復雜化、多尺度化、柔性化、傳感驅動集成化等特點，而國內大部分機械工程專業的結構設計課程仍以傳統的內容為主，已明顯落后于現代機械產業的發展需求，具體存在的問題主要表現為：

（1）機械結構設計課程體系的教學內容以傳統的機械為主，很少涉及柔性機構/結構等新興技術。《機械原理》主要講授了連桿機構、齒輪機構、凸輪機構以及其他常用的特種機構的設計原理，而《機械設計》主要講授了齒輪傳動、皮帶/鏈傳動、傳動軸、軸承和螺紋連接的結構設計理論與方法。雖然這些內容涵蓋了傳統機械系統中最常見的機構和零件，但是面對機器人、人工智能、大數據等新興學科對傳統工科的沖擊，機械結構設計課程亟需注入新的教學內容，以煥發新的活力、提高傳統工科的競爭力。

（2）教學方式較為傳統，學生容易對所學知識失去興趣。目前，機械結構設計課程的教學方式是綜合利用理論課與實踐課，學生先完成理論知識的學習，然后通過綜合的課程設計來實踐所學的知識。然而，經過多年的教學實踐，學生普遍反映理論和實踐存在脫節，先理論后實踐的方式容易使得學生對理論教學環節感到枯燥；而大部分的實踐課仍以減速箱為設計對象，存在對象、內容過于單一和老舊等問題，難以引起學生的學習興趣；更嚴重的是，經過幾十年的專業教學，網上已存在大量的課程設計參考資料，極容易出現抄襲、代做等問題，達不到設立實踐課的最初目的。

2 解決方法與措施

《機械原理》和《機械設計》作為機械工程專業的核心課程，相關的教學大綱也已有了一套成熟的體系，目前較難進行大范圍的課程變革。然而，作為傳統機械結構設計課程的一種補充，筆者嘗試開設了一門以柔性結構設計為特色的專業選修課程，并已在近年的教學實踐中進行探索和完善。該課程在教學模式和方法上具有如下特點：

2.1 結合新興知識，構建基于柔性機構的理論課程

作為一種新興的現代機構，柔性機構與傳統剛性機構的結構特點不同，主要依靠機構中的柔性元件來實現機構的運動和能量傳遞，因此可以避免剛性鉸鏈的間隙和潤滑問題，具有運動精度高、免裝配等優點，目前已廣泛應用在精密定位、柔性機器人、柔性穿戴、柔性電子等領域。鑒于柔性機構擁有良好的應用前景，本課程的理論教學以柔性機構的應用、分析和設計等內容為主，為學生補充關于柔性機械設計方面的知識，具體的內容包括：（1）柔性機構在生活和生產中的實際應用案例；（2）柔性機構的運動特點、類型，其柔性和變形的原理；（3）常用的靜力學變形分析方法，如有限元分析、偽剛體模型方法等；（4）常用的柔性機構概念設計、優化設計方法，如剛體替代法等。

整個理論教學過程是從生活常見物品、具體的柔性機構應用對象入手，然后啟發學生對于柔性機構的感性認識，由淺入深地介紹相關的設計思想，最后采用實例演示和問題啟發相結合的方式，講解柔性機構的分析和設計方法。課程所需的基礎知識與現有的機械專業培養方案相符，要求學生修學過《材料力學》、《理論力學》、《機械原理》和《機械設計》等課程的知識，所以是機械專業核心課程知識的一次綜合應用。

2.2 以實物實驗和柔性機構仿真改善學生的知識體驗感

為了避免學生感到理論和實踐脫節，本課程采用了以下三種教學環節來改善學生在理論學習過程中的知識體驗感：（1）在整個教學過程中，每位同學需要自行尋找生活和生產中實際應用的柔性機構，并輪流在每次課的前十分鐘進行實物、圖片或視頻分享，嘗試講述自己對所展示機構的應用場合和運動特點等方面的理解，以加深對柔性機構和所學知識點的理解和認識；（2）在講授理論知識的同時，安排學生對現有的柔性機構進行有限元仿真分析學習，并與理論結果進行對比，提高學生對相關有限元分析軟件的掌握程度，增強學生對變形、柔性及其力學指標的理解；（3）將現有的典型柔性機構及其柔性組件制作成實驗基礎材料，教學期間安排一次實物體驗課，讓學生親身感受柔性機構的變形特點，并自己動手組裝一種自己構想或參考的柔性機構，以增強學生對這類機構的實際體驗。

上述的三個環節綜合起來可以加深學生對理論學習的理解和認識，而實物實驗和仿真的訓練則可以促使學生開始模仿現有柔性機構的設計原理，學習如何分析和設計柔性機構，鍛煉學生的動手能力，為后續的課程設計中的機構創造奠定基礎。

2.3 以課程設計鍛煉學生的知識運用與創造能力

除了前面的學習和模仿階段，本課程還安排了課程設計來鍛煉學生的創造和團隊合作能力。在理論課程的后半段，我們開始安排學生同時進行課程設計的內容，以作為課程考核的主要組成部分，具體包含以下幾個部分：（1）在前期理論學習、仿真和實物實驗的基礎上，安排學生自行組成3人以內的課題團隊，以鍛煉學生的團隊合作能力；（2）學生自主擬定感興趣的機構設計問題，并與指導老師商定最終課題，鼓勵學生以解決生活或生產中的實際問題為課題目標；（3）團隊利用所學的知識和技能，設計出可解決擬定問題的柔性機構結構方案，并通過有限元仿真分析來驗證解決方案的有效性，圖1展示了部分學生的設計結果；（4）撰寫課程設計的說明書，并完成課程設計的答辯；（5）最后選出優秀的設計作品，并利用3D打印技術制造出所設計柔性機構的實物樣機，進一步驗證所設計柔性機構的有效性，增強學生對課程的實物體驗感。

圖1：部分課程設計和分析作品展示

從圖1展示的部分學生設計作品可以看出，學生對于生活中習以為常的柔性結構有了更為深刻的認識，了解了其中的設計思想和原理，并通過體驗、觀察發現了現有結構的不足之處，然后利用所學的知識對相關機械結構進行了再設計和創造，是一次發現問題并解決問題的教學體驗。整個課程設計與理論教學內容同時進行，是理論教學的補充，兩者相輔相成，可幫助學生更好地體會到理論知識的實用性。通過課程設計可達到以用促學的效果，提高學生的學習主動性，鞏固其所學知識，提升教學效果和學生的獲得感；同時鍛煉學生分析、解決問題的能力、團隊合作能力、實踐能力以及創新意識。

3 結語

本文介紹了一門與機械結構設計相關的新型課程的探索與實踐，該課程以柔性機構的分析和設計為特色，構建了基于柔性機構分析與設計的理論教學內容，以實物實驗和柔性機構仿真等綜合環節改善學生的知識體驗感，以課程設計的方式鍛煉學生的知識運用與創造能力。整個課程教學內容緊跟機械結構設計領域的前沿發展，并按照理論學習—模仿—創造的培養邏輯來提高學生對柔性結構的分析和設計能力，可在傳統機械結構設計課程的基礎上，為學生補充關于柔性結構設計的教學內容。