《机械原理》课程的动态参数教学法

侯 宇

（南阳理工学院，南阳 473004）

《机械原理》课程的动态参数教学法

侯 宇

（南阳理工学院，南阳 473004）

以“渐开线齿轮的参数”节为例，提出了一种《机械原理》教学中的动态参数教学方法。介绍该方法的主要过程，包括核心参数的动画展示、参数的推导关系图以及动态参数演示。实践证明，该方法在教学中取得了良好效果。

机械原理 渐开线齿轮 动态参数 教学法 计算机辅助教学

引言

《机械原理》是本科机械类专业的重要专业基础课。学生普遍认为，本课程在专业基础课中的学习难度较高。一是因为课程中牵涉到大量变化的几何关系，教师难以清晰传达给学生，学生也难以展开想象。二是因为在有的章节，极为丰富的信息量会快速涌入，学生很难加以理解和记忆。因此，纯粹的书本讲解很难适应教学需求，必须求助于现代信息技术。

国内采用CAD和CAE相关工具辅助进行机械原理教学已经有不少先例，此类工具具有动态特性，非常适合形象展示机构的几何特性和运动特性。例如，文献[1]中使用了ADAMS虚拟样机技术进行了机构设计教学，文献[2]则使用UG软件进行教学。

然而，大型软件的学习成本较高，容易让“学习软件”这一任务所占用的时间远远超过“学习理论”这一主题。因此，在力所能及的前提下，编写专用课件和软件是更合适的方案。本文重点介绍笔者探索出的一种非常适合该课程教学的“动态参数教学法”。该方法依赖于计算机技术，以课件和专用教学软件为工具，以动态改变几何参数、动态演示参数关系的方式展示课程内容。本文以“渐开线齿轮的参数”一节为例，介绍此方法。

1 教学内容概述

传统上，“渐开线齿轮的参数”一节首先介绍齿轮的基本参数[3]，如图1所示。

图1 渐开线齿轮的基本参数

表1 渐开线齿轮的参数及其关系

显然，如何安排以上包含巨大信息量的教学内容，是一个非常值得研究的问题。如果安排不当，学生就无法理解和消化该节课的内容，而本文提出的动态参数教学法，非常适合此种教学内容。

2 教学方法

2.1 动态展示标准齿轮的生成

表1中的核心参数及其计算关系可以通过以下动画步骤进行展示。

（1）屏幕上出现一个标有m的短线段，代表模数的大小；

（2）短线段伸长为原先的若干倍，成为长线段，标注为d=mz，r=d/2；

（3）以长线段为直径显示一个圆，标注为分度圆；

（4）从分度圆出发，向外绘制长m的短线段，向内绘制长m的短线段并延长至1.25m；

（5）与分度圆同心，过第（4）步的第一个短线段外端点显示一个圆，标注为齿顶圆；

（6）与分度圆同心，过第（4）步的第二个短线段内端点显示一个圆，标注为齿根圆；

（7）与分度圆同心，出现一个较小的圆，其外自带有多条渐开线。该圆及渐开线作为整体，共同逐渐缩小，最终停留在其半径等于分度圆半径乘以cos20°的位置，标注为基圆；

（8）以基圆所带渐开线为参考，浮现最终的齿轮。

2.2 展示标准齿轮的参数推导关系

将标准齿轮的主要参数推导关系展示给学生，如图3所示。

图3 渐开线齿轮的参数推导关系

2.3 参数对齿轮形态的影响

为顺利进行本节教学的最重要部分，笔者制作了一个可动态调整参数的渐开线齿轮演示程序。程序使用Flex 4.7开发，可以随意修改模数、压力角、齿数、齿顶高系数、顶隙系数、变位系数，动态改变齿轮的形态。除了变位系数适用于之后的“齿轮的变位”一节，其他参数都适用于本节内容。图4分别展示了原齿轮、修改模数、修改压力角、修改齿数、修改齿顶高系数、修改变位系数后齿轮的形态。

这个演示并不限制只有单参数变化，而是允许多个参数进行组合变化。在本单元中，学生可以发挥自己的主观能动性，亲自操作，按照自己的意愿修改多种参数的组合，以观察不同参数配置下的齿轮形态。最终，在大脑中建立起完整的动态齿轮几何图景。

图4 动态参数下的齿轮形态

3 教学效果

对于2.1节所展示的动画，学生普遍反映，该动画过程很容易形成图像记忆，每次在大脑中的回放都等于进行了一次复习。动画中，参数的先后展示次序也让学生对参数推导形成了动态影像记忆。有了2.2节展示的关系推导图，则更进一步明确了参数之间的相互推导关系。默写该图数次后，就能够彻底记住本节的所有知识点，并且不易遗忘。此外，若能与2.1节所展示的动画结合，效果更好。同时，第2.3节的动态齿轮演示程序是最吸引学生的环节。通过本环节，前两节的数学关系变成了形象的几何图形，对学生产生了良好的感官刺激，最终圆满完成本节的教学工作，并且对本章之后的各节教学也具有良好的指导效果。

4 结论

多媒体教学的主要任务是采用多种手段让学生更好地掌握所学知识。其中，动画、图形作为多媒体的重要组成部分，具有显著的教学效果。本文所述的教学方法，通过动画和图形的结合，不仅减轻了学生的学习负担，同时让教学过程极为生动形象，大大提升了教学质量。

[1]黄小龙.虚拟样机技术在“机械原理课程设计”教学中的应用[J].中国电力教育，2013，（4）：102-109.

[2]张毅杰，孔令琼，施杰，等.基于UG平台的机械原理课程设计新模式探究[J].中国现代教育装备，2013，（3）：70-72.

[3]王跃进.机械原理[M].北京：北京大学出版社，2009.

Teaching Method of Dynamic Parameters in the Course of Mechanical Principle

HOU Yu
(Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473004)

Taking the "parameters of involute gear" as an example, the teaching method of dynamic parameters in the teaching of mechanical principle is put forward. Describes the main process of the method, including the core parameters of the animation display, parameters of the derivation and dynamic parameters of the demonstration. Practice has proved that the method has achieved good results in teaching.

mechanical principle, involute gear, dynamic parameters, teaching method, computer aided instruction