提高机械原理课程教学质量的思考与实践

殷勇辉+++高志+++章兰珠

摘 要：机械原理是一门理论性和实践性很强的基础课。本文针对教学中出现的问题，从教学内容的共性知识提炼，以问题的提出和解答为主线，适时地从引入和拓展新知识等方面着手，探讨了具体内容的教学模式和方法，激发学生学习的积极性和思考的主动性，有效地提高了机械原理课程的课堂教学质量。

关键词：机械原理；教学方法；教学质量

“机械原理”课程是机械设计制造及其自动化等专业的一门学科基础课，具有很强的工程性、实践性和应用性。在“机械原理”课程学习中，学生要掌握机构结构分析、机构的运动学分析和机构的动力学分析三方面的理论知识，培养学生对现有机构的理论分析能力。“机械原理”课程的培养目标是使学生具有创新机构运动方案的设计能力，即针对不同的设计任务，综合运用各方面的相关知识，提出多种机构运动方案，并进行综合评价。因此，它又是一门实践性很强的学科。

作为大学二年级的本科学生来讲，由于大多数学生缺乏实践知识和实践经验，经常对所讲的机构结构学、运动学和机器动力学等内容缺乏实际验证，普遍感到抽象、难学。如所表达运动特征的机构运动简图与实际机器相差甚远，很难将两者有机地联系起来。在机械系统运动方案创新设计环节中和完成习题时经常出现和所学理论脱节，甚至感到无从下手的状况。所提出的运动机构设计方案过于简单，或者作业完成耗时过长，难以体现教学成果。因此，本文从激发学生主动学习能力和知识应用能力，提高机械原理的课堂教学质量角度，探讨机械原理教学过程中的注意事项和实践工作。

一、教学内容要注重共性知识的提炼

该课程重点在于使学生掌握关于机构的结构、机构运动学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本方法，难点是理论性强，知识点多，学生在有限的课堂教学中不容易理解和掌握。因此，教师应在对课程内容深入理解的基础上，抓住重点和难点，综观全局，提炼出分布在各章节中的共性知识。

如机械原理课程中多次用到“当量分析法”，是一种科学抽象方法。教材中考虑移动副摩擦时，针对非平面的槽面接触、圆柱面接触等几何形状改变的移动副时，采用当量摩擦因数和当量摩擦角将形状的影响与平面接触的摩擦因数和摩擦角时统一起来。在斜齿轮研究时，以齿形与斜齿轮法面齿形相当的齿轮作为当量齿轮，方便选择加工斜齿轮的铣刀号、斜齿轮的强度计算以及选择端面变位系数。由于锥齿轮大端的球面渐开线投影到背锥上得到的齿廓曲线与球面渐开线上的齿廓曲线非常接近，近似用背锥齿形代替圆锥齿轮大端齿形，而将背锥张开的扇形齿轮补充为完整的圆柱齿轮即为锥齿轮的当量齿轮。

依据理论力学中相对运动原理，课程中贯穿始终采用的“反转机构法”。讲解时采用模型、动画演示连杆机构及凸轮机构的运动变化，说明反转机构方法的实质并不改变构件之间的相对运动关系。比如在铰链四杆机构三种基本类型转换时，就是选择不同构件作为机架，即仅仅是参考坐标改变而已。在给定连架杆的位置设计平面四杆机构时，采用“反转机构法”设计原理实现将函数机构设计问题转变为导引机构设计问题。对于凸轮轮廓曲线设计的图解法和解析法，假设凸轮静止不动，保证凸轮与从动件之间相对运动不变，从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线，所依据的基本原理也是“反转法”原理。后续的齿轮轮系设计章节中，计算周转轮系传动比采用固定行星架的方法也以“转化机构法”为基础，将周转轮系转变为定轴轮系。

在教材中针对平面机构进行机构运动分析中和动态静力分析过程中均采用的“杆组法”两者的思想同样基于机构组成原理而来，但在具体使用中又有差别。平面机构运动和动力分析图解法方法中使用的速度多边形、加速度多边形、力多边形和机械静平衡和动平衡中采用的质径积分析方法等，均基于“矢量多边形方法”。

这样在讲解相关内容时，就可以共性知识研究的基本方法和思路为主线，提纲挈领，使学生对不同内容贯穿起来，涉及的不同的学习内容通过类比、触类旁通。共性知识的提炼，既理清了思路，又节省了教学时间，得到事半功倍的学习效果。

二、讲解要善于提出问题，引导学生主动思考

在教学过程中，学生必须成为教学过程的参与者，才能使学生从被动接受转为主动学习。因此，教师应力求对内容高度熟练，将重点内容整理成几个主要问题，以问题为主线展开，学生在试图解答问题时，就会主动思考，积极参与，由此提高教学效果。

机构自由度计算部分是教学的重点内容，老师要做到深入浅出地讲授构件和运动副的概念，分析运动副产生约束作用，由此自然给出平面机构自由度计算公式。在自由度计算例题中，故意导入“误区”，引导学生找出问题，引申出复合铰链、局部自由度和虚约束等需要注意的三个因素，并加以归纳和总结，加深学生对公式的理解和正确运用。这部分内容环环相扣，逻辑性强，其中涉及的概念和公式都按照自由度主线来表述。讲解时力求学生弄清楚我们进行了怎样的推理才得出公式的表达？我们做了哪些假设才可以正确运用？我们的结论对机构的运动有什么意义？引导学生逐步理解课程的重点和难点，这样使课堂内容的系统性加强，引导学生走向一门学科，融入科学，培养学生分析和解决问题的能力。

在讲授齿轮机构分析与设计这一章内容时采取问题启发式，使教学内容充实生动，且抓住学生对于问题答案的好奇心进行知识的传授。利用各种机器中使用的不同类型齿轮机构的模型、联系实际进行介绍。比如可以提出如下问题：“齿轮机构的类型虽然很多，但为什么直齿圆柱齿轮机构是最简单，最基本，也是应用最广泛的一种”，“不同的齿轮啮合传动背后隐藏那些规律”，“齿轮的齿廓曲线与一对齿轮的传动比有什么关系”。通过一对齿轮的运动分析，归纳出齿廓啮合基本定律并进一步给出共轭齿廓曲线的概念。进一步提出“为什么目前绝大部分的齿轮仍然采用渐开线作为齿廓曲线”，介绍其原因在于渐开线齿廓具有许多独特的优点，而这些优点与渐开线的特性密切相关。从渐开线的形成入手，分析渐开线的特性，为后面分析渐开线齿廓的传动特点打下基础。在介绍斜齿轮、蜗轮蜗杆齿轮和圆锥齿轮时，重点介绍其与渐开线直齿圆柱齿轮的异同，可以提出“实际生产中是斜齿轮使用的多还是直齿轮多？两类齿轮的加工方法或加工设备需要改变吗？”等问题，引发学生去探索和求解问题的答案，加深学习的兴趣和思考的主动性。

三、教学过程要注重新知识的吸收和拓展

经过多年的发展，机械原理的分析方法相对成熟，但是有些分析方法已相对陈旧，如对机构的运动和动力分析，目前主要有图解法、解析法。图解法与解析法两种方法兼容并存、相得益彰。图解法主要用于阐明机构分析与设计的原理，并为解析法建立数学模型奠定基础；解析法的重点放在如何建立机构分析与设计的数学模型，以适应计算机辅助设计和解决工程问题的通用性。在讲解时由于准确性差或直观性等问题，学生在学习时感觉接受起来比较困难，制约了教学效果。而适时引入虚拟样机技术、机械工程软件则极大简化教学过程，弥补实践环节的不足，能有效地提高学生的学习热情和学习效果。

在讲解机构的自由度概念时，拓展学生课外讨论的兴趣，让学生分析人体上肢有多少自由度？一般的机械手的自由度有几个？结合机械手指的设计，指出每个手指有三个关节，即3个自由度，5个手指则具有15个自由度。根据机械原理的理论知识得知，如果机构具有确定运动，则需要给定原动件的数量和自由度相同，进一步分析当两者不同时出现何种情况？对于原动件数小于自由度时，机构将产生不确定或无规则的运动。对于原动件数大于自由度的情况，即冗余驱动机构则会出现运动的干涉或损坏。为了激发学生的兴趣，可吸收新知识，引申出新型的欠驱动机构，指出该类机构可以采用新型控制策略来实现，或者可以通过机构的特殊结构类型设计，使其具有确定运动。更进一步则提出变结构或柔性结构的概念，通过新知识的拓展，引导学生跳出课本思维，激发学生大胆进行深入思考。

机械原理课程是培养机械类专业人才的重要基础课程，是进一步学习其他专业课程的桥梁，在学科体系中起承上启下的作用。教师的教学工作不仅传授知识，更重要的是激发学生的学习兴趣、思考的主动性和强烈的求知欲。作者结合多年的教学实践经验，针对学生学习中出现的问题，总结了提高课堂授课效果和教学质量的方法。在教学过程中教师要熟悉教学内容，提炼其中的共性知识，讲解时要精选案例。教学方法上应以问题的提出和解答为主线，注重讲重点、讲难点、讲思路、讲方法，帮助学生自觉地走向科学的探究中。同时在教学中要注重知识拓展，使学生更加深刻地理解所学知识，引发深度思考，使教学质量跨上一个新台阶。

参考文献：

[1] 王行知，邓宗全. 机械原理（第二版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2] 高志，殷勇辉，章兰珠，崔立. 机械原理[M]. 上海：华东理工大学出版社，2011.

[3] 申永胜. 机械原理教程[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

[4] 孙恒，陈作模. 机械原理（6版）[M]. 北京：高等教育出版社，2001.

[责任编辑：文和平]