基于任务驱动法的机构力分析教学改革实践

匡兵++何玉林++杨孟杰++吴晓华

摘要：机械原理课程是机械类专业的一门主干课程，而机构力分析又是机械原理课程的重要内容之一。为了提高学生的知识应用能力，基于任务驱动法进行了教学改革实践。本文针对任务驱动法的特点，从任务的构建、课堂教学的设计和大作业的设计三个方面进行了实践。通过本次实践，提高了学生对机构力分析知识的应用能力。

关键词：机械原理；机构力分析；教学改革；任务驱动法

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2018）02-0130-02

《机械原理》是机械工程类本科专业的一门专业基础课。《机械原理》是研究机构和机器的学科，其主要组成部分为机构学与机械动力学。作为一门与工程联系紧密的课程，《机械原理》的课程教学中应注意理论联系实际。任务驱动法是指在学习的过程中，学生在教师的帮助下，紧紧围绕一个共同的任务活动中心，在强烈的問题动机的驱动下，通过对学习资源的积极主动应用，进行自主探索和互动协作的学习，并完成既定任务。所以，在《机械原理》课程教学过程中引入任务驱动法教学是实现与实际工程结合、提升学生知识应用能力的有效途径之一。

机构力分析是机械原理课程的重要内容之一，讲授如何在已知机构尺寸及部分外力的情况下，确定机构中各构件的受力情况。在工程设计中，机构力分析用于对已完成尺度综合的机构进行受力分析，以确定所设计机构的受力情况是否能满足克服生产阻力的需要，并为后面的结构尺寸设计提供数据。在机构力分析的教学中，采用任务驱动法是调动学生积极性，提高学生的知识应用能力的有效途径之一。

为了将任务驱动法引入机构力分析的教学中，需要对现有的教学模式进行改革，针对任务驱动法的特点进行教学设计。教学设计的主要工作有：任务的构建、课堂教学设计和大作业的设计三个方面。

一、任务的构建

一个良好的任务是顺利开展教学活动的基础，而不合适的任务则会造成事倍功半的情况。因此，任务的构建是基于任务驱动法的教学设计的核心。

在传统的机构力分析教学中，也有力分析的例子，这些例子一般选用的都是铰链四杆机构或曲柄滑块机构。采用铰链四杆机构或曲柄滑块机构作为机构力分析的例子，主要考虑的是机构比较简单，便于介绍基本方法和流程。但以铰链四杆机构或曲柄滑块机构作为任务并不合适。不合适的原因有两方面。一方面，铰链四杆机构和曲柄滑块机构与工程结合的不够紧密。实际上，铰链四杆机构和曲柄滑块机构在工程中的应用也很多，但通常只是执行机构的一部分，所以，不好对应具体的机器。另一方面，铰链四杆机构和曲柄滑块机构的分析过程稍显简单。任务偏简单，完成起来难度就比较低，难以调动学生的积极性。

机械原理是一门面向工程的技术基础课程，任务活动中心需要贴合工程实际，才能在实际教学过程中引起学生的兴趣，驱动学生努力完成任务。因此，在构建任务时，需要选择更贴合实际工程的任务。牛头刨床机构、压床六杆机构和颚式破碎机等机构都是某机器的执行部分，相对于铰链四杆机构和曲柄滑块机构更贴近工程实际。在实际教学中采用这些机构作为机构力分析的驱动任务，可以更好地调动学生的积极性。牛头刨床机构、压床六杆机构和颚式破碎机等都是六杆机构，而铰链四杆机构和曲柄滑块机构是四杆机构。六杆机构比四杆机构要复杂，其力分析的过程也更难一些，对学生更有挑战性。

另外，在设计任务时，一些细节也要注意与工程接轨。例如：移动副的摩擦角和转动副的摩擦圆，在传统课程教学中，为了方便计算，往往取统一的值。而在实际工程中，移动副的摩擦角和转动副的摩擦圆的取值与其装配结构相关，并不一定相同。因此，在设计任务时，这些细节也尽量跟工程靠拢，真正实现与实际工程接轨。

二、课堂教学的设计

在机构力分析的内容中应用任务驱动法进行教学，课堂教学也要有针对性地重新设计。课堂教学设计的主要工作有两方面：任务的引入和完成；机构力分析方法转向以解析法为主。

应用任务驱动法后，在本章开始的时候，需要结合任务开始教学。先介绍任务的基本信息，然后通过完成任务的需要说明章节内容的工程意义。为了完成机构力分析，需要学生掌握构件惯性力的确定方法（包括一般力学法和质量代换法）、运动副中摩擦力的确定方法（包括移动副、转动副和平面高副中摩擦力的确定方法）和考虑摩擦时机构的受力分析方法。在介绍时，应该给出这几部分知识与任务完成流程的一一对应关系，明确后续教学的目的性。在介绍构件惯性力的确定、运动副中摩擦力的确定和考虑摩擦时机构的受力分析的内容时，也应将任务按相应流程逐步完成，保证教学过程的前后呼应。

机构力分析的具体方法包括矢量图解法和解析法两种方法。矢量图解法通过绘制力多边形完成求解，是一种机构力分析的常用方法。解析法首先列出力平衡方程，然后通过求解方程完成分析，也是机构力分析中常用的方法。随着计算机技术的快速发展，矢量图解法的缺点日益放大，在实际工程中的应用越来越少；而与之对应，解析法的优势日益突出，在实际工程中的应用范围越来越广。因此，在教学中从贴近工程的需要出发，将原来矢量图解法和解析法并重转为以解析法为主，以便学以致用。

三、大作业的设计

采用任务驱动法进行教学后，课程作业也需要进行改革，将原来只需完成课本上的作业题改为完成相应的大作业。大作业的题目也选用牛头刨床机构、压床六杆机构和颚式破碎机等机构，但要注意与课堂教学中的任务区分开来。

机械原理课程一般有一个配套的实践教学环节——机械原理课程设计。机械原理课程设计主要目的是为学生在完成课堂教学基本内容后提供一个较完整的从事机械设计初步实践的机会。在机械原理课程设计中，学生运用所学知识完成机械传动方案总体设计、机构分析和综合等任务，进行工程设计方面的初步训练。机构力分析的大作业实际上与机械原理课程设计的部分内容是重叠的。因此，为了不让学生重复完成两次同样的任务，将机构力分析的大作业与机械原理课程设计接轨，机构力分析的大作业作为机械原理课程设计的任务之一。

在机构力分析的课堂教学中转变为以解析法为主，为了与课堂教学保持一致，机构力分析的大作业也同样要求采用解析法完成。针对解析法的特点，在进行机构力分析的时候，不能像原来采用矢量图解法一样只做几个位置的力分析，而是要按一个循环周期，完成各个位置的力分析。另外，在各个位置的力分析数据的基础上，完成受力变化图的绘制，并基于数据和图表进行简单的分析。

四、结论

为了调动学生学习的积极性，提高学生的知识应用能力，我们基于任务驱动法进行了机构力分析的教学改革实践。针对任务驱动法的特点，进行了任务的构建、课堂教学的设计和大作业的设计三个方面的改革。通过教学改革，提高了学生对机构力分析知识的应用能力。

参考文献：

[1]赵永杰，程西云.机械原理课程探究式教学改革与探索[J].大学教育，2014，（9）：141-143.

[2]张蔚，李映平.面向设计的机械原理课程教学改革的探索和实践[J].教育教学论坛，2013，（36）：213-215.

[3]吴军其，刘萌.“任务驱动”法在高校翻转课堂中的应用研究[J].现代教育技术，2015，25（9）：58-64.

[4]牟琴，谭良，周雄峻.基于计算思维的任务驱动式教学模式的研究[J].现代教育技术，2011，21（6）：44-49.endprint