《機械原理》課程的動態(tài)參數(shù)教學法

侯 宇

（南陽理工學院，南陽 473004）

《機械原理》課程的動態(tài)參數(shù)教學法

侯 宇

（南陽理工學院，南陽 473004）

以“漸開線齒輪的參數(shù)”節(jié)為例，提出了一種《機械原理》教學中的動態(tài)參數(shù)教學方法。介紹該方法的主要過程，包括核心參數(shù)的動畫展示、參數(shù)的推導關系圖以及動態(tài)參數(shù)演示。實踐證明，該方法在教學中取得了良好效果。

機械原理 漸開線齒輪 動態(tài)參數(shù) 教學法 計算機輔助教學

引言

《機械原理》是本科機械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎課。學生普遍認為，本課程在專業(yè)基礎課中的學習難度較高。一是因為課程中牽涉到大量變化的幾何關系，教師難以清晰傳達給學生，學生也難以展開想象。二是因為在有的章節(jié)，極為豐富的信息量會快速涌入，學生很難加以理解和記憶。因此，純粹的書本講解很難適應教學需求，必須求助于現(xiàn)代信息技術(shù)。

國內(nèi)采用CAD和CAE相關工具輔助進行機械原理教學已經(jīng)有不少先例，此類工具具有動態(tài)特性，非常適合形象展示機構(gòu)的幾何特性和運動特性。例如，文獻[1]中使用了ADAMS虛擬樣機技術(shù)進行了機構(gòu)設計教學，文獻[2]則使用UG軟件進行教學。

然而，大型軟件的學習成本較高，容易讓“學習軟件”這一任務所占用的時間遠遠超過“學習理論”這一主題。因此，在力所能及的前提下，編寫專用課件和軟件是更合適的方案。本文重點介紹筆者探索出的一種非常適合該課程教學的“動態(tài)參數(shù)教學法”。該方法依賴于計算機技術(shù)，以課件和專用教學軟件為工具，以動態(tài)改變幾何參數(shù)、動態(tài)演示參數(shù)關系的方式展示課程內(nèi)容。本文以“漸開線齒輪的參數(shù)”一節(jié)為例，介紹此方法。

1 教學內(nèi)容概述

傳統(tǒng)上，“漸開線齒輪的參數(shù)”一節(jié)首先介紹齒輪的基本參數(shù)[3]，如圖1所示。

圖1 漸開線齒輪的基本參數(shù)

表1 漸開線齒輪的參數(shù)及其關系

顯然，如何安排以上包含巨大信息量的教學內(nèi)容，是一個非常值得研究的問題。如果安排不當，學生就無法理解和消化該節(jié)課的內(nèi)容，而本文提出的動態(tài)參數(shù)教學法，非常適合此種教學內(nèi)容。

2 教學方法

2.1 動態(tài)展示標準齒輪的生成

表1中的核心參數(shù)及其計算關系可以通過以下動畫步驟進行展示。

（1）屏幕上出現(xiàn)一個標有m的短線段，代表模數(shù)的大?。?/p>

（2）短線段伸長為原先的若干倍，成為長線段，標注為d=mz，r=d/2；

（3）以長線段為直徑顯示一個圓，標注為分度圓；

（4）從分度圓出發(fā)，向外繪制長m的短線段，向內(nèi)繪制長m的短線段并延長至1.25m；

（5）與分度圓同心，過第（4）步的第一個短線段外端點顯示一個圓，標注為齒頂圓；

（6）與分度圓同心，過第（4）步的第二個短線段內(nèi)端點顯示一個圓，標注為齒根圓；

（7）與分度圓同心，出現(xiàn)一個較小的圓，其外自帶有多條漸開線。該圓及漸開線作為整體，共同逐漸縮小，最終停留在其半徑等于分度圓半徑乘以cos20°的位置，標注為基圓；

（8）以基圓所帶漸開線為參考，浮現(xiàn)最終的齒輪。

2.2 展示標準齒輪的參數(shù)推導關系

將標準齒輪的主要參數(shù)推導關系展示給學生，如圖3所示。

圖3 漸開線齒輪的參數(shù)推導關系

2.3 參數(shù)對齒輪形態(tài)的影響

為順利進行本節(jié)教學的最重要部分，筆者制作了一個可動態(tài)調(diào)整參數(shù)的漸開線齒輪演示程序。程序使用Flex 4.7開發(fā)，可以隨意修改模數(shù)、壓力角、齒數(shù)、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)、變位系數(shù)，動態(tài)改變齒輪的形態(tài)。除了變位系數(shù)適用于之后的“齒輪的變位”一節(jié)，其他參數(shù)都適用于本節(jié)內(nèi)容。圖4分別展示了原齒輪、修改模數(shù)、修改壓力角、修改齒數(shù)、修改齒頂高系數(shù)、修改變位系數(shù)后齒輪的形態(tài)。

這個演示并不限制只有單參數(shù)變化，而是允許多個參數(shù)進行組合變化。在本單元中，學生可以發(fā)揮自己的主觀能動性，親自操作，按照自己的意愿修改多種參數(shù)的組合，以觀察不同參數(shù)配置下的齒輪形態(tài)。最終，在大腦中建立起完整的動態(tài)齒輪幾何圖景。

圖4 動態(tài)參數(shù)下的齒輪形態(tài)

3 教學效果

對于2.1節(jié)所展示的動畫，學生普遍反映，該動畫過程很容易形成圖像記憶，每次在大腦中的回放都等于進行了一次復習。動畫中，參數(shù)的先后展示次序也讓學生對參數(shù)推導形成了動態(tài)影像記憶。有了2.2節(jié)展示的關系推導圖，則更進一步明確了參數(shù)之間的相互推導關系。默寫該圖數(shù)次后，就能夠徹底記住本節(jié)的所有知識點，并且不易遺忘。此外，若能與2.1節(jié)所展示的動畫結(jié)合，效果更好。同時，第2.3節(jié)的動態(tài)齒輪演示程序是最吸引學生的環(huán)節(jié)。通過本環(huán)節(jié)，前兩節(jié)的數(shù)學關系變成了形象的幾何圖形，對學生產(chǎn)生了良好的感官刺激，最終圓滿完成本節(jié)的教學工作，并且對本章之后的各節(jié)教學也具有良好的指導效果。

4 結(jié)論

多媒體教學的主要任務是采用多種手段讓學生更好地掌握所學知識。其中，動畫、圖形作為多媒體的重要組成部分，具有顯著的教學效果。本文所述的教學方法，通過動畫和圖形的結(jié)合，不僅減輕了學生的學習負擔，同時讓教學過程極為生動形象，大大提升了教學質(zhì)量。

[1]黃小龍.虛擬樣機技術(shù)在“機械原理課程設計”教學中的應用[J].中國電力教育，2013，（4）：102-109.

[2]張毅杰，孔令瓊，施杰，等.基于UG平臺的機械原理課程設計新模式探究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2013，（3）：70-72.

[3]王躍進.機械原理[M].北京：北京大學出版社，2009.

Teaching Method of Dynamic Parameters in the Course of Mechanical Principle

HOU Yu
(Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473004)

Taking the "parameters of involute gear" as an example, the teaching method of dynamic parameters in the teaching of mechanical principle is put forward. Describes the main process of the method, including the core parameters of the animation display, parameters of the derivation and dynamic parameters of the demonstration. Practice has proved that the method has achieved good results in teaching.

mechanical principle, involute gear, dynamic parameters, teaching method, computer aided instruction