铰链四杆机构演化教学案例分析

吴征

国家职业教育政策为江苏省溧水中等专业学校的发展带来了新机遇。但是，职业学生素质越来越差，也向每位教师提出了严峻挑战，特别是职业教育教师。职业教育教师必须转变教学观念，探索与新课程理念相适应的教学方式。只有站在教育改革的前沿，不断更新教学观念，积极主动地投身到教育创新的研究和实践中，才能走在新课程改革前列。

《机械基础》是中等职业技术学校机械类专业的一门专业基础课程，其内容复杂、知识面广，难易程度不同，有的比较直观，有的比较抽象，理论性强，前后联系不密切，具有一定特殊性。因此教师需要分析和挖掘教材，从各个方面对问题进行深入提示和细致分析，才能使学生深刻理解、灵活运用，并达到举一反三的目的。

在《机械基础》教学中，铰链四杆机构的演化是教学重点，也是难点。仅依靠分析教材，以不同构件为机架进行演化，得到不同的导杆机构，会使大部分学生无法理解和运用，导致在判别机构类型时经常出错。

一、曲柄滑块机构

1.演化

曲柄摇杆机构中的摇杆无限增长，C点运动演化成往复移动。通过动画演示，教师可引导学生注重观察曲柄摇杆机构中C点的运动轨迹变化，如图1所示。

图1

2.性质

①急回特性：对心曲柄滑块机构的极位夹角为0，没有急回特性，C点的运动轨迹延长线通过曲柄A点的铰链中心；不对心曲柄滑块机构有极位夹角，具有急回特性，C点的运动轨迹延长线不通过曲柄A点的铰链中心。②死点位置：滑块为主动件时，有两个死点位置。

3.变化

偏心轮机构。曲柄很短时演化而成，只能以偏心轮为主动件。

4.运用

内燃机、压力机等。

二、导杆机构

1.演化

改变曲柄滑块机构中的固定构件。以曲柄滑块机构中的曲柄为机架，如图2所示。

图2

2.性质

①曲柄存在的条件：最短杆为机架则为转动导杆机构； 最短杆为连架杆则为摆动导杆机构。②急回特性：有。③死点位置：摆动导杆机构中导杆为主动件时，有两个死点位置。

3.运用

牛头刨床、旋转油泵等。

三、摆动滑块机构和固定滑块机构（移动导杆机构）

其运用于自动卸货翻斗装置、抽水机。虽然这个部分的内容比较好讲解，但由于铰链四杆机构的演化类型很多且图形相似，在认知机构、分辨铰链四杆机构演化的类型时，学生常常容易混淆，为进一步认知各演化机构的特性带来了困难。在教学过程中发现该问题后，笔者根据这些机构各构件的运动特点，对机构构成进行了一些分析，认为滑块是这些机构中比较特殊的构件，所以滑块是区分这些机构类型的关键。在实际教学中，笔者从滑块这个构件入手，结合多媒体动画演示，總结分析与之构成运动副构件的运动特点，并联系该机构名称帮助学生区分各演化机构的类型，达到了良好的教学效果。

在整个铰链四杆机构的演化机构中，以导杆机构为例。在给导杆机构下定义时，首先要定义什么是导杆？导杆是机构中与另一运动构件组成移动副的构件，而导杆机构至少有一个构件为导杆的平面四杆机构。从定义中，我们似乎把导杆作为认知导杆机构的关键，其实定义只是指出导杆是机构中的一个特殊运动（移动）构件。而从机构演化上来看，滑块是机构构成的特殊构件（块），是实现特殊运动（移动）的关键。导杆定义中的“另一构件”其实就是滑块，它是导杆机构中形状特殊（块）的构件，找到它很方便，从它的运动特征入手来区分导杆机构类型最直接，学生也最容易掌握。

导杆机构中与滑块相连（构成运动副）的构件有两个，一个构成了移动副（导杆），另一个是转动副，两个能实现的运动不同，即移动和转动。要区分类型，只要清楚“谁”被固定了即可。如滑块被固定了，导杆在滑块中移动，该机构叫移动导杆机构（定块机构）；导杆被固定了，滑块在导杆上滑动，该机构叫曲柄滑块机构；与滑块构成转动副的杆件被固定了，滑块作摆动（摇动），该机构叫曲柄摇块机构；未与滑块相连的构件被固定，导杆能在滑块中作移动，与滑块构成移动副也能作转动，根据这个导杆是否能作整周运动，机构可以分为两种，即转动导杆机构和摆动导杆机构。从滑块入手，通过分析与之构成运动副构件的特点，可以引导学生区分各演化机构的类型。

从滑块入手区分导杆机构类型，有利于理解各种演化机构的运动特性，因为滑块是导杆机构中与两个构件构成两个不同类型运动副的特殊构件，各演化机构运动特性与之直接相关，如果能从滑块入手区分各演化机构的类型，那么各机构的基本特性也就掌握了一半，分析机构成立的条件就有了知识基础。如导杆机构以曲柄为主动件，导杆一边转动、一边在滑块中移动，导杆的运动方向和滑块给导杆的受力方向重合，所以导杆机构整个运动过程中的压力角始终为零度。如果以导杆机构中的导杆为主动件，曲柄的运动方向和滑块给曲柄的受力方向就不会重合，压力角始终变化。特别是摆动导杆机构，导杆的运动范围有两个极限位置性，所以在这两个位置时，曲柄的压力角为90°，处于死点位置。

通过联系实际帮助学生认识各演化机构，能增强学生对各演化机构的感性认识。通过动画把实际机构抽象成对应的机构，分析实际机构的运动特点，把对应的物体抽象成相应的构件，并将构件构成与运动特性相应的运动才是解决问题的关键。在实际机构中，找到机构中的块是关键。当实物中两个物体间能做相对移动时，我们可以初步认定此处存在移动副，把一个物体抽象成杆，另一个抽象成块，如果其中一个构件还与另外的物体构成转动副的话，那么这个实体很可能就是导杆，与两个物体构成两个不同类型运动副的应当把它抽象成块，机构类型图很快就会出现在脑海中。

教材为学生的学习活动提供了基本线索，是实现课程目标的重要资源。但因为不同班级、不同学生生活背景不同，所以《机械基础》教学材料的呈现方式应多样化，并切合学生实际，内容应该突出学生的主体地位，激发学生学习兴趣，鼓励学生积极思考、交流，建构自己的机械基础知识。在教学中，笔者尝试把教材内容与生活相联系，以便解决“死知识”与“活教学”间的矛盾。

（作者单位：江苏省溧水中等专业学校）endprint