應(yīng)用型高校力學(xué)在機(jī)械原理課程中的教學(xué)探討

摘要：文章分析力學(xué)課程與機(jī)械原理課程之間的相關(guān)聯(lián)系，探討應(yīng)用型高校力學(xué)課程教學(xué)中教師如何讓知識(shí)融會(huì)貫通，并提出通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法、強(qiáng)化案例等實(shí)踐，提高學(xué)生的理論水平、實(shí)踐能力及解決問題的能力，從而使學(xué)生更好地適應(yīng)工程領(lǐng)域的需求。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型高校；力學(xué)；機(jī)械原理

一、力學(xué)知識(shí)在機(jī)械原理課程中的應(yīng)用

（一）約束與運(yùn)動(dòng)副的聯(lián)系

在力學(xué)中，物體在空間的運(yùn)動(dòng)受到一定限制，對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)所預(yù)加的限制條件稱為約束。約束是通過物體相互接觸的方式形成，比如自行車上車輪與軸的連接、齒輪傳動(dòng)中的輪齒嚙合等。這種連接方式使兩構(gòu)件相互限制了彼此的相對(duì)移動(dòng)，只允許有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。而在機(jī)械原理中，兩個(gè)構(gòu)件直接接觸并且組成的可動(dòng)的連接稱為運(yùn)動(dòng)副。約束與運(yùn)動(dòng)副存在一定的聯(lián)系，平面機(jī)構(gòu)常用運(yùn)動(dòng)副及約束數(shù)如表1所示。

（二）力學(xué)模型的簡化與機(jī)構(gòu)簡圖的繪制

在對(duì)實(shí)際的力學(xué)問題進(jìn)行分析時(shí)，學(xué)生要將實(shí)際的力學(xué)問題抽象化為力學(xué)模型，而力學(xué)模型的簡化，直接影響計(jì)算過程及結(jié)果。在機(jī)械原理中，機(jī)構(gòu)是由許多構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副連接而成的。在分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了清晰地表示在機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況、構(gòu)件的組成及分類，通常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖（用規(guī)定的符號(hào)和簡單的線條表示構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)特征的圖形）來表示。在繪制機(jī)構(gòu)簡圖時(shí)，人們往往需要清晰地表示出機(jī)構(gòu)的類型、構(gòu)件組成的數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副的類型和位置。比如內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖由主體機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（氣缸、活塞、連桿和曲柄）組成。弄清楚了內(nèi)燃機(jī)的構(gòu)造，選定視圖平面，學(xué)生才能繪制出正確的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖繪制過程實(shí)質(zhì)上是對(duì)實(shí)際工程機(jī)械進(jìn)行認(rèn)知的過程。借助機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，人們可以建立機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型。由實(shí)際力學(xué)問題簡化到力學(xué)模型，從表面來看模型簡化并不復(fù)雜，但透徹地理解它是很不容易的。力學(xué)模型的簡化和機(jī)械簡圖有著諸多相同之處，教師要傳授力學(xué)和機(jī)械原理之間的研究方法，如何講、講什么、如何應(yīng)用都需要深入思考與總結(jié)，并通過力學(xué)模型的簡化和機(jī)構(gòu)簡圖的講授，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際問題建立模型的能力。

（三）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的任務(wù)是在已知機(jī)構(gòu)尺寸及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的情況下，確定機(jī)構(gòu)中其他構(gòu)件上某些點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度和加速度。機(jī)構(gòu)的速度和加速度分析依據(jù)的基本原理是力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)合成原理，比如曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄或連桿的運(yùn)動(dòng)、機(jī)床的工作臺(tái)移動(dòng)等。通常物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度各不相同，但同一個(gè)物體上各點(diǎn)之間是存在相互聯(lián)系的。在力學(xué)中，運(yùn)動(dòng)的物體可抽象化為剛體，工程機(jī)械中平動(dòng)和定軸轉(zhuǎn)動(dòng)是最常見的剛體簡單運(yùn)動(dòng)。剛體的平面運(yùn)動(dòng)可以看作是平動(dòng)和定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的合成。工程中有很多平面運(yùn)動(dòng)剛體的構(gòu)件，比如凸輪機(jī)構(gòu)的頂桿、刨床機(jī)構(gòu)的曲柄等，同一個(gè)構(gòu)件相對(duì)不同參考系的運(yùn)動(dòng)是不同的。在力學(xué)中，通常用點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來分析物體相對(duì)于不同參考系之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，但難點(diǎn)是如何選取動(dòng)點(diǎn)和動(dòng)系。由于力學(xué)教學(xué)會(huì)接觸到機(jī)械原理中大量的機(jī)構(gòu)，教師應(yīng)結(jié)合力學(xué)理論和機(jī)械原理課程，融會(huì)貫通地講授，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)課程間存在的聯(lián)系。教師通過已有的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行力學(xué)簡化，使學(xué)生清楚地意識(shí)到動(dòng)點(diǎn)和動(dòng)參考系不能選在同一個(gè)物體上是分析平面運(yùn)動(dòng)分析的關(guān)鍵點(diǎn)，這樣可以更好地開展運(yùn)動(dòng)分析。

二、力學(xué)在機(jī)械原理課程中的應(yīng)用

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

應(yīng)用型高校應(yīng)根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)合理優(yōu)化內(nèi)容，加強(qiáng)力學(xué)課程與專業(yè)課程的緊密結(jié)合，將有限課時(shí)集中于講授力學(xué)的關(guān)鍵基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，講透力學(xué)理論對(duì)機(jī)械原理課程的重要性，使學(xué)生掌握平面機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基本理論和基本方法，并將這些知識(shí)應(yīng)用在復(fù)雜工程問題時(shí)簡化推導(dǎo)過程，突出重點(diǎn)內(nèi)容，盡量做到教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性、邏輯性和全面性。這就要求教師不僅要有扎實(shí)的力學(xué)知識(shí)，還需要精通機(jī)械原理知識(shí)。

機(jī)械原理四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，實(shí)際上就是力學(xué)中運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。在力學(xué)中，在某瞬時(shí)平面運(yùn)動(dòng)剛體上速度為零的點(diǎn)稱為平面剛體在該瞬時(shí)的瞬心。由于剛體在不斷運(yùn)動(dòng)，其上各點(diǎn)的速度隨時(shí)間在不斷變化，所以某瞬時(shí)的速度瞬心雖然在這一瞬時(shí)速度為零，但到了下一瞬時(shí)，其速度不再為零，因而也就不再是瞬心了。在一般情況下，剛體在作平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，每一瞬時(shí)總有一點(diǎn)是速度瞬心，速度瞬心在平面運(yùn)動(dòng)剛體上是隨時(shí)間而改變的。學(xué)生是否正確理解瞬心的定義，決定了其能否找到平面運(yùn)動(dòng)剛體的瞬心。

在講授平面運(yùn)動(dòng)速度分析時(shí)，教師要把瞬心的概念講透徹，同時(shí)把結(jié)合構(gòu)件的幾何條件及運(yùn)動(dòng)情況來確定瞬心位置的幾種方法講清楚，幫助學(xué)生更好地掌握?qǐng)D解法機(jī)構(gòu)的速度分析。比如，在講授平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度，教師要依據(jù)力學(xué)概念對(duì)通過運(yùn)動(dòng)副直接相連的兩構(gòu)件間的瞬心定義來確定其位置，而對(duì)于不通過運(yùn)動(dòng)副直接相連的兩構(gòu)件間的瞬心，可以借助“三心定理”來確定瞬心的位置。這樣，教師可以幫助學(xué)生把力學(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用在機(jī)械原理課程中，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力。

（二）改進(jìn)教學(xué)方法

在力學(xué)課程教學(xué)過程中，教師不僅要優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，還需要改進(jìn)教學(xué)方法。傳統(tǒng)的教學(xué)方法通常以教師講授為主，教學(xué)內(nèi)容單一，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏感性認(rèn)識(shí)，加大了對(duì)知識(shí)的領(lǐng)悟和理解困難，而且教材中過于理想化、模型化的題目與工程實(shí)際聯(lián)系脫節(jié)，學(xué)生很難對(duì)力學(xué)課程的實(shí)際應(yīng)用性作直觀的判斷。

在課前，教師依據(jù)教學(xué)目標(biāo)有針對(duì)性地選擇教學(xué)資源，制作相應(yīng)的課件，科學(xué)地設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)。如在運(yùn)動(dòng)學(xué)這一部分，學(xué)生如果直接想象機(jī)構(gòu)中的一個(gè)運(yùn)動(dòng)連桿及其上某一點(diǎn)的軌跡、速度是比較困難的。教師可以利用多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)資源，播放動(dòng)畫視頻，或引入一些日常生活或工程實(shí)際中常見的實(shí)例，讓學(xué)生了解零件實(shí)物和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。同時(shí)，教師可以借助“學(xué)習(xí)通”提前下發(fā)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生思考。

（三）強(qiáng)化案例教學(xué)

根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，教師結(jié)合機(jī)械類專業(yè)課程建設(shè)規(guī)劃，強(qiáng)化案例教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。力學(xué)的概念和定理來源于實(shí)踐，教師采用案例教學(xué)，結(jié)合一定的工程實(shí)際背景，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)分析問題、解決問題。案例教學(xué)是機(jī)械原理課程的重要組成部分，能夠幫助學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程中。下面，筆者以螺旋副的受力來分析自鎖。如圖1所示，當(dāng)有摩擦?xí)r，支承面對(duì)平衡物體的約束力包含法向約束力FN和切向約束力FS（即靜摩擦力），這兩個(gè)力的合力稱為全約束力FRA。全約束力FRA與接觸面法線的夾角達(dá)到其最大值φf，這個(gè)角稱為兩接觸物體的摩擦角。當(dāng)作用在物塊上的全部主動(dòng)力的合力FRA的作用線在摩擦角φf之內(nèi)，物體依靠接觸面間相互作用的摩擦力與全反力，自己把自己卡緊，無論外力多大都不會(huì)松開的現(xiàn)象稱為自鎖。

螺紋連接靠的就是自鎖性，機(jī)械原理中矩形螺紋的牙型角為0°。如圖2所示，假設(shè)一個(gè)外載荷Fa作用在螺母上，轉(zhuǎn)動(dòng)螺母相當(dāng)于給螺母施加一個(gè)轉(zhuǎn)矩T1。將螺母看作滑塊，如圖3所示，根據(jù)螺旋副形成的原理，將螺桿沿著中徑展開會(huì)得到一個(gè)斜面，這個(gè)螺母相當(dāng)于在斜面上運(yùn)動(dòng)。根據(jù)力學(xué)，滑塊受到垂直向下的外載荷Fa，轉(zhuǎn)矩作用到滑塊形成的水平切向力F，斜面對(duì)滑塊支撐的法向力FN，相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力μFN，法向力和摩擦力的合力看成總反作用力Fr，法向力相對(duì)于垂直面的夾角就是螺紋升角。滑塊承受荷載沿斜面勻速下滑時(shí)，所需水平支持力為F=Fatan（λ+ρ）。當(dāng)要讓滑塊勻速下滑，F(xiàn)為負(fù)值，只有給滑塊施加與F相等、方向相反的外力，滑塊才會(huì)勻速下滑。也就是說，如果不施加外力，無論載荷有多大，滑塊都不會(huì)自動(dòng)下滑。由此可以得出螺紋自鎖的條件，要使螺紋自鎖，螺旋升角小于或等于摩擦角。對(duì)于連接用的螺紋，人們希望它是自鎖的，即如果人們把螺母擰緊之后，不施加反方向的力矩，螺母不會(huì)自己松脫。自鎖現(xiàn)象在機(jī)械工程中具有重要的意義，工程實(shí)際中通常應(yīng)用自鎖條件設(shè)計(jì)一些機(jī)構(gòu)和夾具使它自動(dòng)“卡住”，如千斤頂、圓錐銷等。機(jī)械原理課程具有與實(shí)例結(jié)合的特點(diǎn)，加強(qiáng)案例教學(xué)，可以達(dá)到將力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的效果。

本文探討了應(yīng)用型高校中力學(xué)課程在機(jī)械原理中的應(yīng)用，從具體的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)方法等方面入手，優(yōu)化課程改革，讓學(xué)生完全理解課程知識(shí)點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。然而，教學(xué)改革是一個(gè)長期而復(fù)雜的過程，需要不斷探索和實(shí)踐，應(yīng)用型高校應(yīng)繼續(xù)深入研究力學(xué)在機(jī)械原理中的應(yīng)用，探索適合培養(yǎng)應(yīng)用型人才的道路。

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基金項(xiàng)目：2022年青島恒星科技學(xué)院校級(jí)教改項(xiàng)目“理論力學(xué)在機(jī)械類相關(guān)專業(yè)的應(yīng)用分析與探究”，項(xiàng)目編號(hào)：HXJY2022J089。