“機構(gòu)運動簡圖測繪實驗”教學(xué)思路*

吳建美，吳明明

（安徽三聯(lián)學(xué)院機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

“機械原理”課程是一門機械類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，研究的是機器中常用機構(gòu)和通用零部件的基本理論及設(shè)計方法，對已有機器進行運動學(xué)分析及力學(xué)分析時或設(shè)計新的機器時，均需畫出機構(gòu)的運動簡圖。“機構(gòu)運動簡圖測繪實驗”是實現(xiàn)理論知識教學(xué)目標、培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[1]，尤其是對新的設(shè)計思路表達起著關(guān)鍵的作用。“機構(gòu)運動簡圖測繪實驗”既能夠讓學(xué)生鞏固機械制圖所學(xué)的測量技能，又可以加深學(xué)生對理論知識的理解；通過測量、繪圖、計算等實踐環(huán)節(jié)，能夠提高學(xué)生動手實驗的能力、團結(jié)協(xié)作的能力、撰寫實驗報告的能力、判斷決策問題的能力，從而開拓眼界，啟迪思維，促進學(xué)生創(chuàng)造能力的提高。

1 教學(xué)目標

1.1 知識目標

掌握機構(gòu)運動簡圖的概念，掌握常用運動副及構(gòu)件的表示方法及繪制技能；通過計算機構(gòu)的自由度，進一步判斷平面機構(gòu)是否具有確定的運動。

1.2 能力目標

培養(yǎng)學(xué)生利用機構(gòu)運動簡圖知識表達工程實際中的機械。

1.3 認知目標

認識到機構(gòu)運動簡圖不僅能夠簡化表達機器的組成，還能對機器進行運動學(xué)分析和力學(xué)分析，便于設(shè)計新的機器。

2 教學(xué)思路

“機構(gòu)運動簡圖測繪實驗”按照以下5個步驟進行。

2.1 復(fù)習(xí)鞏固

師生共同回顧已做實驗“常用機構(gòu)的認識”的相關(guān)知識，并引出機器或機械一般是由常用機構(gòu)組合而成。

2.2 新課導(dǎo)入

通過案例引入的方式導(dǎo)入本次實驗的內(nèi)容。以內(nèi)燃機為例，首先讓學(xué)生分析內(nèi)燃機主要由哪些機構(gòu)組成，這不僅檢驗了學(xué)生對已做實驗相關(guān)知識的掌握情況，而且激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)本次實驗課的興趣。然后說明研究工程實際中機器的運動特性，在機器上分析是不可行的，必須表達在紙面上。繼而拋出一個問題讓學(xué)生思考：是像畫家那樣將其原原本本地畫出來，還是采用最簡潔的符號表明其組成呢？從而自然地過渡到本次實驗的課題“機構(gòu)運動簡圖測繪實驗”，并說明在該圖上可以對內(nèi)燃機進行運動學(xué)分析及力學(xué)分析，突出體現(xiàn)“機構(gòu)運動簡圖測繪實驗”的重要性。采用任務(wù)驅(qū)動式和啟發(fā)式的教學(xué)方式有助于讓學(xué)生認識到機構(gòu)運動簡圖的用途，從而激發(fā)其求知欲望，這時恰當(dāng)把握時機，將求知欲望轉(zhuǎn)為學(xué)習(xí)動力[2]。

2.3 新課教學(xué)

2.3.1 機構(gòu)運動簡圖的概念及表示方法

首先，展示轉(zhuǎn)動副模型并說明可以用簡單符號來表達，讓學(xué)生直觀感受到簡化的必要性。

其次，展示內(nèi)燃機中的曲柄滑塊機構(gòu)，如圖1所示，并向?qū)W生說明應(yīng)按一定比例尺定出運動副的位置，繪制出表示該機構(gòu)的簡明圖形。這種能反映機構(gòu)運動的簡化圖形被稱為機構(gòu)運動簡圖。不按比例繪制的圖形被稱為機構(gòu)示意圖，只能表達其組成，并不能對其進行運動學(xué)分析及力學(xué)分析。采用演示式的教學(xué)方式既闡述了機構(gòu)運動簡圖的概念，又區(qū)分了機構(gòu)示意圖，能夠讓學(xué)生在充分理解機構(gòu)運動簡圖概念的基礎(chǔ)上更好地掌握它。

圖1 曲柄滑塊機構(gòu)

最后，介紹常用的運動副符號及構(gòu)件的表示方法。此部分是教學(xué)重點，直觀展示不同類型運動副圖片的同時介紹運動副符號，采用一一對應(yīng)的方式讓學(xué)生去理解并掌握；以兩個具體機器即內(nèi)燃機、自動卸料裝置為例講解常用構(gòu)件符號，并播放內(nèi)燃機和自動卸料裝置的運動視頻讓學(xué)生直觀地認識機器構(gòu)件與其表示方法之間的聯(lián)系，繼而掌握其表示方法。在此過程中，利用動畫功能讓圖1中內(nèi)燃機曲柄滑塊機構(gòu)與右側(cè)機構(gòu)運動簡圖同時運動，學(xué)生可以直觀地看出兩者運動完全一致，這也能夠更好地解釋為什么可以利用機構(gòu)運動簡圖分析實際機器的運動。

2.3.2 運動簡圖測繪步驟

以具體模型為例，如繪制鉸鏈四桿機構(gòu)的運動簡圖，并分析機構(gòu)是否具有確定性的運動。首先，通過兩個問題誘發(fā)學(xué)生思考，問題1：該機構(gòu)有哪些構(gòu)件所組成？結(jié)論：該機構(gòu)由四個構(gòu)件組成，分別為機架、曲柄、連桿和搖桿。問題2：各活動構(gòu)件做何種形式的運動？結(jié)論：曲柄做整周轉(zhuǎn)動，連桿做平面運動（既有轉(zhuǎn)動又有移動），搖桿做一定角度的擺動。以提問的形式提高學(xué)生的課堂參與度，既起到了師生互動的作用，又可以從問題的回答中了解到學(xué)生對理論知識的理解情況，從而可以更加精準地調(diào)整教學(xué)進度及教學(xué)方式。

其次，師生共同思考如何繪制模型的機構(gòu)運動簡圖。在繪制過程中采用故意出錯的方式引起學(xué)生的重視，讓學(xué)生獨立思考錯在何處，應(yīng)如何改正，通過這種方式讓學(xué)生參與到教學(xué)過程中來。采用這種教學(xué)方式不僅能夠提高其學(xué)習(xí)積極性，還可以培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力[3]。讓學(xué)生思考之后再分析問題（錯誤在于運動副之間的位置與實際機構(gòu)不成比例），可以使學(xué)生更深刻地理解并掌握相應(yīng)知識點，即機構(gòu)運動簡圖需要按照一定的比例尺進行繪制。最后得出正確的機構(gòu)運動簡圖。

最后，分析機構(gòu)的運動確定性。先讓學(xué)生分小組討論如何判斷機構(gòu)的運動確定性，學(xué)生之間可以通過互補的方式更好地掌握相應(yīng)知識點，即先計算機構(gòu)的自由度，若機構(gòu)自由度F>0且等于原動件數(shù)，可判定機構(gòu)具有確定的運動。通過自由度的計算可得出結(jié)論：鉸鏈四桿機構(gòu)具有確定的運動。在此過程中預(yù)留部分討論的時間給學(xué)生，學(xué)生之間交流學(xué)習(xí)往往比灌輸性教學(xué)的效果更佳[4]。

例題講解結(jié)束后，讓學(xué)生歸納出機構(gòu)運動簡圖的測繪步驟。1）分析機構(gòu)運動，弄清構(gòu)件數(shù)目。2）依照構(gòu)件之間的接觸情況和相對運動，確定運動副的類型及數(shù)目。3）表達運動副和構(gòu)件（三選：視圖、比例、位置）。4）標注——構(gòu)件編號、運動副字母、原動件箭頭。5）計算自由度，分析機構(gòu)運動的確定性。學(xué)生歸納的過程中將這部分內(nèi)容板書出來，學(xué)生通過黑板上的板書即可了解本次實驗的主要內(nèi)容。

此部分亦為教學(xué)難點，需注重講解例題的求解方法與步驟，不能為了解題而解題，而是要讓學(xué)生在例題的求解中找到一般規(guī)律，達到任一機器或模型都可以繪制出其機構(gòu)運動簡圖的目的。問題的解決過程遵循了“實際問題—分析模型—解決問題”的思維方式。通過這種教學(xué)方式，在潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生運用已有知識解決實際問題的能力。

2.3.3 測繪運動簡圖時應(yīng)注意的問題

在此過程中，仍然以單缸內(nèi)燃機中的曲柄滑塊機構(gòu)為例，分析說明測繪運動簡圖時應(yīng)注意的問題，主要包括以下幾個方面：1）該機構(gòu)有四個構(gòu)件，分別為曲軸、連桿、活塞、機架，所繪制的機構(gòu)運動簡圖的構(gòu)件數(shù)目與實際機構(gòu)相同；2）曲柄滑塊機構(gòu)含有四個運動副，活塞和機架之間是移動副，連桿和活塞之間、曲柄和連桿之間、曲柄和機架之間均是轉(zhuǎn)動副，所繪制的簡圖中運動副的類型、數(shù)目與實際機構(gòu)相符；3）無需關(guān)注活塞的截面尺寸以及連桿、曲柄等外形尺寸，只需關(guān)注運動尺寸即可，如連桿的運動尺寸即為兩銷軸之間的距離；4）視圖平面選擇活塞、連桿、曲軸的運動平面，即一般選擇構(gòu)件的運動平面作為視圖平面；5）運動副之間的相對位置及構(gòu)件尺寸與實際機構(gòu)成比例，在此指出前面的例題一開始之所以出錯，就是因為忽視了這個問題。

2.4 實驗操作

給定若干常用機構(gòu)的模型，讓每組學(xué)生選擇兩種不同類型的機構(gòu)進行測量，畫出機構(gòu)運動簡圖，并計算出機構(gòu)的自由度，分析該機構(gòu)的運動是否具有確定性。測繪結(jié)果及分析記錄表如表1所示，讓學(xué)生將測繪結(jié)果及分析結(jié)果填寫到表1中。

表1 測繪結(jié)果及分析

操作的過程中每兩人一組，讓學(xué)生動手操作，在對機構(gòu)運動簡圖測繪的過程中，了解機構(gòu)的運動原理，掌握機構(gòu)運動簡圖測繪步驟及分析機構(gòu)運動的確定性的方法。將測繪結(jié)果填到表格中，可以更加直觀地展示本次實驗學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

在網(wǎng)絡(luò)平臺中給出兩個能力提升題目：1）繪制顎式破碎機的機構(gòu)運動簡圖；2）繪制小型壓力機的機構(gòu)運動簡圖。

通過這兩個題目延伸課堂內(nèi)容，提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。另外，網(wǎng)絡(luò)平臺還具備其他功能，如主題討論、實驗資料匯總、課外文獻查閱、群聊等，為師生課下交流及擴展學(xué)生知識面提供了便捷。

2.5 課堂小結(jié)及課后思考

以思維導(dǎo)圖的形式進行課堂總結(jié)，既可以讓學(xué)生對本次實驗內(nèi)容形成整體認識，又可以鍛煉學(xué)生的發(fā)散和創(chuàng)新思維。下課之前布置與本實驗關(guān)聯(lián)的思考題以鞏固學(xué)生所學(xué)知識點。思考題的解答過程可以在網(wǎng)絡(luò)平臺進行，以學(xué)生為主體展開思考題的討論，以成果導(dǎo)向的方式讓學(xué)生掌握所學(xué)知識，不同于傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)[5]。

3 教學(xué)效果

學(xué)生實驗的過程中及時發(fā)現(xiàn)其問題，并采用啟發(fā)式思維引導(dǎo)學(xué)生改正錯誤，從而培養(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力。網(wǎng)絡(luò)平臺可以對學(xué)生的訪問進行統(tǒng)計，從訪問量可以看出通過改革實驗教學(xué)思路，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚[6]。實驗課的成績也提升明顯，學(xué)生學(xué)習(xí)成績分布如圖2所示，從中可以看出80~100分數(shù)段的人居多，教學(xué)質(zhì)量有了顯著的提升。

4 結(jié)束語

采用項目化的實驗教學(xué)，注重理論知識與實踐問題在教學(xué)時間、教學(xué)內(nèi)容上的有機結(jié)合，使學(xué)生能夠通過實驗及時理解、掌握理論知識，避免枯燥的灌輸性學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣。采用新的實驗教學(xué)思路，從根源處對“機構(gòu)運動簡圖測繪實驗”教學(xué)中難以理解的知識點加以改進，使難以消化、接受的知識點變得較易理解。利用網(wǎng)絡(luò)平臺完成師生之間的課下交互及學(xué)生知識面的拓寬，提升了教學(xué)質(zhì)量，并為培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才作出了貢獻。