機械原理課程教學質量的教學改革

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摘要：機械原理是一門研究機械共性問題的主干基礎課，為學習機械設計和從事機械制造工作提供了必不可少的基礎知識。為了提高教學質量，教學過程中應重視緒論課的作用，調動學生的學習興趣；通過完善實驗課程內容加深學生對理論知識的理解，提高其動手能力和設計創新能力；充分發揮教學團隊的作用，實現科研與教學的有機結合。

關鍵詞：機械原理；教學質量；創新能力；教學團隊

機械原理是機械類各專業必修的一門重要的技術基礎課程，不僅在本科整個教學計劃中起到承上啟下的作用，而且肩負著培養機械類人才的開發創新能力的重要任務。主要研究機械的一般共性問題，旨在使學生掌握各種常用機構的工作原理、機構運動學和機器動力學分析方法，初步具備進行機械傳動系統方案分析和設計的能力，從而為今后從事機械方面的設計、制造和研究奠定知識基礎和工程素質，在機械類專業的教學環節中具有非常重要的作用。機械原理課程以往的授課方式主要為課程面授的傳統教學方式，為了培養學生的機械創新思維，提高其實踐創新能力，機械原理課程的主要任務由原來的機構分析轉向機構設計，需要學生掌握的內容越來越多，而機械原理課程的教學學時卻進行了大幅度的縮減[1]。本校機械原理的理論授課課時由原來的56學時縮減到48學時，為了獲得良好的教學效果、提高教學質量，本文對機械原理課程的教學方式和方法進行了一定的改革和探索。

一、重視緒論課的教學設計

作為機械原理的第一堂課，緒論課在整個教學環節中具有舉足輕重的地位，是貫穿整個課程內容體系的一條主線。良好的緒論課教學不僅能夠使學生全面、深入地了解機械原理課程的重要性以及課程的研究內容，同時可以幫助學生掌握學習機械原理的科學方法。通過對緒論課的教學環節加以設計，使其形象生動并且富有感召力，從而調動學生的學習積極性，有助于培養學生的創新能力[2]。緒論課的教學方式上，借助多媒體教學手段，不僅活躍了課堂氣氛，還能夠開闊學生的眼界，使學生在較短時間內獲得較大信息量。機械類專業以男生居多，大多數男生對汽車非常感興趣，而且機械原理課程中對于機構的結構分析和運動分析又是以汽車發動機為研究對象，因此“投其所好”，采用3D動畫演示世界名車的發動機的工作過程，幫助學生直觀、生動地了解發動機的工作原理，由此激發出學生的學習興趣，學習效果事半功倍。緒論課的教學內容上，除了闡述清楚機械原理課程的研究對象、基本內容、課程性質，以及學習該課程的目的和方法外，對授課重點、難點以及課程各章節的課時規劃也進行了梳理，便于學生合理安排學習時間。在已有教學經驗的基礎上，對往屆學生在學習過程中遇到的困難和常見錯誤進行總結，從而幫助本屆學生避免出現類似錯誤，少走彎路。例如，在學習機械原理課程之前，學生已經有了理論力學方面的知識儲備，在對機構各點的位移、速度、加速度進行分析時，學生習慣用理論力學的思維模式來解決機械原理中的運動學問題。然而，機械原理與理論力學在運動學分析上的表達方式和求解方法存在差異，如果不能明確二者之間的區別和聯系，學生非但做不到舉一反三，還容易發生概念混淆，給學習帶來困難。在對移動副兩個構件重合點間的速度進行求解時，學生對于動點動系的選擇以及牽連角速度的求解存在疑問，機械原理與理論力學對相對運動原理的描述方法不同，因而所選擇的動點和動系不同，運動之間的關系不同，所列的矢量方程也不相同；在對加速度進行分析時，機械原理采用圖解法來求解矢量方程，通過選擇比例尺繪制矢量圖來確定未知參數，而理論力學利用投影法，將矢量等式轉化為標量等式來進行求解[3]。在緒論課教學中提前指出機械原理課程與先驅課程之間的聯系和區別，有助于學生提高學習效率。此外，緒論課中對貫穿整個課程的一些重要概念進行了重點講解，包括機械、機器、機構、零件、構件、運動鏈等概念。構件可以由一個零件組成，比如計算機上的一個鍵；也可以由若干個零件組裝而成，例如汽車發動機上的齒輪和軸通過鍵連接在一起作為一個整體轉動即為一個構件；兩個或者兩個以上的構件通過運動副連接而構成的可相對運動的系統即為運動鏈；將運動鏈中的某一構件加以固定使其成為機架，這種運動鏈便成為機構，凡是機構都具有確定的運動，連桿機構、齒輪機構、凸輪機構、棘輪機構等都是常用機構；機器是能夠實現預期運動并完成特定作業任務的機構系統，相對于機構而言，機器除具有傳遞運動和力的功能之外還可以傳遞能量、物料和信息；機械是機器和機構的總稱[4]。只有明確了這些基本概念之間的聯系和區別，才能更好地體會本課程的學習目的和任務，并且為后續機械系統方案的分析與設計奠定堅實的理論基礎。

二、完善實驗課程內容

機械原理實驗與理論教學有密切的聯系，是重要的實踐教學環節[5]。通過實驗課，加強學生的感性認識、鞏固基本概念、理解基本原理、掌握機構分析和綜合設計的基本方法。機械原理實驗注重培養學生的動手能力和獨立分析解決問題的能力，對培養其創新思維和綜合素質起著關鍵作用[6]。為此，本課程將實驗課由原來的8學時增至16學時，在已有的驗證性實驗的基礎上，增加了參觀實驗以及綜合性、設計性創新實驗。在教學過程中發現很多學生對于常用機構不熟悉，對機械還缺乏感性的認識，面對課本上的平面圖形，難以對各種機構的運動特性以及機械的組成形成形象、直觀的畫面。通過增設參觀實驗，帶領學生參觀機械原理陳列室，向其展示大量豐富的機構模型、真實機械以及機電一體化設備，幫助學生對抽象的運動、具體的機構獲得較全面、清晰的認識和理解。新增加的組合機構創新設計實驗通過對實際機構的應用設計和搭接加深對不同機構運動特性的理解。通過對實際機構的應用設計和搭接，加深對不同機構運動特性的理解；通過對典型機構的組裝，掌握活動連接、固定連接的結構和特點，培養實際動手能力和現場應變能力；通過實驗的多方案設計培養發散思維和創新設計能力[7]。此外，還增設了“機構仿真設計綜合實驗”，將ADAMS軟件引入實驗教學，學生采用軟件建立機構模型，通過預設邊界條件并加以仿真分析，得到機構特定點在運動過程中的位移、速度和加速度、作用力等的變化曲線，從而確定其運動特性。在此基礎上，根據仿真結果對機構運動設計方案進行優化，整合實驗室現有資源進行實物搭接和動畫演示，采用儀器對機構指定點的運動曲線進行測量，并將其與仿真結果進行比對。學生在仿真模擬與實驗驗證的過程中充分體會到自主探究學習的樂趣，獲得成就感，既培養了學生的創新設計意識和能力，又激發出學生的求知欲和探索欲。此外，采用ADAMS三維軟件設計、分析機構的運動規律，不僅求解迅速、避免了煩瑣的計算過程，而且補充了圖解法、解析法的不足，有效解決學生對機構運動特性不容易理解和掌握的問題，并且為后續的課程設計打下良好的基礎。

三、發揮教學團隊的作用

在訊息迅猛發展的今天，僅僅憑借教師個人的學習和探索是遠遠不夠的，教學團隊在教學中的作用和地位日益彰顯，是提高教學水平和教學質量的重要保障。為此，本校組建了一支知識技能互補、梯隊結構合理的機械原理教學團隊。通過教學團隊實現教學經驗交流和知識共享，一方面為青年教師配備教學導師，老教師言傳身教，青年教師通過助課等方式認真學習老教師的教學經驗，老教師指導青年教師提升教學技能，充分發揮教學名師的示范引領作用；另一方面，老教師通過與青年教師的交流與討論獲得學科最新前沿動態，更新觀念和知識。此外，教學團隊中每位教師的研究方向不同，通過了解和學習其他教師的研究課題，并將其與課程各章節內容進行匹配，將課本理論知識與工程實踐相結合，讓學生充分感受到學以致用的樂趣，豐富的研究課題便于實現科研與教學的相互結合。

四、結語

在機械原理的教學過程中，通過對緒論課的教學內容和方式進行設計，幫助學生深入理解本課程的性質和目的，同時掌握科學的學習方法，提高學習效率；通過合理規劃實驗項目，有效提高學生的綜合分析能力和創新能力，充分調動學生的學習積極性；通過組建教學團隊提高教師的業務水平，豐富教學資源，將科研與教學有機結合。總之，需要不斷探索新的教學手段和方式、不斷反思，總結經驗，以期在教學實踐中不斷提高教學質量。

參考文獻：

[1]王素玲，呂鳳霞.創新思維的機械原理課程教學模式的探索[J].教育教學論壇，2011（9）:113-114.

[2]馮志友，金國光，楊世明，等.機械原理緒論課教學設計及組織的探討與實踐[J].太原理工大學學報：社會科學版，2008，26（s1）:61-63.

[3]方俊，吳小平.機械原理與理論力學中運動學部分的比較與總結[J].教育教學論壇，2013（52）:96-97.

作者：劉雨薇 單位：中國礦業大學（北京） 機電與信息工程學院