機械基礎課程單元教學設計分析

張娜

摘?要：教師既是教授方法的實施者，也是學習方法的指導者，要合理分配教學任務，運用恰當的教學方法，才能收到良好的教學效果。筆者針對機械基礎課程的特點，結合自身的教學實踐，以“平面機構運動確定性的判定”教學單元為例，談談機械基礎課教學單元設計。

關鍵詞：機械基礎?單元設計?教學方法

課?題：北京市職業院校教師素質提高工程之優秀青年骨干教師培養計劃項目資助。

機械基礎課程是職業院校機械類專業的一門重要的技術基礎課，它具有很強的綜合性、工程性和實踐性，在人才培養方案中處于承上啟下的地位，是學生學習后續專業課的必要的知識和技能儲備，起到橋梁的作用。筆者以“平面機構運動確定性的判定”教學單元為例，談談機械基礎課教學單元設計。

一、教學目標的設定

通過本次課90分鐘的學習，學生能夠掌握平面機構自由度的計算方法。以機械創新設計小組學生設計的“搖擺顯示屏架”為教學項目載體，從觀察機構運動的角度出發，使學生分析和掌握平面連桿機構自由度的計算方法，且會判定復合鉸鏈、局部自由度、虛約束并進行處理，從而總結出判定機構具有確定的相對運動的方法，為分析機械運動功能和設計機械結構打下基礎，概括起來分為以下三個方面。

1.知識目標

（1）掌握平面機構自由度的計算方法。

（2）會判定復合鉸鏈、局部自由度、虛約束并進行處理。

（3）掌握判定機構具有確定的相對運動的方法。

2.能力目標

（1）能夠判定機構中是否存在復合鉸鏈、局部自由度、虛約束這三種特殊情況，如果有，則會處理后再計算平面機構自由度。

（2）會用平面機構具有確定相對運動的條件判斷機構設計得是否合理，是否能夠運動，并且是否具有確定的相對運動。

（3）能夠通過所學過的知識解決機構設計中的實際問題。

3.思維目標

（1）根據實際問題，分析機構能夠運動的條件。

（2）要學會通過平面機構自由度的計算，用平面機構具有確定相對運動的條件判斷機構設計得是否合理。

（3）從已有知識出發，善于分析和自主學習，擴大知識范圍，掌握思維方法，提高思維能力。

二、教學內容的確定

根據教學目標制定相應教學內容，主要包括以下三方面。

一是平面機構自由度的計算；

二是平面機構中復合鉸鏈、局部自由度、虛約束這三種特殊情況，及其處理辦法；

三是平面機構運動確定性的判定。

三、教學學情的分析

對于高職院校一年級的學生而言，他們在理解方式上更偏重于實例的體會。他們喜歡從實際的案例中體會理論，學習知識，得到結論。本教學單元以機械創新設計小組學生自己設計的“搖擺顯示屏架”機構為教學項目載體，引入教學內容 ，分析平面機構的自由度，而不是直接進行理論分析，更大程度地激發學生的學習積極性，調動學生的學習熱情。

本單元從學生已有知識出發，以實際案例讓學生觀察機構的運動，引出新的知識——平面機構的機構自由度計算方法及其三種特殊情況的處理辦法，使學生更容易接受和獲取新知識。

從零件靜止時的分析轉變到平面連桿機構運動分析的教學內容，是一個由靜到動的變化過程，要從運動的角度出發來啟發學生對本節課內容的理解，同時要從具體的構件抽象出簡圖來研究運動特點。這是利用以往所學知識分析問題，也是改變學生學習思路的方式。在教學過程中，應恰當處理借助圖形的直觀含義和嚴密的數學推理之間的關系。既要引導學生從直觀上發現問題的實質，也要注意對某些關鍵的結論進行縝密的邏輯推理。

四、教學重點與難點的解決辦法

任何一個機構都是若干個構件由運動副連接起來的。為了按一定要求進行運動的傳遞和轉換，當機構的原動件按給定的運動規律運動時，該機構其余構件的運動也都應是完全確定的。為了使所設計的構件能產生相對運動并具有運動確定性，有必要研究平面機構的自由度和機構具有確定運動的條件。

1.教學重點及解決辦法

根據本課程的知識和技能結構、學生下一階段學習的需要及授課時限，決定本次課的教學重點。

（1）平面機構自由度的計算，及其三種特殊情況（復合鉸鏈、局部自由度、虛約束）的處理。本單元重點是讓學生會判斷平面機構中復合鉸鏈、局部自由度、虛約束這三種特殊情況，并進行處理，目的是能夠正確計算平面機構自由度，在進行機構的設計時解決工程實際問題。

（2）平面機構運動確定性的判定。平面機構中要求每個構件相對于機架的運動都是確定的，以使執行構件能夠按要求執行相應的運動。本單元的重點是用平面機構具有確定相對運動的條件判斷機構設計是否合理，目的是在進行機構設計時考慮機械結構的合理性。

教學重點解決對策：重點講解；啟發主動思考；讓學生隨堂練習；提供學生參與機會。

例如，機構的復合鉸鏈部分，首先讓學生判定拋光機機構的運動確定性，學生得出結論：原動件W=1，自由度F=3，機構運動不確定。而讓學生觀察拋光機機構的運動動畫，發現機構的運動是確定的。問題出在哪里呢？引導學生主動思考，觀察機構中構件連接比較特殊的地方，從而發現有3個構件在同一處用轉動副連接，引出了對復合鉸鏈的解釋和處理辦法的學習。最后用正確的方法計算機構的自由度F=W=1>0，得到正確的結論：機構具有確定的相對運動。這樣利用真實案例、動畫演示啟發學生主動思考，分析和解決問題，使學生印象深刻，容易理解所學知識，并且能夠及時用所學知識解決實際問題。

2.教學難點及解決辦法

根據學生情況以及以往經驗，本次課的教學難點是計算平面自由度時虛約束的判斷及處理。

教學難點解決對策：根據學生的反映，把握講解速度；結合多媒體課件和圖片；利用提問和練習方式，隨堂檢驗學生掌握程度。

例如，平面機構中的虛約束常出現在以下情況中：轉動副連接兩構件運動軌跡重合；兩構件組成多個轉動副、且各轉動副軸線重合；兩構件組成多個移動副、且各轉動副導路平行或者重合；兩構件組成多個平面高副、且各高副接觸點處公法線重合；對機構運動不起作用的對稱部分，如行星輪。每一種情況都配以圖片分析講解，形象直觀，便于理解。

五、教學方法的設計

1．任務驅動法

本次課堂教學以“任務驅動”為主線，在講解本次課程的重點內容平面機構自由度的計算及其三種特殊情況的處理時，將采用“任務驅動法”。實施過程為：設置任務——觀察機械創新設計小組的學生設計的“搖擺顯示屏架”的運動；布置任務——機構具備什么條件才能具有確定的相對運動，如何判定機構運動的確定性；在對任務進行分析分解、完成任務的過程中，講解平面機構自由度的計算方法和三種特殊情況的處理，以及判定機構運動確定性條件的使用，將教、學、做一體化，按照“教師布置任務→學生自主分析完成任務→教師指導學生總結”的模式開展。學生不僅掌握了知識點，同時還利用知識點完成了實際的任務，增強了成就感，激發了求知欲望，培養了獨立思考、勇于創新的精神，為機構的創新設計提供條件。

2.案例演示法

本單元課程以機械創新設計小組學生設計的“搖擺顯示屏架”作為教學案例載體，通過觀察機構的運動過程，分析平面機構的自由度及機構運動確定性的判定方法。

該教學方法不是單純的傳授教學知識，而是將知識點融入到實際應用中，使學生不僅掌握了知識，同時也具備了運用知識解決問題的能力。參考以往案例教學的經驗，采用案例演示法教授知識，更容易讓學生集中精力，有效提高其學習的積極性，加快知識和能力的獲取速度。

3.T-P-S法（思考—討論—分享）

在做綜合練習這部分內容時，學生可以通過自己閱讀資料思考和學習相關知識，兩個人一起討論完成習題，最后以兩人組合給大家講解分析思路及解題過程。學生能夠在完成任務的過程中發現問題、分析問題并解決問題。這種方法可以使每個學生都參與學習，培養獨立思考、語言表達等能力，綜合解決問題的能力，提高學習的主動性。T-P-S法實施步驟為：獨立工作（自己獨立學習思考），交流（2個人或更多人討論交流），成果展示（有多種方式，如展板、匯報等）。

4.分組討論法

在學習機構運動確定性的判定這部分內容時，學生可以分成小組，按四種不同的情況討論機構運動的確定性。學生前面已經學過了有關機構自由度計算的內容，可以采用學生自主討論的方式完成學習。在學習的過程中，鼓勵學生分組學習，通過討論解決問題。這種方法可以提高學生學習的主動性。分組討論法的實施流程為：教師布置討論內容，進行臨時小組討論，現場展示討論結果，學生總結，教師評價。

在課程教學中，教師精心進行教學設計，不斷改進教學方法和手段，有助于提高學生的學習興趣，更好地理解課程內容，為學習專業課程奠定堅實的基礎。

參考文獻：

[1]龔紹文.大學青年教師教學入門——大學施教學初步[M].北京:北京理工大學出版社,2006.

[2]方華燦.論高等學校的課堂教學[M].北京:石油工業出版社,2003.