谈四杆机构教学中学生创新能力的培养

张 建 谷 裕

谈四杆机构教学中学生创新能力的培养

张 建 谷 裕

（天津渤海职业技术学院 天津 300402）

通过阐述四杆机构快速搭接实验装置的设计与应用，对四杆机构教学中如何培养学生创新意识、创新能力进行了探讨，强调了机械教学中学生创新意识、创新能力培养的重要性。

四杆机构；创新能力；实验装置；创新意识

现代教育越来越强调对学生创新能力的培养。如果在教育教学过程中，不注重培养学生的创新思维和创新精神，所培养的人才就难以适应现代生产技术应用、管理和服务需要的岗位能力要求，难以在激烈的市场竞争中立足。在教育教学过程中更好地培养学生的实践动手能力，培养学生的创新意识、创新能力及综合设计能力，是机械设计教学研究的重要课题之一。

要更好地培养学生的创新意识、创新能力，就必须对教学情境进行设计，为学生创造相应的学习条件。基于这一点，在四杆机构教学中，我们开发了四杆机构实验装置，并对教学情境进行了重新设置。我们采用了演示实验与机构虚拟设计及实际机构应用并行的教学方式，即：首先在实验装置上完成四杆机构运动研究的演示性实验，再向学生提出设计任务，由学生完成设计方案，并应用CAXA实体设计软件进行结构设计，最后由教师与学生共同对不同设计方案进行点评总结，并根据成熟的设计方案进行零件加工制造，通过机构组装试验，验证该设计方案的可行性。整个教学过程坚持以学生为主体，突出机械设计主线，侧重实际设计能力训练，注重培养学生探索性学习能力与创新意识、创新能力，使学生从被动接受变为主动探索学习。

我们开发的四杆机构实验装置以实际应用为背景，基本结构如图1所示。该实验装置采用了悬臂架结构，通过悬臂架使四杆机构各杆形成空间的平行结构，可有效防止在不同杆长实验状态下机构运动时连架杆与机架发生碰撞，避免机构运动干涉的发生。该实验装置机架长度可调，其结构为在工作台面上开导向槽并与悬臂架配合形式，调整机架长度时，只要松开固定螺栓，沿工作台上导向槽移动悬臂架至工作位置后再固定螺栓即可。

图1 四杆机构实验装置示意图

在四杆机构教学过程中，首先应用四杆机构实验装置，采用一组固定长度且杆长不同的构件杆组合，完成四杆机构三种类型（曲柄摇杆机构、双曲柄机构及双摇杆机构）的运动分析，使学生基本掌握四杆机构的组成及工作特性。

通过对四杆机构的认知学习，学生了解了这样的结果：四杆机构三种类型变换的关键是各杆长度的变化。那能不能采用一种可无级调节杆长的结构，应用快速搭接方式，在原有实验装置上实现三种不同类型四杆机构的实验呢？这就是我们对学生下达的设计任务。该设计任务要求学生分组自行收集资料，确定设计方案，并应用CAXA实体设计软件完成结构设计。该设计任务旨在激发学生的探究思维能力。实践证明：学生通过完成设计任务，不仅提高了综合机械设计能力，熟练掌握了机械设计软件的应用，还在创新意识、创新能力诸方面得到了锻炼与调高。以下是学生完成的几种典型设计方案。

方案一：如图2所示，结构杆设计成前端带槽形式，两侧留有可与滑块装配的槽，使滑块能在结构杆上来回滑动，滑块位置固定由紧定螺钉完成。通过改变滑块位置即可改变销轴位置，实现杆长无级调整。

图2 前端带槽的结构杆图

方案二：如图3所示，结构杆设计成了三段形式，两部分结构杆中间采用螺杆连接，螺杆两端分别采用左旋与右旋螺纹。通过旋转螺杆，两端配合的左右旋螺纹同时旋进或旋出，可以方便地实现杆长无级调整。

图3 结构杆的三段式设计图

方案三：如图4所示，结构杆采用杆内开槽并与滑块配合结构，滑块定位由盖板用螺钉紧固完成。通过改变滑块位置，可实现杆长无级调整。此外，该结构在结构杆侧边与滑块侧边均开有凹槽，可用于杆长调整后的实际杆长尺寸测量。

杆长调整方案很多，各有特点，对学生的设计方案进行分析、讲评、总结，不仅可以提高学生分析问题、解决问题的能力，而且有助于启发学生的思维，更好地培养学生的创新意识、创新能力。不难看出：方案一中滑块移动导向性较好，杆长调整后的位置精度较高，不过使用侧面螺钉定位滑块位置，定位不可靠，且该结构杆结构尺寸较大。方案二中杆长调整方便，但连接螺杆刚性较差，特别是当调整杆长尺寸较大时，由于螺杆旋入连接杆尺寸较小，杆工作中较易变形，影响机构工作精度。方案三中虽然杆结构较复杂，但具有杆长调整后位置精度高，定位可靠，特别是调整后杆长尺寸可测量等特点，具有较好的结构特性。

图4 内开槽的结构杆图

结合各设计方案特性分析，我们确定了方案三为应用结构，对方案三各零件进行了加工制造，在四杆机构实验装置上组装机构，如图5所示。该机构通过调整四杆机构各杆杆长，可实现四杆机构三种类型转换。实验证明：该设计结构具有较好的应用性，应用该结构可分别实现对四杆机构三种类型的运动分析。

图5 基于方案三的四杆机构实验装置组装机构图

以上是我们在四杆机构教学中的一点尝试。我们深深体会到：创新教育是以培养人的创新精神和创新能力为基本价值取向的教育实践。它以培养具有创造欲和创新能力的劳动者为目标，以发掘人的创造潜能，促进人的个性和谐发展为宗旨。人的创新意识、创新能力主要是后天培养和教育的结果。所以，在整个教学过程中，通过科学合理的教学情境设计，采用适当的创新教学方法和技巧，一定可以更好地培养学生的创新意识、创新能力。如何将教学过程和学生创新意识、创新能力的培养有机结合起来，培养知识面广、富有创新能力的人才，值得我们教育工作者共同去探讨，并在实践中不断验证、不断改进、不断优化。

[1]谭放鸣.机械设计基础[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]陈立德.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]胡家秀，陈峰.机械创新设计概论[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]秦士嘉.教学创新乃培养创新人才之根本[J]．职业技术教育，2002，（9）．

（本文责任编辑：谢良才）

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1672-5727（2010）11-0114-02

张建（1963—），男，天津市人，天津渤海职业技术学院副教授，主要从事机械类课程教学及研究。