机械原理课程探究式教学改革与探索

赵永杰 程西云

［摘要］针对机械原理课程进行探究式教学改革与探索，我们可以提出机械原理课程教学中探究的内容与探究式教学的一般步骤，并以机构自由度分析与设计为例介绍探究式教学的实施过程。教学目标检验与学生学习效果评估证实，通过探究式教学可以取得满意的学习效果。

［关键词］机械原理教学改革探究式教学

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）09-0141-03机械原理课是机械工程专业的主干课，是学习机械工程专业所必须要掌握的重要课程，国内外高校的机械工程专业对这门课也相当重视。[1]针对机械原理的教学现状，基于探究式教学原理对本课程实施探究式教学[2][3][4]，探究本课程学习的内容、学习侧重点、学习方法、知识点之间的内在机理、联系与应用以及机构学的学术前沿，将有助于激发学生的学习兴趣，让学生更好地理解、掌握与应用本课程知识，实现教与学的目标，也有助于实现教学相长。

一、机械原理探究式教学的设计思路

在课程教学过程中，由于时间、教师自身对知识的把握能力、学生学习负担、学习素材等条件的限制，不可能对所有的内容进行探究式教学与学习。因此，我们采用有所选择的原则，实行部分教学内容探究，主要围绕知识点探究、知识的内在机理探究、分析设计方法，基于问题或者基于项目探究进行教学。

（一）机械原理教学中探究的内容

1.知识点的探究。主要探究机械结构自由度分析及应用、自锁的利用、齿轮传动特点、杆传动特点、机构死点的应用。

2.知识点内在机理的探究。主要探究常见移动运动与转动运动的实现形式以及优缺点、常见的输入为移动输出为转动、输入为转动输出为移动、输入为移动输出为移动以及输入为转动输出为转动的机构实现形式、不平衡产生的原因及后果。

3.分析设计方法的探究。连杆机构分析与设计的图解法与解析法各自的优缺点，以连杆机构优化设计为例探究数值优化法的优势。

（二）机械原理探究式教学的一般步骤

1.提出问题。借鉴项目陈述式思路介绍问题的背景，目的是提高学生的兴趣与积极性。

2.相关资料查询与分析。查询相关的资料，了解所探寻问题的外在表象与内在机理。（1）推测与假设。对所探究问题进行推测假设，寻找可能的原因以及解决问题的办法。（2）设计实验。对所研究的问题进行实验方案的设计，进行探索分析。（3）寻求证实。通过分析或者实验探索，验证推测与假设的合理性。（4）信息和数据处理。处理探究过程中产生的信息与数据。（5）结论与表达。形成研究问题的结论。

二、机械原理探究式教学实施过程与教学目标检验

本课程的学习目标之一是掌握平面机构结构分析能力。因此，在探究式教学中以机械结构自由度计算公式为切入点，探究机械结构构成、机构自由度计算及现状。针对课堂教学中讲述知识点时学生不感兴趣、讲述知识点的用途及现状时学生往往很感兴趣的现象，我们把机械原理探究式教学讲述思路调整如下：1.提出问题。机构自由度分析是机械结构分析与设计的基本工具，完成机械装备的开发首先要根据功能的需求完成机械结构的分析与设计。2.知识点的讲述与推导。以书本上的内容为基础介绍平面机构与空间机构自由度的计算公式，解释公式的各个要素的组成。3.知识点的应用及现状。通过对平面机构与空间机构自由度计算公式的学习，分析普通平面机构與简单空间机构的自由度，实现本课程中有关机械结构分析与设计内容的教学目标。4.教学目标检验。布置开放性作业题目，检验对知识点的掌握程度。具体的探究过程如下。

（一）提出问题

什么条件下机构具有确定的运动？机械装置需要驱动器的数目是多少？机械系统自由度分析在这一问题中所起到的作用是什么？机构自由度分析是机械结构分析与设计的基本工具，完成机械装备的开发首先要根据功能的需求完成机械结构的分析与设计。

1.分析现有的机构的自由度数目与驱动器数目的关系，分析其中的原因。（1） 四连杆机构需要安装一个电机。（2）五连杆机构需要两个电机。

2.说明机构具有确定运动的条件。

（二）相关资料查询与分析

布置任务查阅资料，经过查阅资料分析，所探究的问题属于机械系统构型设计问题，解决这一问题的途径为机械自由度分析与设计。

1.机构自由度计算公式。

平面机构自由度计算公式：F＝3n-（2p1+pn）

空间机构自由度计算公式：F＝6n-（5p5+4p4+3p3+2p2+p1）。解释：n活动构件数，p运动副数，下标表示运动副级数即约束数。

探究自由度公式推导。（1） 平面机构自由度公式构成要素。① 自由不受约束的构件在平面上具有3个自由度，2移动+1转动。② 运动副的作用是将机械系统引入约束，约束构件只能完成特定的运动，转动副限制机构只能沿某一转轴转动，移动副限制机构只能沿导轨方向移动。③ 平面机构自由度数目=活动构件自由度数目-运动副提供的约束数目。

（2） 空间机构自由度公式构成要素。① 自由不受约束的构件具有6个自由度，3移动+3转动。② 运动副的作用是将机械系统引入约束，约束构件只能完成特定的运动，转动副限制机构只能沿某一转轴转动，移动副限制机构只能沿导轨方向移动。③ 空间机构自由度数目=活动构件自由度数目-运动副提供的约束数目。

机构自由度分析与知识点的应用，目标是加深对机构自由度计算公式的理解，掌握其应用。（1） 内燃机机构自由度计算。利用平面机构自由度计算公式，计算内燃机机构的自由度等于1。（2） 空间四杆机构自由度计算。利用机构自由度计算公式，计算空间四连杆机构的自由度等于1。

2. 知识点的应用及现状。通过对平面机构与空间机构自由度计算公式的学习，分析普通平面机构与简单空间机构的自由度，实现本课程中有关机械结构分析与设计内容的教学目标。

机构自由度计算。（1） 计算一般机构自由度数目，主要包括平面四连杆、五连杆、三角形机构、空间四连杆等，目标是掌握一般机构自由度计算公式的应用。（2） 计算工业机器人、机床自由度数目，目的是提高学生的学习兴趣。（3） 比较特殊机构自由度计算：平行四边形机构、Gough平台等。

自由度公式的现状。（1） 可计算数目，不能确定自由度的性质。（2） 容易被工程师掌握，可以用来发明创造新机构。（3） 适用于刚体机构、柔顺机构、绳索机构等，需要具体问题具体分析。（4） 驱动器的位置发生变化时机构的运动将发生变化，自由度公式对此类问题无能为力。（5） 机构学上存在欠秩机构与冗余驱动机构，自由度数目不等于驱动器数目。（6） 一些特殊机构不适用自由度的计算公式。

设计创造新机构。根据操作任务对机构运动要求，依据自由度公式进行机构结构创新设计。（1）四连杆机构不能实现精确的口型折线运动。（2）五连杆机构可以实现精确的口型折线运动。（3）机构的运动特征取决于机械结构，通过机构自由度计算分析机构的运动特征。

（三）推测与假设

机构具有确定运动的条件是：1.机构的原动件数目应等于机构的自由度数目。2.如果驱动器数目小于机构自由度数目,则机构的运动将不完全确定。3.如果原动件数大于机构自由度数目,则会导致机构最薄弱环节的损坏。

（四）设计实验

以平面四连杆机构与平面五连杆为研究对象，分析其自由度数目，分析驱动器数目与机构自由度数目不相同时可能发生的情形，课堂中可以纸板为例进行实验。1.通过计算机动画演示，四连杆机构给定一个独立运动，即安装一个电机，机构运动完全确定，给定两个独立运动，机构最薄弱的地方损坏。2.通过计算机动画演示，五连杆机构给定一个独立运动，机构运动不确定，给定两个独立运动，机构运动完全确定。3.推断机构设计的要求应该满足，机构自由度数目等于驱动器的数目。

（五）寻求证实

根据机构自由度计算公式，平面四连杆机构的自由度等于1。平面四连杆机构的驱动器数目应该为1个时，机构具有确定的运动。平面五连杆机构的自由度为2，平面五连杆机构的驱动器数目为2个时，机构才具有确切的运动。调查研究证实：结构为平面四连杆的机械装备需要一个电机驱动，结构为平面五连杆的机械装备需要两个电机驱动，常见机构的驱动器数目应该等于机构自由度数目。

（六）信息和数据处理

所探索问题的核心知识为：

1.平面机构自由度计算公式：F＝3n-（2p1+pn）

2.空间机构自由度计算公式：F＝6n-（5p5+4p4+3p3+2p2+p1）

3.机构具有确定运动的条件是机构的驱动器的数目等于机构自由度的数目。

（七）结论与表达

为使机械装备具有确定的运动，应该使得机构的驱动器的数目等于机构自由度的数目。

（八）教学目标检验

为检验学习效果，设计课外习题：1.分析10种自由度等于1的常见机构。2.设计两种自由度等于2的机构。3.分析3种输入为转动输出为转动的机构。4.分析3种输入为转动输出为移动的机构。5.分析3种输入为移动输出为移动的机构。6.分析3种输入为移动输出为转动的机构。

探究式教学结果：作业显示，只要认真对待作业①,③,④,⑤,⑥都能做出答案，②的内容属于超越教学大纲的内容，部分同学也能做出正确答案。

三、学生学习效果的评估

機械原理课程的期末考试为闭卷考试，在期末考试中设置含虚约束的较复杂平面机构自由度计算的题目。期末考试总共有48人参加，其中45人能够完全正确求解本题目，3人不能得满分。这3人能解释平面机构自由度计算公式的构成要素，但对图示机构自由度的计算结果错误。考试结果显示：通过探究式教学可以使学生较好的掌握机构自由度计算，其中93.75%（45/48）的学生能够应用机构自由度计算公式分析比较复杂机构的自由度。

四、机械原理探究式教学中的注意事项与教学反思

1.探究式教学对教师的要求：知道知识的来龙去脉。为上好探究式教学，教师要主动学习，用专业知识与学术前沿知识武装自己。2.探究式教学对教材的要求：教材内容的编排格式需要修改，可按照提出问题，讲述知识点，解决问题，分析问题的思路进行编写教材或进行教学。3.课堂教学中探究的深度与范围：尽可能在教学大纲内探究，且探究的广度、深度要跟教学目标相结合，注意跟学生的学习兴趣相结合。4.仔细选择素材，防止学生产生疲倦。

本文针对机械工程专业的主干课程机械原理进行探究式教学改革与探索，提出了机械原理课程教学中探究的内容与探究式教学的一般步骤，并以机构自由度分析与设计为例介绍探究式教学的实施过程，指出机械原理探究式教学中需要注意的事项。教学目标检验与学生学习效果评估证实，通过探究式教学可以取得满意的学习效果。

［参考文献］

［1］孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］温·哈伦，韦钰.科学教育的原则和大概念［M］.科学普及出版社，2011.

［3］韦钰.十年做中学为了说明什么:以科学研究为基础的教学改革之路［M］.中国科学技术出版社，2012.

［4］中华人民共和国教育部高等教育司高等教育教学改革项目成果汇编.研究性学习和创新能力培养的研究与示范［Z］.北京：高等教育出版社，2010.

［责任编辑：陈明］