平面四桿機構的基本特性說課設計

花純利 曹國華 劉后廣 朱真才

摘? 要 以“平面四桿機構的基本特性”為例，從說教材、說學情、說教法和說教學過程四個方面設計說課內容，為廣大青年教師進行說課教學活動提供參考。

關鍵詞 說課;平面四桿機構;教材;機械設計基礎

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）18-0047-03

1 前言

說課是各高校廣泛展開教學研討活動的主要方式之一，通過說課這一教學活動，不僅可以加深任課教師對教學內容的理解，而且可以提高課堂教學質量。說課是促進教學、教研改革的重要方式，是教學活動中不可缺少的環節。說課是教師在有限時間內用簡明扼要的語言，根據當前學生的實際情況，準確地圍繞“教什么”“怎么教”和“為什么這樣教”展開[1]。說課是教師必備的一項重要專業技能，可以有效提高教師備課質量和課堂教學水平，促進教師自身素質拓展和教學改革[2]。

說課有別于備課和上課，是位于二者之間的一個重要教學環節，即能夠對備課進行及時檢查和深化，又是上課前的準備和基礎。通過說課教研活動，不僅能夠調動教師投身教學研究、理論學習和課堂教學鉆研的積極性，有效促進教師教學能力不斷提升和進步，而且可以提高教學管理人員與教研員的綜合素質[3]。在進行說課時，既可以某一門的課程為對象，也可以課程中的某一章或某一節內容為對象。

本文以中國礦業大學材料科學與工程專業必修專業基礎課程機械設計基礎中的“平面四桿機構的基本特性”為例，從說教材、說學情、說教法和說教學過程四個方面分析說明說課的設計思路。筆者希望本文的說課設計方法和內容能為國內普通高校廣大教師進行說課教學活動提供參考。

2 說教材

機械設計基礎是面向全校材料、熱能、安全和采礦等近機械類專業開設的一門必修專業基礎課，主要講述常用機構和通用零件的工作原理、結構特點、基本設計理論和設計方法等內容。本課程是對機械制圖、工程材料及機械制造基礎、理論力學、材料力學和金工實習等基礎理論知識和實踐技能的綜合運用，也為模具設計與制造、材料設計方法和課程設計等專業課的教學奠定基礎[4]。因此，機械設計基礎在對近機械類專業人才培養過程中起到承上啟下的作用，是非常重要的一門專業基礎課。

本門課選用的教材是由楊可楨、程光蘊、李仲生和強瑞明主編，高等教育出版社出版的《機械設計基礎》（第六版）。該教材是“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材，是根據教育部有關機械設計基礎課程的教學基本要求，結合各高校使用該教材的實踐經驗修改而成的，廣泛適用于各高校近機械類專業學生學習。

“平面四桿機構的基本特性”是該教材第二章第二節的內容，主要包括鉸鏈四桿機構有整轉副的條件、急回特性、壓力角和傳動角以及死點位置四個知識點。本節內容在學習“平面四桿機構的基本類型及其應用”知識點的基礎上進行講授，也是學習下一節“平面四桿結構的設計”以及下一章“凸輪機構”等后續課程的理論基礎和精華。因此，本節課是第二章“平面連桿機構”內容的核心，是機械設計基礎課程學習的重點，在本課程學習過程中起到承上啟下的作用。

3 說學情

本課程授課的對象是材料、熱能、安全和采礦等近機械類專業二年級本科大學生，他們普遍存在缺少生產實踐經歷，對工程實際了解甚少，但對日常生活中的一些機械裝置有著初步的認知。學生已經學習了“平面機構的自由度和速度分析”和“平面四桿機構的基本類型及其應用”，對平面四桿機構的基本概念和基本應用有了初步的認識，為學習平面四桿機構的基本特性奠定知識基礎。但是，學生對平面四桿機構中的整轉副和極位夾角的基本概念不易理解，容易在對平面四桿機構的基本特性分析和運動設計時出現錯誤。這就要求教師在教學過程中生動形象、深入淺出地進行分析和講解。

大部分學生在認識過程中缺乏主動性，但是具備較強的好奇心，較容易被新鮮的事物所吸引。教師在教學過程中應抓住學生的這一特點，運用生動有趣的情境引起學生的好奇心，把他們的注意力帶入課程內容中，并引導他們發揮學習的主動性。此外，學生還缺乏抽象思維，理解平面四桿機構的基本特性將有一定難度，理論聯系實際將會更難;但是他們已經學過機械制圖、工程材料及機械制造基礎、理論力學、材料力學和金工實習等課程，具備一定的基礎知識。

4 說教法

基于本節內容的特點和授課學生的情況，教學時首先幫助學生創設情境、設計活動并提出問題，激發學生的好奇心，通過問題將他們引入本節課的學習內容中來;其次，用日常生活中常見的機械裝置來生動形象地詮釋本節中難以理解的抽象線條圖案和理論知識，如用牛頭刨床、往復式輸送機和縫紉機等熟知的機構來理解抽象的知識會變得較容易;再次，在授課過程中采用教具演示、播放多媒體動畫和工廠的教學錄像等形式，使學生通過具體實物和工程實際來學習理論知識，通過這些生動的形式使得學生對具體平面四桿機構有一定的感性認識，然后從具體實物和工程機械中對平面四桿機構的基本特性進行分析和推導;最后，將學習到的理論知識和工程實際相結合，廣泛進行深入分析、討論和動手實踐，進一步鞏固在課堂上所學的知識點。

5 說教學過程

教學過程通過以下六個步驟逐步展開。

第一步：知識回顧。展示公共汽車的車門開關、牛頭刨床、縫紉機踏板和電風扇搖頭等日常生活中的典型機構，并提出一系列問題：這些平面四桿機構的名稱分別是什么？分別屬于哪個基本類型？什么是曲柄？什么是搖桿？通過這些問題回顧平面四桿機構的基本類型及其應用的主要知識。

第二步：提出問題。從上述問題中可以看出，鉸鏈平面四桿機構三種基本類型的區別就在于機構中有幾個曲柄存在。據此，可以向學生發問：“鉸鏈四桿機構中整轉副存在的條件是什么？”“曲柄搖桿機構中的搖桿速度為什么是變速運動？”“不同四桿機構傳力性能有何區別？”等等。通過這些問題激起學生的好奇心和興趣，讓他們帶著問題來學習本節課要講的主要知識點。

第三步：分析推導。通過教具的演示、動畫的播放，讓學生直觀觀察各種鉸鏈四桿機構中各桿的長短關系、連接關系和運動傳遞方向等。曲柄做回轉運動，曲柄和機架相連的轉動副可整周回轉，則該運動副就是整轉副。整轉副存在條件的推導過程如下。

首先，演示曲柄搖桿四桿機構，在模型演示過程會發現曲柄和連桿會有兩次共線的情況出現，如圖1所示。曲柄與連桿各共線情況下，四桿機構均會構成一個封閉三角形。

然后，根據三角形任意兩邊之和一定大于第三邊的定理，可得曲柄的桿長l1和其他三個構件桿長l2、l3、l4的關系：

l1+l4≤l2+l3，l1+l3≤l2+l4，l1+l2≤l3+l4。不等式兩兩相加可得：l1≤l2，l1≤l3，l1≤l4。

最后，通過分析發現，鉸鏈四桿機構有整轉副的條件是最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和，而且整轉副就是由最短桿和其相鄰桿組成的。

在播放牛頭刨床、往復式輸送機等機械時，發現這些機械中的曲柄搖桿機構具有急回特性，急回特性顯著程度的判斷依據推導過程如下。

首先，轉動圖1曲柄搖桿機構中的曲柄，發現曲柄和連桿兩次共線時搖桿分別運動到其左、右極限位置。當曲柄由位置AB1順時針轉到位置AB2時，從動件搖桿從其左極限位置C1D運動到其右極限位置C2D，曲柄轉過的角度為φ1=180°+θ。其中θ=∠C1AC2，它是從動件搖桿在其左右極限位置所對應連桿之間的夾角，常被稱為極位夾角。當曲柄由位置AB2繼續順時針轉到位置AB1時，從動件搖桿將由其右極限位置C2D運動到其左極限位置C1D，這時曲柄轉過的角度卻為φ2=180°-θ。

然后通過分析比較發現：搖桿在其左右極限位置往復擺動時，雖然搖桿擺角相同，但對應的曲柄轉角不相等，φ1=>φ2。當曲柄勻速轉動時，搖桿從左極限位置C1D運動到右極限位置C2D的平均角速度ω1，比從右極限位置C2D運動到左極限位置C1D的平均角速度ω2小，表明搖桿具有急回運動特性。機械中經常應用這種急回特性來縮短非生產時間以達到提高生產率的目的。

最后，應用行程速度變化系數K來描述機構的急回運動特性，即，或。從該式可知θ與K之間存在一一對應關系，且機構的極位夾角θ越大，K就越大，機構的急回運動的性質也越顯著。

第四步：得出結論。1）從上述分析中可得出鉸鏈四桿機構中整轉副存在的條件是：最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和;整轉副是由最短桿與其相鄰桿組成的。2）曲柄搖桿機構中急回特性越顯著，需要其極位夾角θ越大。

第五步：實際應用。以實際生活中具體機構為例，進行學習討論，使學生了解曲柄搖桿機構會在哪些機構中被應用。工程和生活實際中有時需要用到曲柄搖桿機構的急回特性;有曲柄存在的機構中一定有整轉副存在;若以搖桿為原動件，曲柄搖桿的死點位置在實際中被應用，從而引出整轉副、急回特性以及死點位置的知識點。

第六步：課后拓展。為了鞏固課堂上所講授的知識點，課后學生以小組合作方式制作曲柄搖桿機構并完成本章相關習題。

6 結語

作為介于備課和授課兩個教學環節之間的教學研究活動，說課對提高教師教學素質、課堂教學質量和實現教學工作整體優化具有重要意義。本文基于“平面四桿機構的基本特性”內容和學生的具體特點對說課環節進行設計，多年的教學實踐證明，這種說課形式能夠取得良好的教學效果。

參考文獻

[1]羅曉杰.說課及其策略[J].教育科學研究，2005（2）：40-43.

[2]唐偉，韓敏.平面機構自由度說課[J].科技創新導報，2011（21）：163.

[3]尹合棟.說課評價量規的設計與應用[J].現代教育技術，2012（12）：35-39.

[4]楊可楨，程光蘊，李仲生，等.機械設計基礎[M].6版.北京：高等教育出版社，2013：1-20.