面向工程的機(jī)械原理的教學(xué)改革

宋少云

[摘 要]機(jī)械原理是機(jī)械系一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。目前機(jī)械原理的教學(xué)存在著理論與實踐脫離的弊病。首先界定機(jī)構(gòu)分析與機(jī)構(gòu)設(shè)計的地位；然后重點說明必須引入AutoCAD進(jìn)行即時的課堂機(jī)構(gòu)設(shè)計的觀點；最后闡述了如何在課程設(shè)計中用ADAMS進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析。上述觀點在機(jī)械原理的課程教學(xué)中實施，取得了較好的效果。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械原理 教學(xué)改革 工程 ADAMS

[中圖分類號] TH111；G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）05-0103-02

機(jī)械原理是機(jī)械系一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它主要研究機(jī)械的設(shè)計以及力學(xué)分析，為機(jī)械設(shè)計過程中的方案設(shè)計階段服務(wù)。由于方案設(shè)計在機(jī)械設(shè)計中占據(jù)著舉足輕重的地位，所以機(jī)械原理就成為機(jī)械類學(xué)生一門十分重要的課程，也成為考研的專業(yè)課之一。

但是在幾年的教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，機(jī)械原理的講授內(nèi)容有很多已經(jīng)過時，在工程設(shè)計實踐中幾乎沒有用處，而我們卻花費了大量的時間來做仔細(xì)的講解；而對于工程急需的部分內(nèi)容，我們卻很少涉及；另外，我們過于強(qiáng)調(diào)分析而忽視了設(shè)計，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)完機(jī)械原理以后，甚至簡單地以為機(jī)械原理只是理論力學(xué)的延伸，是理論力學(xué)的一種應(yīng)用；最后，課程設(shè)計內(nèi)容幾十年來都在做牛頭刨床的力分析。雖然我們也追加了某種機(jī)器的方案設(shè)計部分，但是因為課程設(shè)計時間少，學(xué)生實際上把大量的精力耗費在力分析上面，而對于方案設(shè)計只是匆匆?guī)н^，這實際上混淆了機(jī)械原理的主要目的，又起到一種誤解作用。

針對上述情況，許多機(jī)械原理一線教學(xué)的老師都提出了自己的改革方案，有些老師把許多計算機(jī)軟件如AutoCAD，PRO/E，ADAMS，RecurDyn， MATLAB等引入機(jī)械原理的教學(xué)中，[1-3]有的對機(jī)械原理的內(nèi)容進(jìn)行重新組合分塊而加強(qiáng)學(xué)生的動手部分，[4]有的對于課程設(shè)計給定了多種題目，并采用先進(jìn)的計算機(jī)虛擬設(shè)計手段來進(jìn)行課程設(shè)計。[5]筆者在上述方法的啟發(fā)下，也進(jìn)行了一些教學(xué)改革，改革的主要目的是面向工程，希望機(jī)械原理能夠真正地為工程設(shè)計服務(wù)。下文對筆者的一些改革進(jìn)行簡要介紹。

一、設(shè)計與分析地位的界定

機(jī)械原理總體上分為兩塊內(nèi)容：機(jī)構(gòu)的設(shè)計以及力學(xué)分析。機(jī)構(gòu)的設(shè)計包括連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和輪系的設(shè)計。而力學(xué)分析部分包括：運動分析、速度波動分析、力分析、機(jī)械效率、機(jī)構(gòu)的平衡。

在工程師的實際設(shè)計中，我們發(fā)現(xiàn)，他們很少用到分析的內(nèi)容，如果用到機(jī)械原理，主要是在進(jìn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計。所以，從工程實際應(yīng)用而言，機(jī)構(gòu)的設(shè)計部分應(yīng)該占據(jù)主導(dǎo)地位。但是我們的傳統(tǒng)教學(xué)卻習(xí)慣于從分析開始，在介紹了機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析以后，就花費了很多時間介紹運動分析、力分析、機(jī)械效率、機(jī)械平衡、速度波動的調(diào)節(jié)，讓學(xué)生感覺好像在學(xué)習(xí)理論力學(xué)，只不過把解析法換成了圖解法；而對某些內(nèi)容只是感覺比理論力學(xué)處理的對象更多一些，方法都來自于理論力學(xué)。學(xué)生要到第8周才開始進(jìn)入機(jī)構(gòu)的設(shè)計部分，此時學(xué)期已經(jīng)過半。這給學(xué)生造成一種強(qiáng)烈的感覺，機(jī)械原理就是理論力學(xué)的延伸。顯然，這是一個誤區(qū)，對于學(xué)生正確地理解機(jī)械原理的核心是不利的。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法對分析部分花費了太多的精力，而實際上，這些內(nèi)容在實踐中用處不大。運動分析這一部分，是當(dāng)機(jī)構(gòu)處于某個位置時，用作圖法把構(gòu)件的速度和加速度求出來。在實踐中需要面對的一般都是整個周期，需要得到整個周期內(nèi)的加速度，用圖解法會相當(dāng)困難，所以在工程設(shè)計中幾乎都不會用到這種方法。對于力分析更是如此，力分析要求在運動分析結(jié)束后拆分桿組，再用動靜法來進(jìn)行靜力分析，過程十分繁瑣，在設(shè)計實踐中不可能使用。換一句話說，這種方法只具有理論上的意義。但這并不意味著這些內(nèi)容不需要，應(yīng)該盡量簡化，只闡述其思路就足夠，并不需要花費很多時間。

對于運動學(xué)花費太多的教學(xué)時間的結(jié)果，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)設(shè)計部分這個主體內(nèi)容課時被壓縮，學(xué)時顯得相當(dāng)緊張。因為沒有充足的時間來講解這部分內(nèi)容，最后的方案設(shè)計部分有些老師甚至都來不及展開，就進(jìn)入了課程設(shè)計階段。這樣，學(xué)生甚至都沒有弄清楚機(jī)械原理就是用來做方案設(shè)計的，這對于他們理解機(jī)械原理的作用顯然是不利的。

有鑒于此，筆者以為，從為工程服務(wù)的觀點出發(fā)，機(jī)械原理應(yīng)該強(qiáng)調(diào)設(shè)計而適當(dāng)降低分析的地位。在機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析介紹完以后，應(yīng)該馬上進(jìn)入機(jī)構(gòu)的設(shè)計部分，以便讓學(xué)生明白機(jī)械原理就是來做機(jī)構(gòu)設(shè)計的。應(yīng)花費11周左右的時間后，對于力學(xué)分析部分用3周共6次課左右結(jié)束，基本上相當(dāng)于一次課結(jié)束一章的內(nèi)容。這樣，就有充足的時間用來講解機(jī)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容，使得機(jī)械原理的教學(xué)內(nèi)容能夠真正對工程設(shè)計發(fā)揮作用。

二、機(jī)構(gòu)設(shè)計部分的講解方式

機(jī)構(gòu)設(shè)計包括兩塊：簡單機(jī)構(gòu)的設(shè)計及機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計。簡單機(jī)構(gòu)的設(shè)計包括：連桿機(jī)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計以及輪系傳動比的計算。對于每一塊內(nèi)容，應(yīng)該分成三個部分來講解：理解、設(shè)計與分析。

理解，就是迅速接受前人在這種機(jī)構(gòu)設(shè)計方面所積累的經(jīng)驗。比如連桿機(jī)構(gòu)，第一步就是理解，弄清楚各種連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)系以及它們在工程實際中的應(yīng)用；對于凸輪機(jī)構(gòu)，弄清凸輪機(jī)構(gòu)的類型及其應(yīng)用；對于齒輪機(jī)構(gòu)而言，理解占據(jù)最重要的地位，因為齒輪機(jī)構(gòu)的正確嚙合條件、無側(cè)隙嚙合條件、定傳動比條件都是很重要的內(nèi)容，通常老師都會花費不少精力在這一塊內(nèi)容上面。

設(shè)計是主體。連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計，是機(jī)械原理的重頭戲。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是老師用粉筆+直尺+圓規(guī)進(jìn)行的，這實際上很不方便。在實際工程設(shè)計中，設(shè)計人員不大可能用鉛筆、直尺來設(shè)計，而AutoCAD是他們最常用的工具軟件，所以，用AutoCAD來進(jìn)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是最合適的方式，這使得他們?nèi)蘸笤谛枰獣r，很自然地就用AutoCAD來做方案設(shè)計。另一個方面，用AutoCAD進(jìn)行連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計比直尺、圓規(guī)要優(yōu)越很多。如剛化反轉(zhuǎn)法是連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的重要方法，手工操作十分麻煩，而用AutoCAD則輕而易舉。基于AutoCAD的種種優(yōu)越性，筆者強(qiáng)烈建議，教師在上課時就直接用AutoCAD來進(jìn)行連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的教學(xué)，何況在使用多媒體以后，用AutoCAD可以放大比例看清楚其中的每一個細(xì)節(jié)，這都具有黑板教學(xué)不可比擬的優(yōu)越性。

凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計，也建議以圖解法為主，此時仍舊是用AutoCAD教學(xué)。以圖解法為主的原因是，這種方法能夠清晰地說明原理。而對于凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計而言，弄清楚原理相當(dāng)重要。至于解析法，把公式推出來后，說明其意義就可以了。齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計則強(qiáng)調(diào)是根據(jù)中心距和傳動比來設(shè)計齒輪機(jī)構(gòu)的，這也是設(shè)計中最經(jīng)常出現(xiàn)的問題。

三、課程設(shè)計的處理

課程設(shè)計通常包括兩個內(nèi)容：牛頭刨床的動力分析和飛輪的設(shè)計，以及某機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計。課程設(shè)計一般是一周的時間，前者在課程設(shè)計中通常要花費4-5天左右，由于時間關(guān)系，方案設(shè)計只能草草地做兩個機(jī)構(gòu)運動示意圖。顯然，這并不符合機(jī)械原理教學(xué)的主要目的。

機(jī)械原理教學(xué)的主要目的是教會學(xué)生做方案設(shè)計。最后的課程設(shè)計內(nèi)容應(yīng)該強(qiáng)化這一點，但是現(xiàn)有的教學(xué)方式卻沒有突出這一點。由于把主要時間花費在牛頭刨床的動力分析上面，讓學(xué)生誤以為機(jī)械原理的主要目的是做機(jī)構(gòu)分析的，這顯然并不利于學(xué)生對于機(jī)械原理主要內(nèi)容的把握。另外，由于時間的限制，學(xué)生對于所做的方案設(shè)計基本上只是畫出一個示意圖，都沒有確定一些主要尺寸，這使得方案設(shè)計做得很草率。

課程設(shè)計同樣應(yīng)該強(qiáng)化機(jī)構(gòu)設(shè)計部分，對于傳統(tǒng)的牛頭刨床的力分析部分，建議使用ADAMS來做輔助計算，這是比較實際的方式，一般學(xué)生建模結(jié)束后，最多一天的時間就可以用ADAMS做完飛輪的設(shè)計，從而有足夠的精力來做機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計。至于方案設(shè)計本身如何處理，許多研究者已經(jīng)提出了較為成熟的改革方案，這里不再贅述。

四、結(jié)語

機(jī)械原理作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，從其根本意義上來說，是為方案設(shè)計服務(wù)的，但是傳統(tǒng)的教育模式并沒有突出這一點。在授課時強(qiáng)調(diào)設(shè)計而弱化分析，在設(shè)計時突出用AutoCAD來繪圖而少用手工繪圖，在課程設(shè)計中加強(qiáng)方案設(shè)計而用ADAMS來進(jìn)行牛頭刨床的機(jī)構(gòu)分析，這會加強(qiáng)設(shè)計的成分，而且所用的方法可以切實在工程設(shè)計中發(fā)揮作用。本文采用上述方法進(jìn)行了機(jī)械原理的教學(xué)改革，取得了較好的效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]