基于Matlab的机构运动分析教学实践

匡兵+何玉林+杨孟杰

摘要：《机械原理》课程是机械类专业本科生的一门主干课程。机构运动分析是《机械原理》课程的重要内容之一，针对目前机构运动分析教学与实际工程的差距，基于Matlab进行了教学改革实践。在课堂教学中，将原来图解法和解析法并重改为以解析法为主。针对Matlab的特点，对课程作业的题目和形式进行了改变。通过教学改革，提高了学生的知识应用能力。

关键词：《机械原理》；机构运动分析；教学改革；Matlab

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）30-0105-02

《机械原理》是机械工程类本科专业的一门专业基础课[1-4]，主要介绍机器运动特性的基本概念和原理。《机械原理》课程应当注重联系实际才能获得较好的效果。随着计算机技术的快速发展，如何在《机械原理》增加计算机辅助设计的相关内容，紧跟科技发展的步伐，成为《机械原理》课程教学改革的重要方向之一。

机构运动分析是机械原理课程的重要内容之一，是在已知机构尺寸及原动件运动规律的情况下，确定机构中其他构件的规律。在工程设计中，机构运动分析用于对已选定尺寸的机构进行运动分析，以确定所设计机构的运动规律是否能满足产品的需要。目前计算机辅助设计已广泛应用于机械产品的机构运动分析，因此引入计算机辅助设计技术是贴近实际，提高学生知识应用能力的关键之一。

Matlab軟件具有强大的数值计算能力和高效的工具箱函数[5，6]，在机械工程中得到广泛应用。因此，我们基于Matlab开展机构运动分析的教学改革。机械原理是实践性很强的课程，教学改革的主要工作分为课堂教学的改革和课后作业的改革两个部分。

一、课堂教学的改革

为了将Matlab融入机构运动分析的教学中，需要对现有的课堂教学进行改革，需要在教学内容、教学设计和课件制作等几个方面有针对性地进行调整。

1.教学内容。在原来的机构运动分析部分的教学中，需要介绍矢量图解法和解析法两种方法。矢量图解法作为一种绘图求解的方法，在计算机辅助设计尚未广泛应用于机构运动分析时，是机械工程师进行产品运动分析的一种重要方法。但随着计算机技术的快速发展，矢量图解法已基本被淘汰。由于缺乏合适的软件平台，一直是矢量图解法和解析法两种方法并重。在引入Matlab进行辅助教学后，课程教学中就不需要花费时间介绍矢量图解法了，可以将原来用于矢量图解法的时间加强解析法的教学。运用Matlab进行机构运动分析需要熟悉计算机编程和Matlab软件，因此需要增加Matlab基础教学的内容。虽然在本门课程教学之前会开设C语言程序设计课程，Matlab软件本身也较容易上手，但课程教学内容中仍需要安排适当的时间做一些基础性的介绍。

2.教学设计。由于采用了Matlab软件辅助进行机构运动分析的教学，因此需要进行教学设计的调整。教学设计的调整包括教学目标、教学重难点和教学方法等三个方面：（1）教学目标。在教学目标方面，原来需要掌握矢量图解法和解析法的原理，现在只需要掌握解析法的原理，但需要增加掌握运用Matlab进行运动分析的部分。Matlab本来就是常用的工程分析软件，增加这部分内容可以加强课程教学内容与工程应用的联系，从而提升学生的应用能力。（2）教学重难点。在教学重难点方面，原来矢量图解法和解析法都是重点和难点，现在解析法仍然是重点和难点，运用Matlab进行运动分析的也是教学的重点。让学生具备利用Matlab进行机构运动分析的能力是我们教学改革的目标，因此这部分内容也需要设为教学重点。（3）教学方法。在教学方法方面，由于利用Matlab进行辅助教学，需要采用项目导入法，从机构运动分析实例出发介绍解析法及基于Matlab进行分析的过程。

3.课件制作。在引入Matlab进行辅助教学后，首先基于项目导入法，从机构运动分析实例出发进行课件制作的规划。规划内容包括项目实例的选择、课件制作软件的使用和教学内容三个方面：（1）项目实例方面，既要保留原课件中的例子，又要考虑增加工程实例。原课件中的例子更为基础，有利于介绍解析法的基本知识。工程实例与工程实际联系紧密，一方面可以引发学生的兴趣，另一方面也可以让学生了解实际工程中机构运动分析知识的应用。（2）课件制作软件方面，在引入Matlab进行辅助教学后，需要以PPT为主适当结合Matlab的方式制作。在介绍解析法基础知识、机构运动分析方程建立和编写Matlab程序的过程等，仍然采用PPT，而在展示机构运动分析结果时采用Matlab软件。PPT作为演示文稿软件更适合课堂教学，例如在介绍编写Matlab程序的过程时采用Matlab，字体会过小，影响教学效果。Matlab作为商业化的分析软件，在展示机构运动分析结果时，更为贴近工程实际。（3）在课件内容方面，针对Matlab的引入，增加Matlab基础介绍、运动分析计算结果、分析图表和动画。基于Matlab，各从动构件的速度变化表、加速度变化表、速度变化图、加速度变化图和运动动画都很容易得到，运用这些图表进行分析也更符合工程实际情况。

二、课程作业的改革

在引入Matlab进行辅助教学后，课程作业也需要进行改革，包括：课程作业题目和形式两方面的变动。

1.课程作业题目变动。在改革前，教学内容有图解法和解析法，课程作业以图解法为主，解析法为辅。图解法为主的作业设计主要是考虑到学生完成作业的困难而定的。图解法的题目只需要在纸张上作图就可以求解，而解析法的题目常常需要计算机辅助才能完成。造成解析法题目一直较少的原因在不同阶段并不相同，早期是因为计算机普及率不高，计算机普及率提高后是因为缺乏合适的软件平台。在没有合适的软件平台时，要求用类似C语言等平台编程完成解析法的作业对大多数学生还是有一定困难的。

为了配合课堂教学实现教学改革目标，需要针对解析法和Matlab应用设计作业题。这些作业题应兼顾解析法和Matlab应用，即注重应用Matlab编程求解解析法的问题。设计的作业题分原解析法题目、原图解法题目和新增题目三种：第一种是教材中原来的解析法题目，可以直接用，但需要针对Matlab应用做一些小修改；第二种是教材中原来的图解法题目，需要根据解析法的特点结合Matlab应用对题目做修改；第三种是新增题目，增加了一些设计题目。

2.课程作业形式变动。在改革前，课程作业的形式基本上以在作业本上完成为主。在作业本上先列出方程，然后给出计算结果。在引入Matlab进行辅助教学后，难以准确了解学生掌握的情况，因此需改变原来的课程作业形式，作业都要在Matlab平台上完成，然后将程序清单和运行结果打印出来。

三、结论

基于Matlab平台，以提高学生的知识应用能力为目标，进行了机构运动分析教学改革。从课堂教学和课程作业两个方面进行了改革，真正实现Matlab与机构运动分析内容的衔接。

参考文献：

[1]郝智秀，申永胜，陈国景.基于网络的《机械原理》多媒体课件研制[J].电化教育研究，2000，（12）：47-49.

[2]李琳，张铁，潘健怡，李祀仪.机械原理双语教学课件的设计与制作[J].高教探索，2007，（6）：149-151.

[3]杨文敏.机械原理课程混合教学模式的研究与实践[J].教育教学论坛，2016，（27）：169-171.

[4]董惠敏，钱峰，高媛，王德伦.基于网络的机械原理自主学习模式[J].实验技术与管理，2011，28（11）：133-136.

[5]杨捷，罗康，王茜.基于Matlab矩阵运算的机构分析解析法[J].机械研究与应用，2012，（6）：33-35.

[6]崔利杰，龚小平.基于MATLAB运动仿真的平面多连杆机构优化设计[J].机械设计与制造，2007，7（2）：40-42.