面向工程的機械原理的教學改革

宋少云

[摘 要]機械原理是機械系一門重要的專業基礎課。目前機械原理的教學存在著理論與實踐脫離的弊病。首先界定機構分析與機構設計的地位；然后重點說明必須引入AutoCAD進行即時的課堂機構設計的觀點；最后闡述了如何在課程設計中用ADAMS進行機構分析。上述觀點在機械原理的課程教學中實施，取得了較好的效果。

[關鍵詞]機械原理 教學改革 工程 ADAMS

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

機械原理是機械系一門重要的專業基礎課，它主要研究機械的設計以及力學分析，為機械設計過程中的方案設計階段服務。由于方案設計在機械設計中占據著舉足輕重的地位，所以機械原理就成為機械類學生一門十分重要的課程，也成為考研的專業課之一。

但是在幾年的教學過程中，筆者發現，機械原理的講授內容有很多已經過時，在工程設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的講解；而對于工程急需的部分內容，我們卻很少涉及；另外，我們過于強調分析而忽視了設計，導致學生學完機械原理以后，甚至簡單地以為機械原理只是理論力學的延伸，是理論力學的一種應用；最后，課程設計內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器的方案設計部分，但是因為課程設計時間少，學生實際上把大量的精力耗費在力分析上面，而對于方案設計只是匆匆帶過，這實際上混淆了機械原理的主要目的，又起到一種誤解作用。

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

一、設計與分析地位的界定

機械原理總體上分為兩塊內容：機構的設計以及力學分析。機構的設計包括連桿機構、凸輪機構、齒輪機構和輪系的設計。而力學分析部分包括：運動分析、速度波動分析、力分析、機械效率、機構的平衡。

在工程師的實際設計中，我們發現，他們很少用到分析的內容，如果用到機械原理，主要是在進行機構的設計。所以，從工程實際應用而言，機構的設計部分應該占據主導地位。但是我們的傳統教學卻習慣于從分析開始，在介紹了機構的結構分析以后，就花費了很多時間介紹運動分析、力分析、機械效率、機械平衡、速度波動的調節，讓學生感覺好像在學習理論力學，只不過把解析法換成了圖解法；而對某些內容只是感覺比理論力學處理的對象更多一些，方法都來自于理論力學。學生要到第8周才開始進入機構的設計部分，此時學期已經過半。這給學生造成一種強烈的感覺，機械原理就是理論力學的延伸。顯然，這是一個誤區，對于學生正確地理解機械原理的核心是不利的。

傳統的教學方法對分析部分花費了太多的精力，而實際上，這些內容在實踐中用處不大。運動分析這一部分，是當機構處于某個位置時，用作圖法把構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的加速度，用圖解法會相當困難，所以在工程設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束后拆分桿組，再用動靜法來進行靜力分析，過程十分繁瑣，在設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容不需要，應該盡量簡化，只闡述其思路就足夠，并不需要花費很多時間。

對于運動學花費太多的教學時間的結果，導致機構設計部分這個主體內容課時被壓縮，學時顯得相當緊張。因為沒有充足的時間來講解這部分內容，最后的方案設計部分有些老師甚至都來不及展開，就進入了課程設計階段。這樣，學生甚至都沒有弄清楚機械原理就是用來做方案設計的，這對于他們理解機械原理的作用顯然是不利的。

有鑒于此，筆者以為，從為工程服務的觀點出發，機械原理應該強調設計而適當降低分析的地位。在機構的結構分析介紹完以后，應該馬上進入機構的設計部分，以便讓學生明白機械原理就是來做機構設計的。應花費11周左右的時間后，對于力學分析部分用3周共6次課左右結束，基本上相當于一次課結束一章的內容。這樣，就有充足的時間用來講解機構的設計內容，使得機械原理的教學內容能夠真正對工程設計發揮作用。

二、機構設計部分的講解方式

機構設計包括兩塊：簡單機構的設計及機械系統的方案設計。簡單機構的設計包括：連桿機構、凸輪結構、齒輪機構的設計以及輪系傳動比的計算。對于每一塊內容，應該分成三個部分來講解：理解、設計與分析。

理解，就是迅速接受前人在這種機構設計方面所積累的經驗。比如連桿機構，第一步就是理解，弄清楚各種連桿機構的關系以及它們在工程實際中的應用；對于凸輪機構，弄清凸輪機構的類型及其應用；對于齒輪機構而言，理解占據最重要的地位，因為齒輪機構的正確嚙合條件、無側隙嚙合條件、定傳動比條件都是很重要的內容，通常老師都會花費不少精力在這一塊內容上面。

設計是主體。連桿機構的設計，是機械原理的重頭戲。傳統的設計方法是老師用粉筆+直尺+圓規進行的，這實際上很不方便。在實際工程設計中，設計人員不大可能用鉛筆、直尺來設計，而AutoCAD是他們最常用的工具軟件，所以，用AutoCAD來進行機構的結構設計是最合適的方式，這使得他們日后在需要時，很自然地就用AutoCAD來做方案設計。另一個方面，用AutoCAD進行連桿機構的設計比直尺、圓規要優越很多。如剛化反轉法是連桿機構設計的重要方法，手工操作十分麻煩，而用AutoCAD則輕而易舉。基于AutoCAD的種種優越性，筆者強烈建議，教師在上課時就直接用AutoCAD來進行連桿機構設計的教學，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節，這都具有黑板教學不可比擬的優越性。

凸輪機構的設計，也建議以圖解法為主，此時仍舊是用AutoCAD教學。以圖解法為主的原因是，這種方法能夠清晰地說明原理。而對于凸輪機構的設計而言，弄清楚原理相當重要。至于解析法，把公式推出來后，說明其意義就可以了。齒輪機構的設計則強調是根據中心距和傳動比來設計齒輪機構的，這也是設計中最經常出現的問題。

三、課程設計的處理

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

機械原理教學的主要目的是教會學生做方案設計。最后的課程設計內容應該強化這一點，但是現有的教學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，讓學生誤以為機械原理的主要目的是做機構分析的，這顯然并不利于學生對于機械原理主要內容的把握。另外，由于時間的限制，學生對于所做的方案設計基本上只是畫出一個示意圖，都沒有確定一些主要尺寸，這使得方案設計做得很草率。

課程設計同樣應該強化機構設計部分，對于傳統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，一般學生建模結束后，最多一天的時間就可以用ADAMS做完飛輪的設計，從而有足夠的精力來做機械系統的方案設計。至于方案設計本身如何處理，許多研究者已經提出了較為成熟的改革方案，這里不再贅述。

四、結語

機械原理作為一門重要的專業基礎課，從其根本意義上來說，是為方案設計服務的，但是傳統的教育模式并沒有突出這一點。在授課時強調設計而弱化分析，在設計時突出用AutoCAD來繪圖而少用手工繪圖，在課程設計中加強方案設計而用ADAMS來進行牛頭刨床的機構分析，這會加強設計的成分，而且所用的方法可以切實在工程設計中發揮作用。本文采用上述方法進行了機械原理的教學改革，取得了較好的效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 車煥文.Pro/E在《機械原理》教學中的應用[J].中國科技信息，2011（2）：185-186.

[2] 陳奇，朱家誠，公彥軍.將計算機軟件引入機械原理教學的探索與研究[J].合肥工業大學學報（社會科學版），2011（1）：145-148.

[3] 肖啟明.RecurDyn在機械原理教學中的應用研究[J].重慶三峽學院學報，2011（3）：135-137.

[4] 朱玉.CDIO工程理念在《機械原理課程設計》教學中的應用[J].裝備維修技術，2009（4）：59-61.

[5] 孫志宏，單洪波，莊幼敏，高志民.提高學生創新能力改革機械原理課程設計[J].實驗室研究與探索，2007（11）：98-99.

[責任編輯：鐘 嵐]