高職類機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)方法創(chuàng)新探析

張勝泉 孫學(xué)娟 宋亞杰

摘? 要：針對高職類機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)特點，分析教學(xué)基礎(chǔ)與環(huán)境，以平面連桿機(jī)構(gòu)模塊的教學(xué)過程為例，從教學(xué)內(nèi)容、方法、實施及拓展等方面進(jìn)行設(shè)計與實踐，表明科學(xué)合理地設(shè)計教學(xué)模塊和切換教學(xué)方法，對提高學(xué)生的興趣和能力具有較大幫助。

關(guān)鍵詞：高職;機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程;平面連桿機(jī)構(gòu);教學(xué)方法

中圖分類號：G712? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-3769（2020）03-099-04

一、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程定位及現(xiàn)狀

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)是一門綜合性、應(yīng)用性、理論性和實踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要針對機(jī)械類及近機(jī)類專業(yè)的學(xué)生開設(shè)，具有承上啟下的作用。其前序課程為機(jī)械制圖、工程力學(xué)、工程材料，后續(xù)課程為機(jī)械零部件設(shè)計測繪、典型機(jī)構(gòu)設(shè)計、數(shù)控機(jī)床機(jī)械安裝與調(diào)試等課程，并服務(wù)于高年級課程、畢業(yè)設(shè)計等模塊，為從事機(jī)械設(shè)計、設(shè)備管理等崗位工作提供技術(shù)支持。高職機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程，課時設(shè)置56學(xué)時，以常見機(jī)械及通用零部件為研究對象，內(nèi)容涵蓋機(jī)械原理、設(shè)計兩部分，核心知識點包括常用機(jī)構(gòu)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、連接和螺旋傳動等，常用機(jī)械傳動類型包括軸系零部件的結(jié)構(gòu)和用途，與設(shè)計相關(guān)的摩擦、磨損、潤滑、密封。該課程的理論性較強(qiáng)，力學(xué)分析計算較多，對制圖、識圖能力要求較高。為此，對該課程大部分高校在課程教學(xué)方法上以理論講解為主，雖然采用了基于工作過程的教學(xué)方法[1]、混合式教學(xué)模式[2]、微信平臺[3]等多種教學(xué)模式，但學(xué)生對課程的理解還停留在理論層面。部分高校能夠安排一次實訓(xùn)課，但涉及不到各個模塊知識點，實訓(xùn)效果不甚理想，比如混合式教學(xué)模式，主要混合了“面對面教學(xué)”“網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)”和“實踐”三種方式來實施教學(xué)，但這些教學(xué)方式偏重線上教學(xué)，和線下課程的講授，而對實踐教學(xué)則不涉及。此處的實踐教學(xué)是指，一方面要利用實訓(xùn)平臺搭建及演示，另一方面要將知識點落在生活實際，加強(qiáng)對理論內(nèi)容理解的深度，強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用。

與本科學(xué)生相比較，高職學(xué)生群體具有鮮明的特點例如理論學(xué)習(xí)興趣低、學(xué)習(xí)的自主性較差，普遍對學(xué)習(xí)成績不甚關(guān)心，較少考慮繼續(xù)深造，對就業(yè)前景關(guān)心不夠，因此線下課堂表現(xiàn)差強(qiáng)人意。但他們動手能力強(qiáng)，愿意互動，受到鼓勵時學(xué)習(xí)興趣會明顯增強(qiáng)。因此教師有效督促和引導(dǎo)對高職學(xué)生的學(xué)習(xí)效果至關(guān)重要。針對我校特色，筆者對機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)進(jìn)行了深入研究，并以平面連桿機(jī)構(gòu)這一模塊為例，對教學(xué)方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，經(jīng)過初步的嘗試，取得了一定效果。

為加強(qiáng)機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程的實訓(xùn)教學(xué)工作，籌建了機(jī)構(gòu)設(shè)計與裝調(diào)實訓(xùn)室。該實訓(xùn)室針對機(jī)械設(shè)計原理模塊設(shè)計了LHJY-A機(jī)械原理基礎(chǔ)實驗創(chuàng)新綜合實訓(xùn)平臺，針對機(jī)械設(shè)計模塊設(shè)計了LHJSKS機(jī)械設(shè)計課程創(chuàng)意及組合實訓(xùn)臺、LHJKT-B插齒與滾齒一體機(jī)實訓(xùn)臺及CQX——B創(chuàng)意組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真實驗箱等。這些實訓(xùn)平臺涵蓋了機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程全部章節(jié)模塊的教學(xué)內(nèi)容，可構(gòu)思設(shè)計平面機(jī)構(gòu)、齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動、軸系、齒輪箱等設(shè)計方案并實現(xiàn)組裝，可完成各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)思與測量繪制，同時配置了兩組通用機(jī)構(gòu)零部件展示柜，在教學(xué)過程中可通過模型展示來加深學(xué)生的理解。

二、平面連桿機(jī)構(gòu)模塊的教學(xué)探究與實踐

平面連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械設(shè)備中常見的一種機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)械原理模塊內(nèi)容，是“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”課程前期教學(xué)的重要模塊。連桿機(jī)構(gòu)是由若干桿狀構(gòu)件組成，制造簡便，且具有靈活多樣的組合方式，適合長距離傳動及低速且精密性要求不高的一般工業(yè)領(lǐng)域，尤其在動物足部、鳥類翅膀仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計中有重要應(yīng)用，部分構(gòu)件還可以用凸輪和滑塊代替，進(jìn)一步拓展了其使用范圍。基于我校的實訓(xùn)室硬件條件，對高職數(shù)維專業(yè)開設(shè)的機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程 以4學(xué)時聯(lián)排進(jìn)行模塊化設(shè)計，用頭腦風(fēng)暴法、講授法、任務(wù)工單法、分組實踐法、自學(xué)講解法、微課等教學(xué)，實現(xiàn)了對平面連桿機(jī)構(gòu)線下教學(xué)方法的探究。

1.平面連桿機(jī)構(gòu)模塊的教學(xué)內(nèi)容

平面連桿機(jī)構(gòu)模塊教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)課程是平面機(jī)構(gòu)自由度分析，在學(xué)生學(xué)會運動簡圖繪制、自由度計算的基礎(chǔ)上，掌握平面連桿機(jī)構(gòu)的概念、組成、分類及動力特性。其中平面連桿機(jī)構(gòu)的動力特性包括桿長之和條件、行程速比系數(shù)、壓力角及死點等，為本課程的重點及難點，其分類也是課程的重點。講解主要針對運動簡圖，學(xué)生一般不易透徹理解運動特性的推導(dǎo)過程，也不易理解運動特性的實際效果和意義，因而在教學(xué)設(shè)計過程中要考慮對課程重點的全面掌握與課程難點的突破。筆者對平面連桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容利用思維導(dǎo)圖進(jìn)行梳理，如圖1所示，形成模塊的脈絡(luò)結(jié)構(gòu)使學(xué)生容易掌握。

2. 平面連桿機(jī)構(gòu)模塊的教學(xué)方法實施

為加強(qiáng)連桿機(jī)構(gòu)展示的直觀性，徐洪[4]使用了內(nèi)磁性鉸鏈機(jī)構(gòu)在黑板上進(jìn)行實驗教學(xué)，桿件可快速裝拆，并可搭建多種機(jī)構(gòu)，但學(xué)生參與程度并不高。于曉紅[5]從備課、教學(xué)策略、教學(xué)流程等方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，并對學(xué)生進(jìn)行分組，但實訓(xùn)教具使用較為簡單的硬紙板和大頭釘制作鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，與工程實踐有一定的差距。筆者在此基礎(chǔ)上，利用LHJY-A機(jī)械原理基礎(chǔ)實驗創(chuàng)新綜合實訓(xùn)平臺，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化分割，針對不同的模塊實施不同的教學(xué)方法，合理設(shè)置教學(xué)重難點，每個模塊設(shè)定好時間邊界，邊界區(qū)間讓學(xué)生完成部分習(xí)題或者任務(wù)工單來轉(zhuǎn)換學(xué)生的注意力。

平面連桿機(jī)構(gòu)教學(xué)設(shè)計的具體實施方案可分為課前復(fù)習(xí)、課程導(dǎo)入、自學(xué)初步概念、動手實踐不同機(jī)構(gòu)、實踐總結(jié)，教師講授桿長之和條件，學(xué)生講解急回特性，講授壓力角，觀看微課——機(jī)構(gòu)的死點及其應(yīng)用，最后進(jìn)行課程總結(jié)。課堂總計180分鐘，4學(xué)時聯(lián)排。各模塊的時間分配方案如圖2所示。

板書復(fù)習(xí)模塊主要對上節(jié)課內(nèi)容進(jìn)行回顧，為本節(jié)課內(nèi)容作鋪墊，復(fù)習(xí)機(jī)構(gòu)的組成、運動副的定義及分類、機(jī)構(gòu)自由度計算公式等內(nèi)容，采用頭腦風(fēng)暴法進(jìn)行提問。然后順利切換至課程導(dǎo)入模塊，將日常生活接觸到的平面連桿機(jī)構(gòu)與本節(jié)課內(nèi)容建立聯(lián)系，列舉油田抽油機(jī)、縫紉機(jī)、俯仰雷達(dá)等機(jī)構(gòu)，總結(jié)其共同點，以講授法進(jìn)行引導(dǎo)。為了加強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，考慮連桿機(jī)構(gòu)分類容易上手的特點，使用自學(xué)講解法，由學(xué)生自學(xué)完成，并由一名學(xué)生完成連桿機(jī)構(gòu)分類及應(yīng)用的闡述講解。

以上模塊完成后，學(xué)生容易進(jìn)入倦怠期。應(yīng)組織學(xué)生進(jìn)行分組實踐，以實訓(xùn)指導(dǎo)書為依據(jù)，組織學(xué)生完成不同連桿機(jī)構(gòu)的組裝，在實踐過程中發(fā)現(xiàn)知識、學(xué)習(xí)知識，同時加強(qiáng)學(xué)生的決策能力及團(tuán)隊協(xié)作意識。注意做好實訓(xùn)室環(huán)境的設(shè)計和學(xué)生的引導(dǎo)工作，要求學(xué)生記錄過程，完成任務(wù)工單（實訓(xùn)報告），并由老師進(jìn)行實踐總結(jié)和講授，用學(xué)生搭建的模型引導(dǎo)學(xué)生思考不同連桿機(jī)構(gòu)的成因。在思考過程中，順利過渡到桿長之和條件講授模塊。本模塊是本節(jié)課的重點難點之一，以教師講授為主，學(xué)生需要理解結(jié)論得出的過程，并通過任務(wù)工單計算練習(xí)、實測連桿實物長度并驗證桿長之和條件等多種任務(wù)方式鞏固本模塊內(nèi)容。

完成任務(wù)工單后，進(jìn)入急回特性自學(xué)講解模塊。急回特性也是本節(jié)課的重點和難點，挑選學(xué)生板演并講解行程速比系數(shù)的推導(dǎo)過程，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)實物運動過程的急回特性，并通過完成任務(wù)工單方式予以鞏固。

通過講解踩縫紉機(jī)踏板感受死點的案例，引入機(jī)構(gòu)死點及其應(yīng)用模塊內(nèi)容。先觀看教師錄制的微課，了解機(jī)構(gòu)死點定義及優(yōu)缺點，然后講授壓力角和傳動角的基礎(chǔ)理論來詮釋機(jī)構(gòu)死點的內(nèi)涵，并輔以板書、實物模型方式進(jìn)行討論和答疑。微課視頻同步分享至網(wǎng)絡(luò)云平臺讓學(xué)生課下進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固。最后進(jìn)行本節(jié)課的“課程總結(jié)”，采用提問、板書、PPT展示等方式，強(qiáng)化學(xué)生對本節(jié)課內(nèi)容的記憶。課程教學(xué)過程中，不間斷地利用LHJY-A機(jī)械原理基礎(chǔ)實驗創(chuàng)新綜合實訓(xùn)平臺，從搭建模型感知到使用模型加深理解，動靜結(jié)合，調(diào)動學(xué)生積極性和參與度。

總之，在整體的教學(xué)實施過程中，作為授課教師的筆者始終強(qiáng)調(diào)將抽象的平面連桿機(jī)構(gòu)與現(xiàn)實生活中的實例建立聯(lián)系。因為新知識的學(xué)習(xí)必須以已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，比如講曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時要和油田抽油機(jī)、汽車雨刷器、俯仰雷達(dá)等現(xiàn)實生活的機(jī)構(gòu)建立聯(lián)系;講雙曲柄機(jī)構(gòu)時要和振動篩、火車車輪、汽車車門啟閉機(jī)構(gòu)建立聯(lián)系;講雙搖桿機(jī)構(gòu)時要和鶴式起重機(jī)、汽車轉(zhuǎn)向器建立聯(lián)系;講曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時要和汽車發(fā)動機(jī)建立聯(lián)系;講機(jī)構(gòu)死點時要讓聯(lián)系踩縫紉機(jī)踏板遇到的問題;講急回特性時要和慣性篩、牛頭刨床等實際機(jī)器建立聯(lián)系。這樣設(shè)計教學(xué)模塊和教學(xué)方法的切換，使知識的傳授深入淺出，會讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程產(chǎn)生濃厚的興趣。

3.平面連桿機(jī)構(gòu)模塊的教學(xué)拓展

通過以上的教學(xué)實施，還會有學(xué)生有疑問，例如平面連桿機(jī)構(gòu)在實際生活有何用處。為了吸引學(xué)生的興趣，在課程總結(jié)及拓展的環(huán)節(jié)，引入一個與生活非常貼近的平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計案例——雨傘，引導(dǎo)學(xué)生對該實例進(jìn)行創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計思考。結(jié)合之前課程所學(xué)的平面機(jī)構(gòu)自由度分析，讓學(xué)生完成機(jī)構(gòu)運動簡圖的繪制、機(jī)構(gòu)自由度分析，然后展示近年來比較流行的反轉(zhuǎn)骨架雨傘的設(shè)計方案，給學(xué)生觀看相應(yīng)的視頻，理解反轉(zhuǎn)骨架雨傘的優(yōu)勢。指導(dǎo)學(xué)生從機(jī)構(gòu)分析角度繪制出反轉(zhuǎn)骨架雨傘的機(jī)構(gòu)運動簡圖。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的雨傘機(jī)構(gòu)運動原理是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3所示，反轉(zhuǎn)骨架雨傘機(jī)構(gòu)運動原理依然是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，但運動軌跡有變化，如圖4所示。

從近年來學(xué)生對教學(xué)效果的反饋看，反轉(zhuǎn)骨架雨傘設(shè)計原理的引入，讓學(xué)生把理論學(xué)習(xí)與生活實際聯(lián)系起來，多個班級學(xué)生對反轉(zhuǎn)骨架雨傘的設(shè)計感興趣，并有部分學(xué)生結(jié)合電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、滾珠絲杠傳動技術(shù)等，進(jìn)行了課下的“新型多功能反向全自動雨傘”科技創(chuàng)新項目的產(chǎn)品開發(fā)，達(dá)到了學(xué)以致用的效果。

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