应用型本科机械原理课程教学改革探索和实践

汤迎红 余江鸿

【摘要】针对机械专业应用型人才培养的需要，从重组课程模块、优化教学内容、改革教学方法和教学手段、以学科竞赛为载体加强学生创新能力和工程素质等几方面，对机械原理课程的教学进行了改革和探索。

【关键词】机械原理  教学改革  创新能力  工程素质

【基金项目】湖南省普通高等学校教学改革研究项目（湘教通[2014]247号-317;湘教通（ [2012]401号-296）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）07-0194-02

机械原理课程是机械类专业的一门重要的主干技术基础课，具有很强的工程性、实践性和应用性，在专业教学计划中处于承上启下的作用，在培养学生的机械综合设计和创新素质所需的知识结构中占有不可替代的地位。因此，加强基础、拓宽知识、提高学生的工程素质、培养创新意识和创新能力是机械专业本科生机械原理课程改革和研究目标[1]。

一、以设计为主线来组合课程内容模块

机械原理是研究机构和机器的学科，其主要组成部分为机构学和机械动力学[2]。立足于“以设计为主线，分析为设计服务，立足点是机械系统的方案设计”机械原理新课程体系要求，按照学院“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的应用型高级专门人才培养目标，教研室将课程内容组合为机构学模块（重点讲述模块）和机械动力学模块（选择性介绍模块）。

机构学模块：包括机构的结构分析;齿轮机构、连杆机构、凸轮机构和间歇运动机构等四大机构的原理、应用及设计;机构的组合和创新;机械运动系统的方案设计四方面内容。该模块是重点讲述模块，其中各机构的学习是教学基础，机构的组合和创新是提高，机械系统的方案设计是核心。

机械动力学模块：包括运动分析、力分析、刚性转子平衡以及机械系统动力学的基础理论和方法。该模块是选择性介绍模块，根据学时作一般的简介处理。一方面这一部分知识多数已由理论力学提供了理论基础，另一方面动力学基础模块相对于我院应用型人才培养目标而言，主要是拓展知识面，主要引导有能力的学生自学或在进一步学习中掌握。

二、加强基础、拓宽知识、丰富教学内容

针对学时被压缩、学生总体素质下滑的现实，要完成我院培养目标要求，教学内容必须有丰富也有删减。多年来，教研室不再强求知识的系统性和完整性，而是遵循“少讲精讲，讲就要让学生听明白会运用”的“少而精”原则，重点突出结论的应用，培养学生进行机构设计和创新以及解决工程实际问题的思维方法和基本技能。在重点讲述的机构学模块，作了很多大胆的删除。例如略讲复合轮系传动比计算;删除在工程实际中基本不再使用连杆机构设计的图谱法和实验法;删除理论上已很成熟或专业性过强的内容，例如齿轮传动中无侧隙啮合条件、根切的形成过程和不根切最小齿数公式推导过程[3]……为了拓宽学生知识面， 开阔思路和眼界，教研室在“少而精”原则的同时“广而新”。为了培养同学们的创新素质，深化了机构组合和创新内容;增加了电、气、液传动等非机械内容的简介;考虑到解析法便于结合现代设计方法获得最佳设计方案，突出解析法而弱化图解法设计;在教学的过程中，贯穿运用三维设计软件（如Solid Works、ADAMS、UG、pro/e 等）建立的虚拟样机模型和运动仿真实例，激发学生的主动求知欲望，使他们了解和及时掌握最先进的机械设计手段。

三、改革教学方法和教学手段，强化学生的创新意识和思维

随着教学内容的改革和整合， 教学方法必须与之配套。如果仍照本宣科，采用“填鸭式”教学方法，只会造成教学内容无法完成和脱离工程实际的结果，达不到对学生创新能力和工程实践能力的培养要求[4]。同时，机械原理的教学内容具有很强的工程背景，如果仅靠教师的讲解，学生不一定能深入地理解，因此，教师充分利用直观实物教学、模型演示教学和采用多媒体动画课件等教学手段。下面笔者就平面机构自由的自由度的内容交流教学方法和教学手段的设计。

①提出问题：绘制图1所出简易冲床初步设计案例的机构运动简图。目的1：回顾运动副、机构等基本概念以及运动简图的绘制方法。目的2：导入本次课要解决的问题——该机构设计合理吗？

图1 简易冲床初步设计     图2 简易冲床初步设计运动简图

②推导平面机构自由度的计算公式。期间演示了自由构件、约束、 低副（转动副、移动副）、高副（齿轮副和凸轮副）六个动画并展示运动副实物模型。提问：平面运动的自由构件有几个自由度，转动副、移动副、齿轮副和凸轮副各引入几个约束？很自然推出计算公式F=3n-2Pl-Ph。

③知识拓展：简介空间机构自由度的计算。要求学生在空间运动副动画中的观察出约束情况，给出空间结构的学习参考资料，引导同学深入探索。

④讨论平面机构具有确定运动的条件。通过对刚性桁架、超静定桁架计算讨论得出机构具有确定运动的条件之一：自由度F>0;通过对四杆机构、五杆机构在不同数目的原动件驱动下的动画演示和讨论，归纳出机构具有确定运动的另一个条件：原动件数=机构自由度数。

⑤解决课程之初的案例和提问：自由度等于0，机构设计不合理。

⑥提问：怎么改进该机构？安排小组讨论（分析提示：原方案F=0，原动件数为1，必须将自由度增加为1，可以从计算公式F=3n-2Pl-Ph入手）。

解决办法：增加n和减少Pl、Ph可达到增加F的目的。

方法1思路：从F=3n-2Pl-Ph =0到F=3（n+1）-2（Pl+1）-Ph=1，即增加一个构件和一个低副。实现方式：增加一个滑块和一个移动副，如图3所示，并展示改进后冲床模型动画。提问：方法1思路还有实现方式吗？可以通过增加一个杆件和转动副实现吗？

图3  改进方案1

方法2思路：从F=3n-2Pl-Ph=0到F=3n-2（Pl-1）-（Ph+1）=1，即将一个低副改为高副。实现方式如图4所示，并展示改进后冲床模型动画。

图4   改进方案2

机械原理课堂教学上没有统一的教学方法，而应是结合不同的讲授内容采用不同的教学方法，如启发式、分析讨论式、现场教学式等。笔者在机构自由度的计算中从问题的提出到解决，有知识的拓展;有十多个问题的设置;在改进方案时安排了分析讨论，得出不一样的解决方案。知识的拓展是引导学生自我完善;在教学中不断设疑，不断启发，是为了激发学生积极思考;安排分析讨论是为了开发学生智能、锻炼学生胆量、培养学生科学思维能力和创新意识。整节内容共设计三十多个图片，演示21个动画，展示实物模型4个，直观、形象地展示了自由度、约束的概念以及机构的动作过程，为学生创建一个动静结合、形象逼真的教学环境，提高学生的学习兴趣和理解程度。

参考文献：

[1]鲍莉，康红艳.《机械原理》课程教学研究与实践[J].重庆科技学院学报， 2010（18）： 175-179.

[2]裘建新.《机械原理》精品课程建设[J].上海工程技术大学教育研究，2006（2）：30-33.

[3]王波，林其斌.应用型本科机械原理课程教学改革研究与实践[J].滁州学院学报，2013（2）：111-113转125.

[4]李光煜，李阳星，罗凤利.基于大工程教育的机械原理课程教学改革研究与实践[J].课程建设，2010（3）：48-49转51.