“铰链四杆机构的基本性质”之教学探讨

李铭

传统的教学方法是就书本而书本，因枯燥无味，使学生产生了厌学情绪。针对这种情况，本人在担任《机械设计基础》课程教学工作多年的时间里，不断总结，发现了一些好的教学办法，取得了良好的课堂效果，非常受学生们的欢迎。现简单介绍一下《机械设计基础》课程中的“铰链四杆机构的基本性质”一节新的教学方法。

一、教材分析

1、地位作用

本节课是《机械设计基础》课程的重要知识点，是“平面四连杆机构”的核心，也是对铰链四连杆机构的进一步理解和认识。这些基本机构是四杆机构设计和分析的基础，将越来越多的被应用于自动化操作及工程运输机械中，也会为学生在今后工作中的创新发展打下良好的基础。

2、教学目标

知识目标：1）掌握并运用曲柄存在的条件，判断铰链四连杆机构的类型；2）掌握急回特性，行程速比系数的含义；3） 掌握死点产生的条件及应用。

能力目标：1）培养学生观察、分析及综合归纳能力；2）培养学生主动探索、协作学习的能力。

思想目标：培养学生对学习活动的情感偏好，主动参与的意识和科学、严谨、细致的工作作风，使学生树立辩证唯物主义的世界观和方法论。

3、重点难点

由曲柄是否存在条件来判断出机构的类型是本节课的重点。急回特性原理分析、行程速比系数的影响因素，都要求学生有严谨细致的抽象思维能力，是本节课的难点。

4、教材处理

本着突出重点和突破难点的原则，我对教材做了如下处理：（1）通过平面四连杆机构教具直观演示与生产实践相结合的方法，引导学生循序渐进、步步深入。通过观察、分析、归纳、总结，得到曲柄存在的条件、急回特性和死点产生的原因。（2）为使急回特性产生的条件简单易懂，我还补充讲了急回特性系数这一概念。

二、教法设计

主要采用直观演示和启发式教学方法，通过生产实例—创新问题情境—提出问题—探究验证—归纳总结—实践应用等环节，使学生顺利地掌握上述重点，消化难点并用“引导——激励”方式引导学生发现问题，激励学生解决问题。教学手段采用模型直观教学和多媒体辅助教学。

三、学法指导

1、通过教师采取的创新、形象、生动的教学氛围，让学生能主动参与，积极探索，善于思考，协作学习，从而提高学生分析问题、解决问题的能力。

2、采用提取旧知—积极思维—实验探索—构建新知—巩固深化的教学方法。

四、教学过程

在导入本节课时，教师应首先提出一个复习性的问题：

“铰链四连杆机构的基本类型有哪些？”当学生一一答出后，接着请学生将提前准备好的硬纸板、图钉、剪子……制作出这些机构。由于学生不了解四连杆机构的性质，所以制作中存在着盲目性，会遇到困难，教师顺势导出新课：“本节课我们就来解决它，学习铰链四连杆机构的基本性质”。这样安排新课的导入，目的在于有意给学生设置困难，希望学生解决，故而使学生对新课产生兴趣，提高学习效果。

（一）曲柄存在的条件

这是本节课的重点知识，采用教师引导，学生自主探索的方式完成教学目标。教师引导学生发现问题，又和学生在一起找到了解决问题的钥匙，激励学生去敲开知识的大门，寻找答案。从而培养了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。推论这部分，教材上没有给出转动副的概念，但此概念有助于推论知识的理解，所以教师应先给学生补充上。若AB是曲柄，则A、B是周转副，C、D是摆动副。若固定的是最短杆的相邻杆，A是转动副，于是得到了曲柄摇杆机构；若固定最短杆件，A、D是转动副，于是得到了双曲柄机构；若固定最短杆的相对杆，A、D是摆动副，于是得到了双摇杆机构。

请学生用填空的方式完成推论知识的归纳总结，这样做会使基础知识得到了及时的练习，强化了重点内容。接着，趁热打铁，请同学们完成开始未完成的制作。由于有了理论知识作指导，学生会感觉到有的放矢，体会到“知识就是力量”，从而培养了学生对学习知识的渴望情感。

课堂布置一道与铰链四杆机构有关的综合性实践题目，拓展学生的能力，并且使学生在做题中意识到，在曲柄摇杆机构中，曲柄可以是主动件，摇杆也可以是主动件。这为学生下边将要学习的两个问题做了铺垫——急回特性就是曲柄是主动件的情况下，摇杆的运动特点；而第二个问题死点位置是在摇杆是主动件的情况下产生的。

（二）急回特性和行程速比系数

这是本节课的难点，采取教师引导学生发现问题、解决问题；根据结论分析问题；举例、探讨消化问题的教学思路等。

急回特性的典型应用是牛头刨床，对于此，教材上只是一提，但要了解此机构就要从机构的演化谈起。

牛头刨床的运动就是根据曲柄摇杆机构的急回运动原理制成的。刨刀安装在横梁上，速度较慢的工作行程用于切削；速度较快的空回行程，用于刨刀迅速复位，节省了大量辅助时间，提高了生产效率。其实，曲柄摇杆机构的这一特性在我们日常生活中的应用还很多，如冲床、液压泵等。

现场放再放一段牛头刨床正在工作的画面效果会更好。

在曲柄摇杆机构中，当摇杆CD趋于无穷大时，C点不能做弧线运动吗？不能，它只是做直线运动，这就是曲柄滑块机构。

在一些重型机械中，由于普通的转动副的直径较小，不能传递很大的载荷。在这两种情况下，往往将转动副B扩大为一个圆盘，其直径超过曲柄半径AB之长，即下图的偏心轮结构。

教师的抛砖引玉，将进一步引导学生进行发散性思维，促使他们对曲柄摇杆机构展开热烈的讨论，以达到能力提升的目的。

（三）死点的位置

这是本节课的了解性内容。教师首先用实例使学生对死点位置有感性认知，从而完成由感性认识上升到理性认识的思维过程。

现举两个例子进行讲解：1、缝纫机脚踏板机构；2、工件的夹紧机构

有了前邊的两个实例，学生对死点位置的概念较易理解。教材中死点位置的概念，是以曲柄摇杆为蓝本，描述的内容较多，教师还应引导学生归纳出能揭示死点位置本质的概念：即驱动力对从动件的有效回转力矩为零，这一概念有助于对死点位置进行有效分析。

板书设计：

1、曲柄存在的条件：

a + d≤b + c

a + b≤d + c

a + c≤b + d

则推算出：a ≤b

a ≤c

a ≤d

由此可知，在四连杆机构中，要使连架杆成为曲柄，须具备如下两个条件：（1）连架杆与机架中必有一个是最短杆；（2）最短构件与最长构件的长度之和必小于或等于其余两构件的长度之和。

根据曲柄存在的条件，我们还可以做出以下推论。（1）如果铰链四连杆机构中，最短构件与最长构件的长度之和小于或等于其余两构件的长度之和，则可有以下三种情况：a.以与最短构件相邻的构件为机架时，则该机构为曲柄摇杆机构；b.以最短构件为机架时，该机构为双曲柄机构；c.以与最短构件相对的构件为机架时，该机构为双摇杆机构。（2）如果铰链四连杆机构中，最短构件与最长构件的长度之和大于其余两构件的长度之和，则无论以哪一构件为机架，均为双摇杆机构。

2、急回特性

1）当θ=0°时，K=1，无急回特性 2）当θ>0°时，K>1，有急回特性

3、死点

若以摇杆为主动件，且处于连杆与曲柄共线时，此时传动角γ=0°，不论用多大的力都不能使曲柄转动，即产生了顶死现象。

4、实践应用

a.野外摄影车座斗升降机构；b.港口鹤式起重机； c.颚式破碎机机构和冲压机构；d.冲床中的曲柄滑块机构

结论：课后进行总结回顾，并引导学生对所学知识进行小结，形成完整的知识体系。教师点出本节课的知识主线。曲柄摇杆机构，以曲柄为主动件，有急回特性；以摇杆为主动件，有死点位置。使学生对本节课的设计思路有了进一步深刻和清晰的认识，起到了画龙点睛的作用。endprint