机械原理教学探索和思考

吕方梅

（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）

机械原理教学探索和思考

吕方梅

（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）

机械原理是高等学校机械类专业的一门重要的技术基础课程。本文从实践角度出发，就机械原理课程教学中的图解法和解析法的讲授重点、基本研究方法和内容的讲授体系、学生创新能力的培养和教学手段的应用等几个问题进行探讨，以达到与同行交流，和进一步提高机械原理教学质量。

机械原理；教学方法；教学质量

机械原理是高等学校机械类专业的一门重要的技术基础课程，在培养高级机械工程技术人才的过程中，不仅为学生学习相关的技术基础课程和专业课程起到承前启后的作用，而且为学生今后从事机械设计和研究工作奠定必要的基础。近几年来，随着计算机等新技术的出现和各高校课程体系的深化改革，机械原理课程的内容不断更新和增加，然而各高校相关课程的教学课时却不断减少。在这种矛盾情况下，本文从作者的教学实践出发，就机械原理课程教学中的图解法和解析法的讲授重点、基本研究方法和内容的讲授体系、学生创新能力的培养和教学手段的应用等几个问题进行探讨，以期通过与同行的交流探讨，进一步提高机械原理教学质量。

一、 图解法与解析法的讲授重点

机械原理作为机械设计理论和方法中的重要分支，主要研究机构的结构、运动分析、常用机构的分析与设计、机器动力学、机械系统运动方案的设计等方面的内容[1-5]。高等学校机械原理教材中主要阐述包括连杆、凸轮和齿轮三大常用机构。随着计算机技术的发展普及，常用机构的计算机辅助分析和设计成为一种新趋势。在近年出版的机械原理教材中，关于三大机构的运动分析和设计的图解法和解析法都进行了阐述，尤其是平面连杆机构和凸轮机构的设计方法中增加了较多解析法的内容，图解法的篇幅相应进行了缩减。面对课程内容增加和课时缩减的矛盾，实际授课中不可能做到对各章节的图解法和解析法面面俱到地讲述，需要兼顾到各章节的具体内容及其实际工程应用做到讲述时重点突出。图解法虽然不具有解析法设计的精确性和可重复性优点，但是对图解法原理的理解对掌握解析法的建立模型和列方程都有帮助。

例如教材中凸轮轮廓曲线设计，无论图解法还是解析法，都是通过反转(即变换“机架”) 将凸轮固定为“机架”，再按照从动件与凸轮的相对运动关系求出凸轮轮廓曲线，因此最好先把反转法原理和图解法设计凸轮机构的步骤给学生讲清楚。连杆机构设计中的图解法或图谱曲线已经基本可以满足工程设计需要，尤其借助计算机辅助作图软件应用图解法也可以达到解析法的精确程度[6]，因此也应该把图解法讲述清楚。

解析法的讲授如果泛泛地讲公式推导和求解往往效果较差，最好能和技能训练结合起来，例如讲完连杆机构的解析法运动分析之后，让学生进行一个六杆机构的运动分析，讲完凸轮廓线的设计后，让学生用解析法进行凸轮轮廓曲线的设计。通过亲自动手编写程序、绘出运动曲线或轮廓曲线等实践，学生可以更好地掌握解析法的实际应用和一般步骤。

二、 基本研究方法与内容的讲授体系

机械原理课程的内容从整体上来说更趋于是一种方法论。在机械原理的教学中，决不是让学生记住几个知识点或会解几道题目，而要重视让学生掌握科学的基本的研究方法。对机械原理课程中常用的基本研究方法和知识内容要融会贯通并形成讲授体系。教材中的一些基本研究方法通常贯穿于各章节内容中，把这些方法经过总结、归纳和提炼并展示给学生，帮助学生对全书各章节内容归纳、比较，找出内在联系，建立完整的理论体系，切实掌握机械原理的研究思路与方法。

例如在平面连杆机构设计中，无论是刚体导引机构还是函数机构的设计，都可以通过变换“机架”把问题简化为求解一虚拟固定铰链点的问题进行解决。而在凸轮轮廓曲线的设计中，通过反转即变换“机架”将凸轮假想固定为“机架”，然后按照从动件与凸轮的相对运动关系求出凸轮轮廓曲线。在推导周转轮系传动比的计算时，也是通过反转将系杆固定为“机架”，把周转轮系转化为定轴轮系进行求解。上述各章内容中的转换机架法、反转法、相对运动法和运动倒置法从根本原理讲是一致的，都是相对运动原理在机构分析与综合中的应用，通过相对运动达到变换“机架”，即改变参照系。像这类机械原理课程的重要思维方法，在讲课中应该向学生明确。又例如机械原理中的压力角这一基本概念。在连杆机构中定义为：在不计摩擦力、惯性力和重力的条件下，机构中驱使输出件运动的力的方向线与输出件上受力点的速度方向间所夹的锐角，通常用α来表示。在凸轮机构中是指从动件在高副接触点所受的法向压力F与从动件在该点的线速度υ方向所夹的锐角，常用α表示。在渐开线齿轮中定义为齿廓在接触点K所受的正压力方向（即齿廓在该点的法线方向）与该齿轮绕轴心O转动的线速度方向所夹的锐角称为渐开线在该点处的压力角，用αK表示。压力角α的本质都是力F与速度υ的夹角，反映了机构传力的效果。在每一章讲到压力角时，应把连杆机构、凸轮机构和齿轮机构中的定义联系起来讲，比较其共性和不同的表述，以加深学生的深刻理解。

此外，机械原理与前驱课程如理论力学等的内容关系密切，讲课中如果把前驱课程中所学过的理论与机械原理要讲述的问题和内容联系起来，不但可以顺利地引导学生思考，而且使讲授内容更易于接受。例如平面机构的运动分析一章中，用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析时，所采用的基本原理是理论力学中的运动合成原理，事先要求学生把理论力学书上的相关内容复习一下，针对同一刚体上不同点之间的相对转动和不同刚体上两个重合点之间的相对滑动两种相对运动情况，分别采用简单图列帮助学生复习一下，加深学生对于该部分理论的理解，这对于学生正确列出运动矢量方程非常有帮助。

三 、学生创新能力的培养

机械原理教学的目的是通过课程学习，使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、知识和技能，学会常用基本机构的分析和综合方法，具有进行机械系统运动方案设计的初步能力，最终让学生具备一定的机械综合设计能力和产品创新能力。俗话说：“给人以鱼，不如授之以渔”。机械原理的授课过程不是照本宣科地讲授知识，而更重要的是启发学生的思维，点燃思维火花，让学生学会一种思考和解决问题的方法，重视学生创新能力的培养，授课过程中要摒弃满堂灌“填鸭式”的授课方式，通过启发、诱导、提示、点拨，使学生积极主动地进行思考，从而培养学生独立思考的习惯和意识，获得解决问题的办法。平时授课中，选择一些日常常用机构或工程实际应用的题目让学生参与讨论，不但可以提高学生的学习兴趣，而且培养学生解决工程实际问题的初步能力。

此外，要重视理论与实践结合、动手实践与动脑思考相互促进，培养学生的创新思维与热情。现在国家和各高校都很重视学生的创新思维和实践，近几年举办的大学生机械创新设计大赛成为检验学生创新能力的一个平台。学生发挥自己的积极性、主动性和创意性，查阅创新专利网，根据所学的知识构思设计方案，然后画出机构的运动简图，进行结构设计和运动分析。不但可以激发学生的参与创新活动的积极性，也一定程度上锻炼了学生，增强了学生创新能力的培养，也是理论教学的有益补充。

四 、多种教学手段的灵活应用

机械原理课程的特点是概念多、公式多、图形多、教学内容具有动态性特点。采用传统的教学手段和方式，教授过程具有一定抽象性，学习过程也要求较高的想象力，加重了讲课与学习的难度。电脑和多媒体等现代化的教学资源和教学手段令制作课件更加容易，摒弃了传统挂图和黑板作图，尤其动画软件令机构和系统运动原理更加直观和形象，有助于学生理解和记忆；此外多媒体教学节约板书时间、增加课程信息量、扩大学生视野、提高教学效率和教学质量。但是CAI课件只是一种为教学服务的辅助教学手段， 它并不能代替课堂上教师的启发、引导等主导作用，对于机械原理课程的某些内容就不适于使用多媒体教学。例如涉及图解法的机构分析和设计内容时，如四杆机构、凸轮机构的设计，采用多媒体教学效果并不好，学生流于一种表面的理解过程，缺少了思考过程。而应用传统教学手段黑板作图讲授的方法把设计思路与步骤用板书表示出来，给学生留下思考的空间，调节课堂节奏，突出教学重点，学生更容易领悟。传统教学手段有利于调节课堂节奏，给学生留下思考的余地，对锻炼学生的深入思考和分析能力仍然是不可或缺的。此外，传统教学有利于教师针对学生的理论基础和认知能力，灵活调整教学方法，即使讲授同一问题、方法或概念，根据学生的特点也要随时调整论述问题的角度，以充分调动学生的主观能动性，启发学生能动地去思考，加深学生理解吸收，达到最佳的教学效果。因此，机械原理课程需要多媒体教学和传统教学多种教学手段有机结合，不能全部依赖多媒体，还可以借助教学模型、陈列柜等教具增加学生的感性认识和直观性。另外，随着Internet和校园计算机网络等的建设与发展，借助在线协作式学习也成为机械原理教学的新途径。

五、 结 论

面对机械原理课程内容的增加和课时减少的矛盾，要求教师明确教学目的，熟悉教学内容，灵活运用多种教学手段和方法，以提高授课效果和质量，培养具有发展创造能力的机械类专业技术人才。

[1] 郑文纬，吴克坚. 机械原理（第七版） [M] . 北京：高等教育出版社，1997

[2] 邹慧君，等. 机械原理[M] . 北京：高等教育出版社，1999

[3] 申永胜. 机械原理[M] . 北京：清华大学出版社，1999

[4] 孙桓，陈作模主编. 机械原理（第六版）[M] . 北京：高等教育出版社，2001

[5] 王知行，刘廷荣. 机械原理[M] . 北京：高等教育出版社，20006

[6] 王勇.计算机辅助图解法求解机械原理问题[J].合肥学院学报（自然科学版），2005年3月 第15卷第1期

Exp loration and thought on the Teaching of Mechanisms and Machine Theory

Lu Fang-mei

(College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093)

Mechanisms and Machine Theory is a major technical basic course in mechanical engineering of institution of higher education. From the perspective of practice , the paper explores several teaching issues, such as focus on teaching of graphical method and analytical method, teaching system of basic research methods and content ,innovation ability cultivation of students and flexibility in the use of a variety of teaching methods ,etc..The aim is to exchange views with the peers, and to improve the quality and effect of teaching.

mechanisms and machine theory; teaching methods ; teaching effect