引机械创新设计项目入机械原理教学

刘艳+张乐莹+李静

[摘 要]机械原理是一门理论性、系统性和实用性很强的专业基础课，也是向实践性较强的专业课过渡的一个重要环节。如何根据机械原理课程的特点来提高教学质量一直是一个热点问题。目前，机械原理教学存在一定的不足之处。应该以提出问题和解答为主线，引导学生在大学期间注重实践创新，积极参与大学生机械创新项目，改善目前教学实践环节薄弱、学生动手能力弱的现状。

[关键词]实践创新;机械原理;教学方法

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）11-0111-03

机械原理是一门介绍机械中常用机构和一般工作条件下常用参数范围内的通用零部件设计的基本知识、基本理论和基本方法的重要的专业基础课，是机械类及相关工程类专业的必修课程。在机械原理这门课程中，学生要掌握“三大机构”和“三大分析”。“三大分析”即机构结构分析、机构的运动学分析和机构的动力学分析的基本知识;“三大机构”即连杆机构、凸轮机构和齿轮机构的设计与综合。机械原理课程的培养目标是使学生具有创新机构运动方案的设计能力，即针对不同的设计任务，综合运用多学科的相关知识，提出多种机构运动方案，并进行综合评价确定最优方案。因此，它又是一门多学科、实践性很强的学科。[1]

一、机械原理教学中存在的问题

当今世界，科技发展日新月异，技术快速发展，而我们的教材一直是经典教材，课程的内容跟不上科学研究的发展，也跟不上技术的实际应用，甚至存在有些知识点是实际应用中多年弃之不用的技术等问题。结合这几年授课经验，笔者发现，机械原理教学中存在如下几点不足：

第一，缺少实践教学环节，缺少学生创造性思维能力和实际设计能力的培养。

第二，重理论知识系统性而轻工程应用背景的介绍。如连杆机构中转动副（铰链），学生从书本上见到的只是杆是直线和铰链是圆组成的机构运动简图，对于现实生活的机械产品难有较好的感性认识。特别是在大四做毕业设计结构设计的时候，构件与构件之间的实际的铰链的装配关系容易出错。

第三，缺少对机械设计新技术、新发展和新成果介绍，以及机构解析法设计的内容。

第四，与其他课程联系少，往往是就机构分析而机构分析，可通过设立综合性强的课题，将机械原理与工程力学、机械设计结合进行综合性设计，或结合设计比赛进行串接。

第五，在实践环节，每年都做同一个题目“减速器的课程设计”，只是每个学生的数据不同而已，没有体现“以学生为中心”的教育理念，使得该环节程序化，制约了学生的创新能力。

以上问题的存在，使得本来是创新性强、思维发散灵活、创作激情澎湃的机械原理教学，有可能变成理论实际脱节、教学过程枯燥、学习目标盲目、学习激情减退、教学质量下降的灌输式教学。[1]

二、要善于提出问题，引导学生主动思考

在教学过程中，需要将学生的地位至于教学的核心。让学生参与到教学活动里，在进行教学之前可以设置多重问题，让学生在问题的引导下层层深入，自主进行深入学习，提高学习的兴趣和效率。

机构自由度计算是机械原理教学中的重点内容之一，教师要做到深入浅出地讲授构件和运动副产生约束作用，由此自然给出平面机构自由度计算公式。不仅加入了理论知识，还使用一些简短视频和动态图，让学生了解各个运动副之间的关系，便于理解和识别复合铰链、虚约束等特殊情况。增加一些趣味性和实际生活中常见并且熟悉的机构进行分析，或者对看起来复杂的机构进行简化。引领学生在计算自由度的时候建立对机械原理的最初理解以及兴趣。鼓励学生将学到的机构进行应用。建立简化机构和对机构原动件到从动件进行顺序分析的解题思路。提出机构，让学生自由分析和进行计算，再进行讲解。培养学生分析和解决问题的能力。

齿轮机构在各种机器中应用广泛，在讲授这部分知识时，利用在实验室不同类型齿轮机构的模型和视频、联系实际进行理论知识的讲解，可以加强学生知识的理解。首先要建立对一般齿轮类型的认知。了解齿轮传动在实际应用中的重要性，再提取最普通的直齿圆柱齿轮进行分析。可以让学生自己探索分度圆，齿根圆，模数等的意义。通过对齿廓的研究了解渐开线各个参数的意义，了解为什么渐开线是最常用的齿廓，从而了解渐开线的优点。再通过实际啮合状态，提出啮合相关的问题，包括啮合规律、传动比、重合度等疑问。在研究斜齿轮、蜗轮蜗杆传动时，让学生类比齿轮的公式，进行公式的推断，从而了解其与渐开线直齿圆柱齿轮的异同。通过让学生研究对不同齿轮加工方法的异同，了解齿轮的加工过程。按照从实际到理论，从设计到制造的顺序，提出不同阶段的问题，引领学生建立系统的齿轮方面的知识。了解不同阶段不同的公式以及公式的来源。[2]

三、注重实践创新

我校教师带领学生连续参加第四、五、六、七届全国大学生机械创新设计大赛（慧鱼组）。2014年我校学子一举斩获一等奖，不仅取得了我校在此项赛事中的最好成绩，还实现了我校在该赛事一等奖奖项的零的突破，为学校赢得了荣誉。还带领学生参加了江苏省第五届机械创新设计大赛暨第六届全国大学生机械创新设计大赛获省二等奖，不仅要求学生设计出作品，并且要做出实物，进行现场模拟。据悉，全省独立学院获得的最高奖项为二等奖，且只有三项，我校即占其中之一。今年我们争取再接再厉取得好名次。

第七届（2016年）全国大学生机械创新设计大赛的主题为“服务社会——高效、便利、个性化”;内容为“钱币的分类、清点、整理机械装置;不同材质、形状和尺寸商品的包装机械装置;商品载运及助力机械装置”。我们选择关于钱币的分类、清点、整理机械装置的设计。

在当今的社会生活中，人们越发注重绿色出行，因此公交车出行越来越成为人们优先选择的公共交通设备。然而，现如今公交车上钱币分类主要依靠人工或者简易的投币装置，这样的方式成本高并且效率低下。这都预示着新型的多功能投币机械将会被人们广泛使用，其需求量将会越来越大。作品一设计的是新型公交车投币箱。利用简单的滑道及杠杆机构进行纸币及硬币的分离，再以简单的滑道机置对不同面值的硬币进行分类，如图1所示。由两个滑道构成主要结构，上面一个滑道两点固定，主要是给硬币和纸币一个下落的初速度，下面的滑道是一个杠杆结构，硬币的质量完全可以压下杠杆落入硬币箱，人们把硬币从投币口投入，经过一系列物理反应，达到分离的目的。此结构简单，不需要能源输入，只需要小小的改动就能更便利。主要创新点：1.没有科幻元素，处处体现实用化。简单的机械结构容易制造，并且出现故障容易修理。2.无须通电和供能，因此投币机十分安全并且节能、受到的使用限制也会大大缩小。3.设计制造成本低，可批量生产，便于推广。此设计不仅功能齐全、可靠性高，并且机械装置简单，大大降低了公交公司的生产成本，价格的低廉也将会赢得广泛的客户群。由于成本低，可以批量生产，具有广泛的市场性和实用性。

作品二是根据公交车上的投币特点（需要人们一个一个投）设计了该产品，如图2所示。我们根据硬币的直径不同，给它们在轨道上安排了不同的出币口，使得不同面额的硬币进入不同的空间内。由于目前我国新版人民币有三种圆形硬币，其直径依次为：一元硬币25mm、5角硬币22.5mm、1角硬币20.5mm。所以我们将第一个出口处的挡板与轨道的间距设置为21mm（先将一角钱分出），将第二个出口处的间距设置为23mm（再将五角钱分离），最后的出口的间距设置为26mm。这样，不同的硬币就会不同的出口处落出，原理如图3所示。我们在每一个出币口搭建了一个容器，使它的开口直径不超过它所盛装的硬币的直径（装一元的容器直径为40mm，五角的为40mm，一角的为30mm）的两倍;我们又测量出每一种硬币的厚度（一元为1.85mm，五角为1.65mm，一角为1.67mm），然后根据计算，在容器外表面标出刻度（不同的高度对应不同的数量，如：在一元容器外，每隔18.5mm，画一刻度线，标出数字十;在五角容器外，每隔16.5mm，画一刻度线，标出数字十;在一角容器外，每隔16.7mm，画一刻度线，标出数字十）。主要创新点： 1.可进行硬币的分类。2.可计数根据测量硬币堆积的厚度，从而计算出硬币的数量。3.将轨道分段衔接。4.原理简单，结构简单。5.系统还具备升级和扩展的潜能。本作品结构简单，可后续添加其他功能，较好地满足了硬币发展的需求。

作品制作历时四个月，经过多次改造。从刚开始产品设计的构思到最后整个作品的制作完成都充分发挥了学生的创新意识，培养了学生综合设计能力与团队协作能力，提高了学生针对实际需求进行机械创新、设计、制作的实践能力。[3]

四、总结

通过这次研究课题的实践，不仅让学生学到了许多了专业知识，而且培养了其解决问题的能力。其次，团队管理也是很重要的，一个团队核心就是通过合作去开展工作，这样才能发挥最大的效益。合作就需要良好的管理，对于不同的问题需要设立讨论小组，对问题进行研究，集众人之力去解决问题。最后笔者认为，本次研究关键就是不断反思问题，从反思中取得突破。研究是个连续的过程，在每个阶段发现问题才能确定接下来工作的方向，这样不断进行反思总结，才能取得突破，取得最后的胜利。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 孙亮波.在机械原理教学中引入机械创新设计项目的研究与实践[J].机械，2010（12）：21-23，33.

[2] 殷勇辉，高志，章兰珠.提高机械原理课程教学质量的思考与实践[J].中国大学教学，2014（6）：57-59.

[3] 张跃，李雪滢等.浅谈大学生实践创新项目对机械类应用型创新人才培养的促进——以南京理工大学泰州科技学院为例[J].大学教育，2015（8）：168-169.

[4] 黄晨华，蔡小梦，毛桂生.提高机械原理教学质量的方法探讨[J].大学教育，2012（11）：92.

[责任编辑：刘凤华]