基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的機(jī)構(gòu)力分析教學(xué)改革實(shí)踐

匡兵++何玉林++楊孟杰++吳曉華

摘要：機(jī)械原理課程是機(jī)械類專業(yè)的一門主干課程，而機(jī)構(gòu)力分析又是機(jī)械原理課程的重要內(nèi)容之一。為了提高學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力，基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐。本文針對(duì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的特點(diǎn)，從任務(wù)的構(gòu)建、課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)和大作業(yè)的設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了實(shí)踐。通過本次實(shí)踐，提高了學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)力分析知識(shí)的應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理；機(jī)構(gòu)力分析；教學(xué)改革；任務(wù)驅(qū)動(dòng)法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）02-0130-02

《機(jī)械原理》是機(jī)械工程類本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。《機(jī)械原理》是研究機(jī)構(gòu)和機(jī)器的學(xué)科，其主要組成部分為機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)械動(dòng)力學(xué)。作為一門與工程聯(lián)系緊密的課程，《機(jī)械原理》的課程教學(xué)中應(yīng)注意理論聯(lián)系實(shí)際。任務(wù)驅(qū)動(dòng)法是指在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生在教師的幫助下，緊緊圍繞一個(gè)共同的任務(wù)活動(dòng)中心，在強(qiáng)烈的問題動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過對(duì)學(xué)習(xí)資源的積極主動(dòng)應(yīng)用，進(jìn)行自主探索和互動(dòng)協(xié)作的學(xué)習(xí)，并完成既定任務(wù)。所以，在《機(jī)械原理》課程教學(xué)過程中引入任務(wù)驅(qū)動(dòng)法教學(xué)是實(shí)現(xiàn)與實(shí)際工程結(jié)合、提升學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力的有效途徑之一。

機(jī)構(gòu)力分析是機(jī)械原理課程的重要內(nèi)容之一，講授如何在已知機(jī)構(gòu)尺寸及部分外力的情況下，確定機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的受力情況。在工程設(shè)計(jì)中，機(jī)構(gòu)力分析用于對(duì)已完成尺度綜合的機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，以確定所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的受力情況是否能滿足克服生產(chǎn)阻力的需要，并為后面的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。在機(jī)構(gòu)力分析的教學(xué)中，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法是調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，提高學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力的有效途徑之一。

為了將任務(wù)驅(qū)動(dòng)法引入機(jī)構(gòu)力分析的教學(xué)中，需要對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行改革，針對(duì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。教學(xué)設(shè)計(jì)的主要工作有：任務(wù)的構(gòu)建、課堂教學(xué)設(shè)計(jì)和大作業(yè)的設(shè)計(jì)三個(gè)方面。

一、任務(wù)的構(gòu)建

一個(gè)良好的任務(wù)是順利開展教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)，而不合適的任務(wù)則會(huì)造成事倍功半的情況。因此，任務(wù)的構(gòu)建是基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的教學(xué)設(shè)計(jì)的核心。

在傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)力分析教學(xué)中，也有力分析的例子，這些例子一般選用的都是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)或曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)或曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為機(jī)構(gòu)力分析的例子，主要考慮的是機(jī)構(gòu)比較簡單，便于介紹基本方法和流程。但以鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)或曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為任務(wù)并不合適。不合適的原因有兩方面。一方面，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與工程結(jié)合的不夠緊密。實(shí)際上，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在工程中的應(yīng)用也很多，但通常只是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一部分，所以，不好對(duì)應(yīng)具體的機(jī)器。另一方面，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分析過程稍顯簡單。任務(wù)偏簡單，完成起來難度就比較低，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

機(jī)械原理是一門面向工程的技術(shù)基礎(chǔ)課程，任務(wù)活動(dòng)中心需要貼合工程實(shí)際，才能在實(shí)際教學(xué)過程中引起學(xué)生的興趣，驅(qū)動(dòng)學(xué)生努力完成任務(wù)。因此，在構(gòu)建任務(wù)時(shí)，需要選擇更貼合實(shí)際工程的任務(wù)。牛頭刨床機(jī)構(gòu)、壓床六桿機(jī)構(gòu)和顎式破碎機(jī)等機(jī)構(gòu)都是某機(jī)器的執(zhí)行部分，相對(duì)于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)更貼近工程實(shí)際。在實(shí)際教學(xué)中采用這些機(jī)構(gòu)作為機(jī)構(gòu)力分析的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，可以更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。牛頭刨床機(jī)構(gòu)、壓床六桿機(jī)構(gòu)和顎式破碎機(jī)等都是六桿機(jī)構(gòu)，而鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是四桿機(jī)構(gòu)。六桿機(jī)構(gòu)比四桿機(jī)構(gòu)要復(fù)雜，其力分析的過程也更難一些，對(duì)學(xué)生更有挑戰(zhàn)性。

另外，在設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，一些細(xì)節(jié)也要注意與工程接軌。例如：移動(dòng)副的摩擦角和轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦圓，在傳統(tǒng)課程教學(xué)中，為了方便計(jì)算，往往取統(tǒng)一的值。而在實(shí)際工程中，移動(dòng)副的摩擦角和轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦圓的取值與其裝配結(jié)構(gòu)相關(guān)，并不一定相同。因此，在設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，這些細(xì)節(jié)也盡量跟工程靠攏，真正實(shí)現(xiàn)與實(shí)際工程接軌。

二、課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)

在機(jī)構(gòu)力分析的內(nèi)容中應(yīng)用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行教學(xué)，課堂教學(xué)也要有針對(duì)性地重新設(shè)計(jì)。課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的主要工作有兩方面：任務(wù)的引入和完成；機(jī)構(gòu)力分析方法轉(zhuǎn)向以解析法為主。

應(yīng)用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法后，在本章開始的時(shí)候，需要結(jié)合任務(wù)開始教學(xué)。先介紹任務(wù)的基本信息，然后通過完成任務(wù)的需要說明章節(jié)內(nèi)容的工程意義。為了完成機(jī)構(gòu)力分析，需要學(xué)生掌握構(gòu)件慣性力的確定方法（包括一般力學(xué)法和質(zhì)量代換法）、運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定方法（包括移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副和平面高副中摩擦力的確定方法）和考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析方法。在介紹時(shí)，應(yīng)該給出這幾部分知識(shí)與任務(wù)完成流程的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，明確后續(xù)教學(xué)的目的性。在介紹構(gòu)件慣性力的確定、運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定和考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析的內(nèi)容時(shí)，也應(yīng)將任務(wù)按相應(yīng)流程逐步完成，保證教學(xué)過程的前后呼應(yīng)。

機(jī)構(gòu)力分析的具體方法包括矢量圖解法和解析法兩種方法。矢量圖解法通過繪制力多邊形完成求解，是一種機(jī)構(gòu)力分析的常用方法。解析法首先列出力平衡方程，然后通過求解方程完成分析，也是機(jī)構(gòu)力分析中常用的方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，矢量圖解法的缺點(diǎn)日益放大，在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來越少；而與之對(duì)應(yīng)，解析法的優(yōu)勢(shì)日益突出，在實(shí)際工程中的應(yīng)用范圍越來越廣。因此，在教學(xué)中從貼近工程的需要出發(fā)，將原來矢量圖解法和解析法并重轉(zhuǎn)為以解析法為主，以便學(xué)以致用。

三、大作業(yè)的設(shè)計(jì)

采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行教學(xué)后，課程作業(yè)也需要進(jìn)行改革，將原來只需完成課本上的作業(yè)題改為完成相應(yīng)的大作業(yè)。大作業(yè)的題目也選用牛頭刨床機(jī)構(gòu)、壓床六桿機(jī)構(gòu)和顎式破碎機(jī)等機(jī)構(gòu)，但要注意與課堂教學(xué)中的任務(wù)區(qū)分開來。

機(jī)械原理課程一般有一個(gè)配套的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)——機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)。機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)主要目的是為學(xué)生在完成課堂教學(xué)基本內(nèi)容后提供一個(gè)較完整的從事機(jī)械設(shè)計(jì)初步實(shí)踐的機(jī)會(huì)。在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)完成機(jī)械傳動(dòng)方案總體設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析和綜合等任務(wù)，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)方面的初步訓(xùn)練。機(jī)構(gòu)力分析的大作業(yè)實(shí)際上與機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的部分內(nèi)容是重疊的。因此，為了不讓學(xué)生重復(fù)完成兩次同樣的任務(wù)，將機(jī)構(gòu)力分析的大作業(yè)與機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)接軌，機(jī)構(gòu)力分析的大作業(yè)作為機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的任務(wù)之一。

在機(jī)構(gòu)力分析的課堂教學(xué)中轉(zhuǎn)變?yōu)橐越馕龇橹鳎瑸榱伺c課堂教學(xué)保持一致，機(jī)構(gòu)力分析的大作業(yè)也同樣要求采用解析法完成。針對(duì)解析法的特點(diǎn)，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)力分析的時(shí)候，不能像原來采用矢量圖解法一樣只做幾個(gè)位置的力分析，而是要按一個(gè)循環(huán)周期，完成各個(gè)位置的力分析。另外，在各個(gè)位置的力分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完成受力變化圖的繪制，并基于數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行簡單的分析。

四、結(jié)論

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力，我們基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行了機(jī)構(gòu)力分析的教學(xué)改革實(shí)踐。針對(duì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的特點(diǎn)，進(jìn)行了任務(wù)的構(gòu)建、課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)和大作業(yè)的設(shè)計(jì)三個(gè)方面的改革。通過教學(xué)改革，提高了學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)力分析知識(shí)的應(yīng)用能力。

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