机械原理课程探究式教学改革与探索

1、机械原理课程探究式教学改革与探索一、机械原理探究式教学的设计思路在课程教学过程中， 由于时间、教师自身对知识的把握能力、 学生学习负担、 学习素材等条件的限制， 不可能对所有的内容进 行探究式教学与学习。因此，我们采用有所选择的原则，实行部 分教学内容探究，主要围绕知识点探究、知识的内在机理探究、 分析设计方法，基于问题或者基于项目探究进行教学。（一）机械原理教学中探究的内容1. 知识点的探究。 主要探究机械结构自由度分析及应用、 自 锁的利用、齿轮传动特点、杆传动特点、机构死点的应用。2. 知识点内在机理的探究。 主要探究常见移动运动与转动运 动的实现形式以及优缺点、 常见的输入为移动输出为

2、转动、 输入 为转动输出为移动、 输入为移动输出为移动以及输入为转动输出 为转动的机构实现形式、不平衡产生的原因及后果。3. 分析设计方法的探究。 连杆机构分析与设计的图解法与解 析法各自的优缺点， 以连杆机构优化设计为例探究数值优化法的 优势。（二）机械原理探究式教学的一般步骤1.提出问题。 借鉴项目陈述式思路介绍问题的背景， 目的是 提高学生的兴趣与积极性。2. 相关资料查询与分析。 查询相关的资料， 了解所探寻问题的外在表象与内在机理。（ 1）推测与假设。对所探究问题进行 推测假设，寻找可能的原因以及解决问题的办法。（2）设计实验。对所研究的问题进行实验方案的设计，进行探索分析。 （ 3

3、） 寻求证实。通过分析或者实验探索，验证推测与假设的合理性。 （4）信息和数据处理。 处理探究过程中产生的信息与数据。 （5） 结论与表达。形成研究问题的结论。二、机械原理探究式教学实施过程与教学目标检验 本课程的学习目标之一是掌握平面机构结构分析能力。因 此，在探究式教学中以机械结构自由度计算公式为切入点， 探究 机械结构构成、 机构自由度计算及现状。 针对课堂教学中讲述知 识点时学生不感兴趣、 讲述知识点的用途及现状时学生往往很感 兴趣的现象， 我们把机械原理探究式教学讲述思路调整如下： 1. 提出问题。机构自由度分析是机械结构分析与设计的基本工具， 完成机械装备的开发首先要根据功能的需求

4、完成机械结构的分 析与设计。 2. 知识点的讲述与推导。 以书本上的内容为基础介绍 平面机构与空间机构自由度的计算公式， 解释公式的各个要素的 组成。3. 知识点的应用及现状。 通过对平面机构与空间机构自由 度计算公式的学习，分析普通平面机构与简单空间机构的自由 度，实现本课程中有关机械结构分析与设计内容的教学目标。 4. 教学目标检验。 布置开放性作业题目， 检验对知识点的掌握程度。具体的探究过程如下。（一）提出问题什么条件下机构具有确定的运动？机械装置需要驱动器的数目是多少？机械系统自由度分析在这一问题中所起到的作用 是什么？机构自由度分析是机械结构分析与设计的基本工具， 完 成机械装备的

5、开发首先要根据功能的需求完成机械结构的分析 与设计。1. 分析现有的机构的自由度数目与驱动器数目的关系， 分析 其中的原因。( 1) 四连杆机构需要安装一个电机。( 2)五连 杆机构需要两个电机。2. 说明机构具有确定运动的条件。(二)相关资料查询与分析布置任务查阅资料， 经过查阅资料分析， 所探究的问题属于 机械系统构型设计问题， 解决这一问题的途径为机械自由度分析 与设计。1. 机构自由度计算公式。平面机构自由度计算公式：F= 3n- (2p1+pn)空间机构自由度计算公式：F= 6n- (5p5+4p4+3p3+2p2+p1)。解释： n 活动构件数， p 运动副数，下标表示运动副级数即

6、约束 数。探究自由度公式推导。 (1) 平面机构自由度公式构成要素。 自由不受约束的构件在平面上具有 3个自由度， 2 移动+1 转 动。 运动副的作用是将机械系统引入约束，约束构件只能完 成特定的运动， 转动副限制机构只能沿某一转轴转动， 移动副限 制机构只能沿导轨方向移动。 平面机构自由度数目 =活动构件 自由度数目 - 运动副提供的约束数目。(2)空间机构自由度公式构成要素。 自由不受约束的 构件具有 6个自由度， 3移动+3转动。 运动副的作用是将机 械系统引入约束， 约束构件只能完成特定的运动， 转动副限制机 构只能沿某一转轴转动，移动副限制机构只能沿导轨方向移动。 空间机构自由度数

7、目 =活动构件自由度数目 -运动副提供的约 束数目。机构自由度分析与知识点的应用， 目标是加深对机构自由度 计算公式的理解，掌握其应用。( 1) 内燃机机构自由度计算。 利用平面机构自由度计算公式， 计算内燃机机构的自由度等于 1(2) 空间四杆机构自由度计算。利用机构自由度计算公式，计 算空间四连杆机构的自由度等于 1。2. 知识点的应用及现状。通过对平面机构与空间机构自由 度计算公式的学习，分析普通平面机构与简单空间机构的自由 度，实现本课程中有关机械结构分析与设计内容的教学目标。机构自由度计算。 ( 1) 计算一般机构自由度数目，主要包 括平面四连杆、五连杆、三角形机构、空间四连杆等，目

8、标是掌 握一般机构自由度计算公式的应用。 (2) 计算工业机器人、机 床自由度数目，目的是提高学生的学习兴趣。(3) 比较特殊机构自由度计算：平行四边形机构、Gough平台等。自由度公式的现状。 (1) 可计算数目，不能确定自由度的 性质。（ 2） 容易被工程师掌握， 可以用来发明创造新机构。 （3） 适用于刚体机构、柔顺机构、绳索机构等，需要具体问题具体分 析。（ 4） 驱动器的位置发生变化时机构的运动将发生变化，自 由度公式对此类问题无能为力。 （5） 机构学上存在欠秩机构与 冗余驱动机构，自由度数目不等于驱动器数目。 （ 6） 一些特殊 机构不适用自由度的计算公式。设计创造新机构。 根据

9、操作任务对机构运动要求， 依据自由 度公式进行机构结构创新设计。（ 1）四连杆机构不能实现精确 的口型折线运动。（ 2）五连杆机构可以实现精确的口型折线运 动。（ 3）机构的运动特征取决于机械结构，通过机构自由度计 算分析机构的运动特征。（三）推测与假设 机构具有确定运动的条件是： 1. 机构的原动件数目应等于机 构的自由度数目。 2.如果驱动器数目小于机构自由度数目 , 则机 构的运动将不完全确定。 3. 如果原动件数大于机构自由度数目 , 则会导致机构最薄弱环节的损坏。（四）设计实验 以平面四连杆机构与平面五连杆为研究对象， 分析其自由度 数目，分析驱动器数目与机构自由度数目不相同时可能发

10、生的情 形，课堂中可以纸板为例进行实验。 1. 通过计算机动画演示，四 连杆机构给定一个独立运动， 即安装一个电机， 机构运动完全确 定，给定两个独立运动，机构最薄弱的地方损坏。 2. 通过计算机 动画演示，五连杆机构给定一个独立运动，机构运动不确定，给 定两个独立运动， 机构运动完全确定。 3. 推断机构设计的要求应 该满足，机构自由度数目等于驱动器的数目。（五）寻求证实根据机构自由度计算公式， 平面四连杆机构的自由度等于 1。 平面四连杆机构的驱动器数目应该为1 个时，机构具有确定的运动。平面五连杆机构的自由度为2，平面五连杆机构的驱动器数目为 2 个时，机构才具有确切的运动。调查研究证实

11、：结构为平 面四连杆的机械装备需要一个电机驱动， 结构为平面五连杆的机 械装备需要两个电机驱动， 常见机构的驱动器数目应该等于机构 自由度数目。（六）信息和数据处理所探索问题的核心知识为：1. 平面机构自由度计算公式：F= 3n- （2p1+pn）2. 空间机构自由度计算公式：F= 6n- （5p5+4p4+3p3+2p2+p1）3. 机构具有确定运动的条件是机构的驱动器的数目等于机 构自由度的数目。（七）结论与表达为使机械装备具有确定的运动， 应该使得机构的驱动器的数 目等于机构自由度的数目。（八）教学目标检验为检验学习效果，设计课外习题： 1. 分析 10 种自由度等于1 的常见机构。 2

12、. 设计两种自由度等于 2 的机构。 3. 分析 3 种输 入为转动输出为转动的机构。 4. 分析 3 种输入为转动输出为移动 的机构。 5. 分析 3 种输入为移动输出为移动的机构。 6. 分析 3 种 输入为移动输出为转动的机构。探究式教学结果：作业显示，只要认真对待作业，,都能做出答案，的内容属于超越教学大纲的内 容，部分同学也能做出正确答案。三、学生学习效果的评估 机械原理课程的期末考试为闭卷考试， 在期末考试中设置含虚约束的较复杂平面机构自由度计算的题目。期末考试总共有 48人参加，其中 45人能够完全正确求解本题目，3 人不能得满分。这 3 人能解释平面机构自由度计算公式的构成要素， 但对图 示机构自由度的计算结果错误。 考试结果显示： 通过探究式教学 可以使学生较好的掌握机构自由度计算，其中93.75%（45/48 ）的学生能够应用机构自由度计算公式分析比较复杂机构的自由 度。四、机械原理探究式教学中的注意事项与教学反思1. 探究式教学对教师的要求： 知道知识的来龙去脉。 为上好 探究式教学， 教师要主动学习， 用专业知识与学术前沿知识武装 自己。2. 探究式教学对教材的要求： 教材内容的编排格式需要修 改，可按照提出问题，讲述知识点，解决问题，分析问题的思路 进行编写教材或进行教学。 3. 课堂教学中探究的深度与范围： 尽 可能在教学大纲内探究， 且探究的广度