高职类机械设计基础课程教学方法创新探析

张胜泉 孙学娟 宋亚杰

摘  要：针对高职类机械设计基础课程教学特点，分析教学基础与环境，以平面连杆机构模块的教学过程为例，从教学内容、方法、实施及拓展等方面进行设计与实践，表明科学合理地设计教学模块和切换教学方法，对提高学生的兴趣和能力具有较大帮助。

关键词：高职;机械设计基础课程;平面连杆机构;教学方法

中图分类号：G712     文献标识码：A    文章编号：2096-3769（2020）03-099-04

一、机械设计基础课程定位及现状

机械设计基础是一门综合性、应用性、理论性和实践性都很强的专业基础课，主要针对机械类及近机类专业的学生开设，具有承上启下的作用。其前序课程为机械制图、工程力学、工程材料，后续课程为机械零部件设计测绘、典型机构设计、数控机床机械安装与调试等课程，并服务于高年级课程、毕业设计等模块，为从事机械设计、设备管理等岗位工作提供技术支持。高职机械设计基础课程，课时设置56学时，以常见机械及通用零部件为研究对象，内容涵盖机械原理、设计两部分，核心知识点包括常用机构的工作原理、结构特点、连接和螺旋传动等，常用机械传动类型包括轴系零部件的结构和用途，与设计相关的摩擦、磨损、润滑、密封。该课程的理论性较强，力学分析计算较多，对制图、识图能力要求较高。为此，对该课程大部分高校在课程教学方法上以理论讲解为主，虽然采用了基于工作过程的教学方法[1]、混合式教学模式[2]、微信平台[3]等多种教学模式，但学生对课程的理解还停留在理论层面。部分高校能够安排一次实训课，但涉及不到各个模块知识点，实训效果不甚理想，比如混合式教学模式，主要混合了“面对面教学”“网络学习”和“实践”三种方式来实施教学，但这些教学方式偏重线上教学，和线下课程的讲授，而对实践教学则不涉及。此处的实践教学是指，一方面要利用实训平台搭建及演示，另一方面要将知识点落在生活实际，加强对理论内容理解的深度，强调学以致用。

与本科学生相比较，高职学生群体具有鲜明的特点例如理论学习兴趣低、学习的自主性较差，普遍对学习成绩不甚关心，较少考虑继续深造，对就业前景关心不够，因此线下课堂表现差强人意。但他们动手能力强，愿意互动，受到鼓励时学习兴趣会明显增强。因此教师有效督促和引导对高职学生的学习效果至关重要。针对我校特色，笔者对机械设计基础课程的教学进行了深入研究，并以平面连杆机构这一模块为例，对教学方法进行详细阐述，经过初步的尝试，取得了一定效果。

为加强机械设计基础课程的实训教学工作，筹建了机构设计与装调实训室。该实训室针对机械设计原理模块设计了LHJY-A机械原理基础实验创新综合实训平台，针对机械设计模块设计了LHJSKS机械设计课程创意及组合实训台、LHJKT-B插齿与滚齿一体机实训台及CQX——B创意组合式轴系结构设计及仿真实验箱等。这些实训平台涵盖了机械设计基础课程全部章节模块的教学内容，可构思设计平面机构、齿轮传动、链传动、带传动、轴系、齿轮箱等设计方案并实现组装，可完成各零部件的结构设计构思与测量绘制，同时配置了两组通用机构零部件展示柜，在教学过程中可通过模型展示来加深学生的理解。

二、平面连杆机构模块的教学探究与实践

平面连杆机构是机械设备中常见的一种机构，属于机械原理模块内容，是“机械设计基础”课程前期教学的重要模块。连杆机构是由若干杆状构件组成，制造简便，且具有灵活多样的组合方式，适合长距离传动及低速且精密性要求不高的一般工业领域，尤其在动物足部、鸟类翅膀仿生结构设计中有重要应用，部分构件还可以用凸轮和滑块代替，进一步拓展了其使用范围。基于我校的实训室硬件条件，对高职数维专业开设的机械设计基础课程 以4学时联排进行模块化设计，用头脑风暴法、讲授法、任务工单法、分组实践法、自学讲解法、微课等教学，实现了对平面连杆机构线下教学方法的探究。

1.平面连杆机构模块的教学内容

平面连杆机构模块教学内容的基础课程是平面机构自由度分析，在学生学会运动简图绘制、自由度计算的基础上，掌握平面连杆机构的概念、组成、分类及动力特性。其中平面连杆机构的动力特性包括杆长之和条件、行程速比系数、压力角及死点等，为本课程的重点及难点，其分类也是课程的重点。讲解主要针对运动简图，学生一般不易透彻理解运动特性的推导过程，也不易理解运动特性的实际效果和意义，因而在教学设计过程中要考虑对课程重点的全面掌握与课程难点的突破。笔者对平面连杆机构的教学内容利用思维导图进行梳理，如图1所示，形成模块的脉络结构使学生容易掌握。

2. 平面连杆机构模块的教学方法实施

为加强连杆机构展示的直观性，徐洪[4]使用了内磁性铰链机构在黑板上进行实验教学，杆件可快速装拆，并可搭建多种机构，但学生参与程度并不高。于晓红[5]从备课、教学策略、教学流程等方面进行教学设计，并对学生进行分组，但实训教具使用较为简单的硬纸板和大头钉制作铰链四杆机构，与工程实践有一定的差距。笔者在此基础上，利用LHJY-A机械原理基础实验创新综合实训平台，将教学内容进行模块化分割，针对不同的模块实施不同的教学方法，合理设置教学重难点，每个模块设定好时间边界，边界区间让学生完成部分习题或者任务工单来转换学生的注意力。

平面连杆机构教学设计的具体实施方案可分为课前复习、课程导入、自学初步概念、动手实践不同机构、实践总结，教師讲授杆长之和条件，学生讲解急回特性，讲授压力角，观看微课——机构的死点及其应用，最后进行课程总结。课堂总计180分钟，4学时联排。各模块的时间分配方案如图2所示。

板书复习模块主要对上节课内容进行回顾，为本节课内容作铺垫，复习机构的组成、运动副的定义及分类、机构自由度计算公式等内容，采用头脑风暴法进行提问。然后顺利切换至课程导入模块，将日常生活接触到的平面连杆机构与本节课内容建立联系，列举油田抽油机、缝纫机、俯仰雷达等机构，总结其共同点，以讲授法进行引导。为了加强学生的自主学习能力，考虑连杆机构分类容易上手的特点，使用自学讲解法，由学生自学完成，并由一名学生完成连杆机构分类及应用的阐述讲解。

以上模块完成后，学生容易进入倦怠期。应组织学生进行分组实践，以实训指导书为依据，组织学生完成不同连杆机构的组装，在实践过程中发现知识、学习知识，同时加强学生的决策能力及团队协作意识。注意做好实训室环境的设计和学生的引导工作，要求学生记录过程，完成任务工单（实训报告），并由老师进行实践总结和讲授，用学生搭建的模型引导学生思考不同连杆机构的成因。在思考过程中，顺利过渡到杆长之和条件讲授模块。本模块是本节课的重点难点之一，以教师讲授为主，学生需要理解结论得出的过程，并通过任务工单计算练习、实测连杆实物长度并验证杆长之和条件等多种任务方式巩固本模块内容。

完成任务工单后，进入急回特性自学讲解模块。急回特性也是本节课的重点和难点，挑选学生板演并讲解行程速比系数的推导过程，引导学生仔细观察曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构实物运动过程的急回特性，并通过完成任务工单方式予以巩固。

通过讲解踩缝纫机踏板感受死点的案例，引入机构死点及其应用模块内容。先观看教师录制的微课，了解机构死点定义及优缺点，然后讲授压力角和传动角的基础理论来诠释机构死点的内涵，并辅以板书、实物模型方式进行讨论和答疑。微课视频同步分享至网络云平台让学生课下进行复习巩固。最后进行本节课的“课程总结”，采用提问、板书、PPT展示等方式，强化学生对本节课内容的记忆。课程教学过程中，不间断地利用LHJY-A机械原理基础实验创新综合实训平台，从搭建模型感知到使用模型加深理解，动静结合，调动学生积极性和参与度。

总之，在整体的教学实施过程中，作为授课教师的笔者始终强调将抽象的平面连杆机构与现实生活中的实例建立联系。因为新知识的学习必须以已有的认知结构为基础，比如讲曲柄摇杆机构时要和油田抽油机、汽车雨刷器、俯仰雷达等现实生活的机构建立联系;讲双曲柄机构时要和振动筛、火车车轮、汽车车门启闭机构建立联系;讲双摇杆机构时要和鹤式起重机、汽车转向器建立联系;讲曲柄滑块机构时要和汽车发动机建立联系;讲机构死点时要让联系踩缝纫机踏板遇到的问题;讲急回特性时要和惯性筛、牛头刨床等实际机器建立联系。这样设计教学模块和教学方法的切换，使知识的传授深入浅出，会让学生在学习过程产生浓厚的兴趣。

3.平面连杆机构模块的教学拓展

通过以上的教学实施，还会有学生有疑问，例如平面连杆机构在实际生活有何用处。为了吸引学生的兴趣，在课程总结及拓展的环节，引入一个与生活非常贴近的平面连杆机构设计案例——雨伞，引导学生对该实例进行创新结构设计思考。结合之前课程所学的平面机构自由度分析，让学生完成机构运动简图的绘制、机构自由度分析，然后展示近年来比较流行的反转骨架雨伞的设计方案，给学生观看相应的视频，理解反转骨架雨伞的优势。指导学生从机构分析角度绘制出反转骨架雨伞的机构运动简图。学生發现，传统的雨伞机构运动原理是曲柄滑块机构，如图3所示，反转骨架雨伞机构运动原理依然是曲柄滑块机构，但运动轨迹有变化，如图4所示。

从近年来学生对教学效果的反馈看，反转骨架雨伞设计原理的引入，让学生把理论学习与生活实际联系起来，多个班级学生对反转骨架雨伞的设计感兴趣，并有部分学生结合电机驱动技术、滚珠丝杠传动技术等，进行了课下的“新型多功能反向全自动雨伞”科技创新项目的产品开发，达到了学以致用的效果。

参考文献：

[1]程萍.高职《机械设计》课程的教学改革与实践[J].当代职业教育，2014（3）：30-33.

[2]章小红.郑淑琴.罗博.基于混合式教学模式的《机械设计基础》课程教学实施[J].科技视界，2017（36）：140-141.

[3]于克强.孙桂兰.陈国辉.基于微信平台的机械设计基础课程教学改革研究与实践[J].课程教育研究，2018（10）：10-11.

[4]徐洪.黑板上搭建平面连杆机构实验装置的设计[J].实验室研究与探索，2016，35（7）：52-55.

[5]于晓红.铰链四杆机构的组成与分类教学设计[J].职业，2016（18）：102-103.