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《机械设计基础平面连杆机构自由度计算教学》

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摘要：本文结合技工院校学生的学习特点,对机械设计基础课程中“平面连杆机构自由度计算”的传统教学模式进行分析,指出传统教学模式存在的弊端,并结合自己的教学实践提出新的教学方式.

关键词：自由度计算教学模式教学方式

机械设计基础是技工院校机械类专业的一门重要专业技术基础课程,是一门承上启下的主干课程.该课程不但注重对知识、能力的培养,更注重对创新能力的培养.对于技工院校学生来说,这门课程学习起来颇有难度.例如在“平面连杆机构自由度计算”这一环节的教学中,笔者就发现,有些学生上课能听懂,自己算的时候就犯难；还有些学生也会算,但还是算不对.这些问题的出现不能完全归咎于学生.在近几年的教学中,笔者通过研究分析,总结了传统教学模式存在的弊端；通过摸索实践改进教学方式,对于“平面连杆机构自由度计算”的教学取得了理想的教学效果.现总结如下,以此抛砖引玉.

一、传统教学模式的弊端

多年来,很多学校仍较多地采用传统的教学模式,即教师课堂灌输,学生被动接受.这种教学模式强调知识的系统学习,教师的主导作用,强调三中心（以教师为中心、以课堂为中心、以知识为中心）.这种在20世纪前期就创立的教学模式仍然活跃在现行的教育活动中,正是因为它能满足当前应试教育的诉求,却剥夺了每一位学生与生俱来的“学习权”,培养的学生缺乏探究能力和创新能力,无法适应当今社会发展的需要.技工院校学生主要来自初中阶段文化成绩较差的群体,基础知识薄弱,缺乏学习兴趣,学习主动性差,没有升学压力,在传统教学模式的教育下更是深受其害.目前在机械设计基础的教学中主要存在以下问题：

1.以教师为主体,学生被动学习

传统的教学片面地强调学生的教,形成了以教师为主体的教学关系,整个教学活动都是围着教师转.从学生的角度看,学生是通过教师的传授被动地接受知识,教师教多少就学多少,怎么教就怎么学.教师与学生之间常常处于一种紧张甚至对立的状态,课堂上很少出现言语的交流、观点的交锋和智慧的碰撞,学生缺少独立思考、合作交流、表达己见的机会.久而久之,学生养成了一种“不问为什么”的坏习惯,盲目地相信教师,甚至教师讲错了也不知道.这种教学模式不仅束缚了学生的思维发展,也使学生逐步丧失学习的主动性,甚至产生厌学心理.

2.一味照本宣科,缺乏创新培养

虽然我国的经济发展取得了如此之大的成就,但是在专业领域却没有一个本土的诺贝尔奖获得者.这和我们现行的教育模式有很大的关系,教学以灌输知识为目的,照本宣科,缺乏创新思维的培养与启迪.机械工业发展已有上百年的历史,新的机械产品的设计正是需要不断地创新,然而很多教师却把“教材”当做圣经,以完成教案上的既定内容为任务,害怕“节外生枝”,也就不会引导学生发现问题,不会引导学生提出假设,不会引导学生学会探索,违背了机械设计的宗旨.

3.教学手段欠缺,课堂枯燥乏味

机械专业理论课程专业性强,涉及知识面广,与实践紧密联系,内容较为枯燥.如果教师只是采用始终如一的教学手段,势必会产生一个沉闷的课堂氛围,甚至会出现学生睡倒一片的场景.

二、教学模式的改变

1.以学生为主体,注重启发式教学方式的运用新教学理念强调的是以学生为主体、教师为主导,通过各种手段和方法重新唤醒学生的课堂主人翁意识,充分调动学生的主观能动性.如何做到以学生为主体呢？在“平面连杆结构自由度计算”的教学中一定要注重启发式教学方式的运用.所谓启发式教学方式是指教师在教学过程中根据教学任务和学习的客观规律,从学生的实际出发,采用多种方式,以启发学生的思维为核心,调动学生的学习主动性和积极性,促使他们生动活泼地学习的一种教学指导思想.在启发学生的思维时更要注重学生问题意识的培养.“学起于思,思源于疑”,任何思维都起步于疑问,有了疑问,才会进一步深入学习,才能获得新知识.“小疑则小进,大疑则大进”.在教学时多设置问题,甚至让学生提出问题.提出问题后,让学生自己思考、探索并解决问题,教师则起引导作用,将学生的思维引向正确的方向.

例如在讲局部自由度时,传统教学方法一般是首先讲解局部自由度的概念,然后举例子（见图1）.该凸轮机构中滚子2的转动不影响凸轮1和从动件3之间的运动关系,属于局部自由度,在计算自由度时把它去除；最后计算其自由度为：F等于3n-2P5-P4等于3×2-2×2-1×1等于1.这种循规蹈矩的教学方式,学生虽然可以接受,但是印象不够深刻,直接导致学生对知识点理解不够透彻,更谈不上对知识的运用,以至于换一个新的机构就举手无措了.

同样的知识点,如果预先设置问题,运用启发式教学方式就能收到更好的教学效果.教师可以先不提局部自由度的概念,让学生直接运用公式计算该机构的自由度.由于学生并不知道局部自由度的概念,会认为该机构有3个运动构件和4个运动副（A、C、D处三个低副,B处一个高副）,计算出自由度为：F等于3n-2P5-P4等于3×3-2×3-1×1等于2.F等于2说明该机构需要两个主动件,这个结果和以往我们对凸轮机构的认知很显然是相违背的,于是自然地引出问题等待学生解决.通过学生的思考和教师的引导,最终学生发现问题出在如前所述的滚子2上,重新计算自由度得出正确的结果.

同一知识点不同的教学方式,很显然后者更能使学生获得成就感,增强学生的独立思考能力,激发学习的兴趣.教学效果不言而喻.

2.突出设计理念,加强创新能力的培养

机械设计基础课程的教学一定要将设计思想贯穿于整个教学的始终,使学生初步树立正确的设计思想和创新意识.其中自由度计算的教学不能单纯地以计算出正确的结果为目的,而使学生真正理解自由度的含义,并能运用到机械设计中去才是最终的目的.

如图2 所示, 要求是通过计算该机构的自由度判断其是否具有运动.学生通过计算F等于 3 n -2P5-P4等于3×4-2×6-1×0等于0,得知该机构自由度为0,从而判断出该机构不能运动.如果教学过程到此戛然而止的话,这样的教学效果将大打折扣.教师可以引入学生进入更深层次的思考,该机构为什么不能运动,问题出在哪？如何改进？通过学生的积极思考和探索,最终发现问题出在D点上,因为CE杆上的D点运动轨迹是以E点为圆心的圆弧,而DF杆上的D点运动轨迹是一条竖直方向的直线,同一个点不同的运动轨迹起了冲突,导致该机构无法运动.只要在D点引入一个滑块（见图3）问题就迎刃而解.显然,这样的教学方式可以培养学生发现问题和解决问题的能力,增强学生对机械进行设计的能力,并可以大大激发学生的学习兴趣.

3.变抽象为形象,用多媒体进行辅助教学

众所周知,机械设计基础课程是机械专业课里比较难的一门课,学生普遍反映这门课“难学”“听不懂”,不能在短时间内入门,从而逐步丧失学习兴趣,形成恶性循环.之所难说,是因为这门课综合了机械制图、机械基础等专业基础课的知识,同时要求学生具备一定的实践经验和空间想象能力,这些正是技校生所缺乏的.如果教师还是依靠黑板和粉笔进行空讲的话,教学效果肯定是不理想的.

多媒体教学是一种现代化的教学手段,集文字、图形、动画、视频、声音与一体,有着传统教学无可比拟的优势,可以将抽象的知识变得更加形象生动,更加易于接受,同时可以调动学生的学习积极性,取得事半功倍的效果.学习自由度的计算就是为了研究机构的运动做准备的,但是课本上静止的机构到底是如何运动的,学生难以想象,教师也难以用语言表述.如果能将这些机构的运动过程制成多媒体课件,将这些难以想象和表述的运动过程演示出来,可以显著提高教学效果.笔者曾经为了表述一个机构的运动,尽管讲得口干舌燥,学生还是听得云里雾里,后来将这个机构的运动制成Flash动画演示给学生看,学生才恍然大悟.这正说明了先进的教学手段是需要的,教师辛苦的课前准备也是必要的.

任何事物都是一分为二的,滥用多媒体手段也会降低教学效果.首先,切不可将整个教学过程全部通过多媒体课件来完成.如果课堂上从头到尾都用课件来完成,黑板上一个字也没有,教师就变成了课件的解说员,从而失去了对教学的控制.其次,课件不能过于花哨,这样会分散学生的注意力,干扰学生的学习,从而影响教学效果.最后,课件的使用要选择恰当的时机,并且适可而止.比如讲解一个机构的运动时,学生还没来得及独立思考,就将其运动演示出来,无疑会弱化对学生抽象思维能力的训练,也会使学生对课件产生依赖性.

从近年的教学实践来看,经过上述的教学改革后,在“平面连杆机构自由度计算”的教学中取得了较好的教学效果.当然优秀的教学方法还有很多,需要我们不断地研究和探索.只有这样,机械专业理论课的教学质量才会不断提高.

参考文献：

[1]程军红,赵锦芝.预埋问题逆向教学法在机械原理自由度教学中的应用[J].科技信息,2012(9).

[2]朱伟,胡爱萍,陈爱莲.机械设计基础课程课堂教学方法及评价体系改革研究[J].教育教学论坛,2013(44).

（作者单位：仪征技师学院）

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