机械原理课程教学质量的教学改革
摘要：机械原理是一门研究机械共性问题的主干基础课，为学习机械设计和从事机械制造工作提供了必不可少的基础知识。为了提高教学质量，教学过程中应重视绪论课的作用，调动学生的学习兴趣；通过完善实验课程内容加深学生对理论知识的理解，提高其动手能力和设计创新能力；充分发挥教学团队的作用，实现科研与教学的有机结合。
关键词：机械原理；教学质量；创新能力；教学团队
机械原理是机械类各专业必修的一门重要的技术基础课程，不仅在本科整个教学计划中起到承上启下的作用，而且肩负着培养机械类人才的开发创新能力的重要任务。主要研究机械的一般共性问题，旨在使学生掌握各种常用机构的工作原理、机构运动学和机器动力学分析方法，初步具备进行机械传动系统方案分析和设计的能力，从而为今后从事机械方面的设计、制造和研究奠定知识基础和工程素质，在机械类专业的教学环节中具有非常重要的作用。机械原理课程以往的授课方式主要为课程面授的传统教学方式，为了培养学生的机械创新思维，提高其实践创新能力，机械原理课程的主要任务由原来的机构分析转向机构设计，需要学生掌握的内容越来越多，而机械原理课程的教学学时却进行了大幅度的缩减[1]。本校机械原理的理论授课课时由原来的56学时缩减到48学时，为了获得良好的教学效果、提高教学质量，本文对机械原理课程的教学方式和方法进行了一定的改革和探索。
一、重视绪论课的教学设计
作为机械原理的第一堂课，绪论课在整个教学环节中具有举足轻重的地位，是贯穿整个课程内容体系的一条主线。良好的绪论课教学不仅能够使学生全面、深入地了解机械原理课程的重要性以及课程的研究内容，同时可以帮助学生掌握学习机械原理的科学方法。通过对绪论课的教学环节加以设计，使其形象生动并且富有感召力，从而调动学生的学习积极性，有助于培养学生的创新能力[2]。绪论课的教学方式上，借助多媒体教学手段，不仅活跃了课堂气氛，还能够开阔学生的眼界，使学生在较短时间内获得较大信息量。机械类专业以男生居多，大多数男生对汽车非常感兴趣，而且机械原理课程中对于机构的结构分析和运动分析又是以汽车发动机为研究对象，因此“投其所好”，采用3D动画演示世界名车的发动机的工作过程，帮助学生直观、生动地了解发动机的工作原理，由此激发出学生的学习兴趣，学习效果事半功倍。绪论课的教学内容上，除了阐述清楚机械原理课程的研究对象、基本内容、课程性质，以及学习该课程的目的和方法外，对授课重点、难点以及课程各章节的课时规划也进行了梳理，便于学生合理安排学习时间。在已有教学经验的基础上，对往届学生在学习过程中遇到的困难和常见错误进行总结，从而帮助本届学生避免出现类似错误，少走弯路。例如，在学习机械原理课程之前，学生已经有了理论力学方面的知识储备，在对机构各点的位移、速度、加速度进行分析时，学生习惯用理论力学的思维模式来解决机械原理中的运动学问题。然而，机械原理与理论力学在运动学分析上的表达方式和求解方法存在差异，如果不能明确二者之间的区别和联系，学生非但做不到举一反三，还容易发生概念混淆，给学习带来困难。在对移动副两个构件重合点间的速度进行求解时，学生对于动点动系的选择以及牵连角速度的求解存在疑问，机械原理与理论力学对相对运动原理的描述方法不同，因而所选择的动点和动系不同，运动之间的关系不同，所列的矢量方程也不相同；在对加速度进行分析时，机械原理采用图解法来求解矢量方程，通过选择比例尺绘制矢量图来确定未知参数，而理论力学利用投影法，将矢量等式转化为标量等式来进行求解[3]。在绪论课教学中提前指出机械原理课程与先驱课程之间的联系和区别，有助于学生提高学习效率。此外，绪论课中对贯穿整个课程的一些重要概念进行了重点讲解，包括机械、机器、机构、零件、构件、运动链等概念。构件可以由一个零件组成，比如计算机上的一个键；也可以由若干个零件组装而成，例如汽车发动机上的齿轮和轴通过键连接在一起作为一个整体转动即为一个构件；两个或者两个以上的构件通过运动副连接而构成的可相对运动的系统即为运动链；将运动链中的某一构件加以固定使其成为机架，这种运动链便成为机构，凡是机构都具有确定的运动，连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构等都是常用机构；机器是能够实现预期运动并完成特定作业任务的机构系统，相对于机构而言，机器除具有传递运动和力的功能之外还可以传递能量、物料和信息；机械是机器和机构的总称[4]。只有明确了这些基本概念之间的联系和区别，才能更好地体会本课程的学习目的和任务，并且为后续机械系统方案的分析与设计奠定坚实的理论基础。
二、完善实验课程内容
机械原理实验与理论教学有密切的联系，是重要的实践教学环节[5]。通过实验课，加强学生的感性认识、巩固基本概念、理解基本原理、掌握机构分析和综合设计的基本方法。机械原理实验注重培养学生的动手能力和独立分析解决问题的能力，对培养其创新思维和综合素质起着关键作用[6]。为此，本课程将实验课由原来的8学时增至16学时，在已有的验证性实验的基础上，增加了参观实验以及综合性、设计性创新实验。在教学过程中发现很多学生对于常用机构不熟悉，对机械还缺乏感性的认识，面对课本上的平面图形，难以对各种机构的运动特性以及机械的组成形成形象、直观的画面。通过增设参观实验，带领学生参观机械原理陈列室，向其展示大量丰富的机构模型、真实机械以及机电一体化设备，帮助学生对抽象的运动、具体的机构获得较全面、清晰的认识和理解。新增加的组合机构创新设计实验通过对实际机构的应用设计和搭接加深对不同机构运动特性的理解。通过对实际机构的应用设计和搭接，加深对不同机构运动特性的理解；通过对典型机构的组装，掌握活动连接、固定连接的结构和特点，培养实际动手能力和现场应变能力；通过实验的多方案设计培养发散思维和创新设计能力[7]。此外，还增设了“机构仿真设计综合实验”，将ADAMS软件引入实验教学，学生采用软件建立机构模型，通过预设边界条件并加以仿真分析，得到机构特定点在运动过程中的位移、速度和加速度、作用力等的变化曲线，从而确定其运动特性。在此基础上，根据仿真结果对机构运动设计方案进行优化，整合实验室现有资源进行实物搭接和动画演示，采用仪器对机构指定点的运动曲线进行测量，并将其与仿真结果进行比对。学生在仿真模拟与实验验证的过程中充分体会到自主探究学习的乐趣，获得成就感，既培养了学生的创新设计意识和能力，又激发出学生的求知欲和探索欲。此外，采用ADAMS三维软件设计、分析机构的运动规律，不仅求解迅速、避免了烦琐的计算过程，而且补充了图解法、解析法的不足，有效解决学生对机构运动特性不容易理解和掌握的问题，并且为后续的课程设计打下良好的基础。
三、发挥教学团队的作用
在讯息迅猛发展的今天，仅仅凭借教师个人的学习和探索是远远不够的，教学团队在教学中的作用和地位日益彰显，是提高教学水平和教学质量的重要保障。为此，本校组建了一支知识技能互补、梯队结构合理的机械原理教学团队。通过教学团队实现教学经验交流和知识共享，一方面为青年教师配备教学导师，老教师言传身教，青年教师通过助课等方式认真学习老教师的教学经验，老教师指导青年教师提升教学技能，充分发挥教学名师的示范引领作用；另一方面，老教师通过与青年教师的交流与讨论获得学科最新前沿动态，更新观念和知识。此外，教学团队中每位教师的研究方向不同，通过了解和学习其他教师的研究课题，并将其与课程各章节内容进行匹配，将课本理论知识与工程实践相结合，让学生充分感受到学以致用的乐趣，丰富的研究课题便于实现科研与教学的相互结合。
四、结语
在机械原理的教学过程中，通过对绪论课的教学内容和方式进行设计，帮助学生深入理解本课程的性质和目的，同时掌握科学的学习方法，提高学习效率；通过合理规划实验项目，有效提高学生的综合分析能力和创新能力，充分调动学生的学习积极性；通过组建教学团队提高教师的业务水平，丰富教学资源，将科研与教学有机结合。总之，需要不断探索新的教学手段和方式、不断反思，总结经验，以期在教学实践中不断提高教学质量。
参考文献：
[1]王素玲，吕凤霞.创新思维的机械原理课程教学模式的探索[J].教育教学论坛，2011（9）:113-114.
[2]冯志友，金国光，杨世明，等.机械原理绪论课教学设计及组织的探讨与实践[J].太原理工大学学报：社会科学版，2008，26（s1）:61-63.
[3]方俊，吴小平.机械原理与理论力学中运动学部分的比较与总结[J].教育教学论坛，2013（52）:96-97.
作者：刘雨薇 单位：中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院
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