机械原理创新教具互动教学思考范文

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《实验技术与管理杂志》2016年第二期

摘要：

结合机械原理理论学习和工程实际联系紧密的特点，以培养学生学习兴趣和综合设计能力为主线，在机械原理教学中教师自创教具，学生自制学具，再将教具、学具与视频、动画等多媒体素材在课堂融合，用最直观的方式让学生参与互动，极大地调动了学生学习的积极性和主观能动性，活跃了课堂气氛，提高了学习效率。

关键词：

机械原理；教具；互动教学；连杆机构；TRIZ

“机械原理”是高等院校机械类专业本专科生必修的一门主干技术基础课，在学生从基础理论学习过渡到研究和解决机械工程技术问题的过程中起着关键性的桥梁作用［1－2］。近年来教师在讲授机械原理的过程中常会被如下2种矛盾现象所困惑：一是课程具有很强的工程性应用性特点，与学生缺乏实践经验相矛盾；二是教学课时少，与课程内容多、教学任务量大相矛盾［3］，于是多媒体技术被普遍地应用于机械原理课程的教学。运用计算机的文字、声音、图片、动画、影像等多媒体功能，可以将难以用语言、板书、挂图描述清楚的内容非常形象生动地解释清楚，应用PPT大大节省教学过程中如推导公式、画图的时间，有限的时间可用来突出重点和突破难点［4－6］。但其缺点也逐渐地显现，上课就像放电影，学生反应不过来，没时间思考也不用想象；教师一劳永逸，创造性的劳动减少［4，7－8］。为此，曹金玲指出：需要将传统教学与CAI教学有机结合［4］；申燚则提出板书、课件和教具三位一体的教学模式［9］。将实物教具乃至学具带进课堂，用具像的、可触摸的实物操作体验帮助学生进行形象思维，将有助于对抽象理论的理解，这是动画或真实场景的视频都无法替代的。为了弥补传统的机械原理教具比较少，吴凡研制了多功能平面机构演示仪［10］，古红星设计了多功能四杆机构组合式教具［11］。由于追求功能尽可能多，导致这些教具体积过大，不方便带入课堂。本文也以四杆机构为例，分享我校将系列实物教具及学生自制学具带进课堂辅以视频、动画的实施方法和体会，同时介绍一种便携、结构简单、多功能的、师生都爱不释手的四杆机构演示教具学具。

1学生自制铰链四杆机构学具

1．1自制铰链四杆学具的实现前一章课程结束时布置每位学生自制一铰链四杆机构，材料不限、自已发掘，下一次课时请带到教室。图1所示是2名学生在展示他们做的四杆机构（左边学生用竹子制作的曲柄摇杆机构最大），图2所示是全班学生操作自制学具。

1．2自制铰链四杆学具的作用（1）首先，是对理论知识的学习有着无可替代的感性认知作用。换机架成不同的机构、存在曲柄的条件、急回、死点、传动角、压力角和四杆机构的设计等知识学习时，学生自己都可以用手头学具帮助自己建立感性的认识，所形成的印象会是刻骨铭心的。（2）对培养学生的工程意识也非常有用。铰链四杆机构中4根杆件的3种连接方式中只有布置在3个平行平面中才是能正常运动的［12］。而布置在2个平行平面及交错平面内的都将无法运动。部分学生会发现自己存在这方面问题，动不了。而这在看flash动画演示时是无法体会到的，只有在“练兵”中才能得“真刀实枪”的体会。（3）对检查学生预习的情况十分奏效。没有要求制作曲柄摇杆机构是有原因的。如果学生自己认真预习，大多做的是曲柄摇杆机构，杆件长度是满足存在曲柄的杆长条件的。而如果没有有效预习，靠拍脑袋随机选定的杆长，则也刚好佐证了要存在曲柄是有条件限制的。（4）自制学具培养了学生的创新精神。自制的铰链四杆机构可谓五花八门，大小各不相同，材料各不相同，学生充分利用了身边的硬纸、笔芯、冰棍棒、铁丝、吸管、塑料板、竹子和木头等，充分发挥了他们的想象力和创造力。（5）使学生获得了自信。每个人拿着自己劳动的成果，脸上都显露着自信，都显得充满活力，虽然制作不复杂，但要运动得顺畅，还得制作得尽可能精细。（6）激发了学生的学习兴趣和求知欲。由图1和图2可见学生兴致高昂，课堂氛围活跃，不会死气沉沉；学生比任何时候都更渴望获得新知识，可以主动地进行发现知识的自学。

2教师自制铰链四杆机构教具

2．1自制铰链四杆教具的实现自制磁性铰链四杆机构教具如图3所示。它是由杆件1、杆件2、杆件3和杆件4组成，每根杆件的首尾两端同一表面各固定一块圆形磁铁6，首尾圆形磁铁6依次相互吸合后，各杆件相对邻接的杆件可绕它们吸合的圆形磁铁6的中心相对转动，作用同铰链，从而构成铰链四杆机构。

2．2自制铰链四杆教具的作用（1）它可以用于理论知识学习时的教学演示。图3所示的两种方案，其一满足铰链四杆机构中存在周转副的杆长条件，换不同杆件为机架可用于曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构的演示，另一种则不满足该杆长条件，只能是双摇杆机构。杆件1上在其两端两块圆形磁铁6之间沿杆长方向可固定一长条形磁铁5，长条形磁铁5的长度不小于杆2两端两块圆形磁铁6中心距的两倍，且长条形磁铁5的一端到靠近它的端部圆形磁铁6之间的距离不大于杆件4上两圆形磁铁6中心距与杆2上两圆形磁铁6中心距的差值，按图4（a）所示方式吸合各磁铁，杆4端与条形磁铁吸合的圆形磁铁6将沿条形磁铁5既转动又滑动，其运动同铰接一滑块，可用于对心曲柄滑块机构运动演示。（2）不占空间，另有它用。图4（a）教具每学期只在讲这一章内容时才用，绝大多数时间都是收藏状态，图4（b）则表示平时不用时的状态，最小占用空间，且可以当磁钉使用，用于在铁质器具表面固定一些物品。（3）向学生展示创新的方法。这个设计利用了TRIZ（拉丁文teoriyaresheniyaizobreatatelskikhzadatch的词头缩写，意思是发明问题解决理论）中的机械系统替代的创新原理（顺带简单地科普一下该理论，此为作者在学校开设的一门公选课），即用磁场联接代替机械的销钉等联接方式，便实现了创新，带来了诸多的好处。虽然是小改进，但当向学生展示该教具时，学生都睁大眼睛，发出惊讶的声音，并表示回去后自己也做个这样的留作纪念，本人则鼓励学生进一步创新。

3其他典型教具

3．1其他典型教具进课堂（1）水稻插秧机四杆分插机构。首先播放一段插秧机插秧时的视频，初步了解其功能；再通过一段利用Pro／E自制的仿真动画观察分插机构的运动；最后出示从插秧机上拆下的一个分插机构，如图5所示。学生可以直观感受曲柄摇杆机构以及所谓的连杆曲线在生产中的应用，了解杆件的结构设计，并思考“为什么”。此教具在动平衡一章中也有应用，曲柄上的平衡块。（2）摩托车的曲轴活塞总成。曲柄滑块机构是铰链四杆机构的一种演化，最典型的工程应用应该就是内燃机了。通过一动画演示四冲程内燃机的工作过程和原理，再向学生展示图6所示的摩托车用曲轴活塞总成。同样，此教具在动平衡一章中也有应用，曲轴平衡块。

3．2其他典型教具进课堂的作用选择典型的、大小适合的教具在课堂上适时地展示给学生，并让学生在课间现场亲身把玩，不仅能让学生理论联系实际，激发学习兴趣，更可以培养他们善于观察、认真严谨的工程素养；还能帮助学生了解结构设计，从而知悉“机械原理”与“机械设计”两门课程间内在的联系，机械原理研究机械运动的“灵魂”———机构运动，而机械设计则是赋予机械“肉体”———装配图和零件图，有助于避免传统教学中两门课间的割裂和孤立。

4结论

实践出真知，多媒体教学素材无法取代实物的切身体验。本文以连杆机构及其设计为例介绍了在“机械原理”教学中教具和学具结合多媒体进行教学的方法和意义。这种教学模式的应用，使学生对机械原理产生了浓厚的兴趣，有了兴趣就有动力。这种动力是由内而外的，是最可持续的，也是最珍贵的。教师为学生在这种动力的驱使下所取得的进步感到高兴，今后还将进一步丰富机械原理的教具、学具，并将此教学模式应用到机械设计等课程的教学中。

作者：周永清 单位：南京农业大学 工学院