重點(diǎn)高?！稒C(jī)械原理》課程的新思考#

1、中國科技論文在線重點(diǎn)高校機(jī)械原理課程的新思考基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（50875161） 郭為忠作者簡介：郭為忠（1970-），男，教授，主要研究方向：現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、創(chuàng)新設(shè)計(jì). E-mail: wzguoSchool of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院20024013661923441021-34205729上海市東川路800號(hào) 交通大學(xué) 機(jī)動(dòng)學(xué)院wzguo郭為忠（1970-），男，教授，主要研究方向：現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)郭為忠Guo Weizhong郭為忠國

2、家自然科學(xué)基金（50875161）1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51*|*專著*|*鄒慧君.機(jī)械原理M. 北京：高等教育出版社，1999.<CR>2*|*論文集*|*Marco Ceccarelli. Evolution of TMM (Theory of Machines and Mechanisms) to MMS (Machine and Mechanism Science): An Illustration SurveyC. Proceedings of the 11th World Congress in Mechanism and

3、 Machine Science, April 1-4, 2004, Tianjin, China<CR>3*|*專著*|*郭為忠,于紅英.機(jī)械原理M，清華大學(xué)出版社,北京交通大學(xué)出版社，2010.<CR>4*|*論文集*|*郭為忠,梁慶華,鄒慧君. 略論機(jī)電運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品及其概念設(shè)計(jì)方法A. 機(jī)械設(shè)計(jì),2001,18(特輯):50-52, 49<CR>5*|*期刊*|*郭為忠,梁慶華,鄒慧君. 機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)研究J.中國機(jī)械工程, 2002,13(16):1411 -1415<CR>6*|*期刊*|*郭為忠,鄒慧君. 機(jī)電產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)

4、新的人機(jī)協(xié)同研究J.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2002,14(2): 176-180<CR>7*|*期刊*|*鄒慧君,汪利,王石剛,郭為忠.機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)及其方法綜述J.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,1998,14(2):9-12<CR>8*|*期刊*|*鄒慧君,廖武,郭為忠.機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的基本原理J.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,1999,15(3):14-17<CR>9*|*論文集*|*鄒慧君,郭為忠,田永利.廣義機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用前景A.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2000,16(增刊):32-34<CR>10*|*專著*|*鄒慧君.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)手冊(cè)M，北京:高等教

5、育出版社，1998<CR>11*|*專著*|*鄒慧君,郭為忠.機(jī)械原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題選解M，北京：高等教育出版社，2007<CR>12*|*論文集*|*鄒慧君,郭為忠,張青.緊隨機(jī)械學(xué)科發(fā)展，更新教學(xué)體系和內(nèi)容，認(rèn)真編好機(jī)械原理系列教材A. 第六屆機(jī)械類課程報(bào)告論壇,廣州，2011.5.13-15.<CR>13*|*其他文獻(xiàn)*|*郭為忠,鄒慧君,高峰.機(jī)械原理首屆國際奧賽情況匯報(bào)與上海交大教改實(shí)踐簡介R.第六屆機(jī)械類課程報(bào)告論壇,廣州，2011.5.13-15.*|1|郭為忠|Guo Weizhong|上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院|School of Me

6、chanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University|郭為忠（1970-），男，教授，主要研究方向：現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)|上海市東川路800號(hào) 交通大學(xué) 機(jī)動(dòng)學(xué)院|200240|wzguo13661923441重點(diǎn)高校機(jī)械原理課程的新思考|New Thinking and Reforming in Teaching Mechanism and Machine Science|國家自然科學(xué)基金（50875161）- 10 -（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）摘要：機(jī)械原理具學(xué)科性與課程性雙重屬性，要求重點(diǎn)

7、高校教師科教并重，以科研思維貫穿教學(xué)與教改。厘清對(duì)現(xiàn)代機(jī)器本質(zhì)的認(rèn)識(shí)以及機(jī)械原理課程在機(jī)械產(chǎn)品自主創(chuàng)新和領(lǐng)軍人才培養(yǎng)中的重要作用，明確傳統(tǒng)機(jī)器、現(xiàn)代機(jī)器及機(jī)電一體化的內(nèi)在聯(lián)系，以此重塑機(jī)械原理課程教學(xué)。通過課程內(nèi)容的構(gòu)成分析，明確課程教學(xué)目標(biāo)、機(jī)構(gòu)及構(gòu)成要素、課程體系與方法、課堂教學(xué)與課程設(shè)計(jì)配置等，提出重點(diǎn)高校機(jī)械原理課程的教改思路與對(duì)策。關(guān)鍵詞：機(jī)械原理；科研思維；互動(dòng)式教學(xué)；探索式學(xué)習(xí)；系統(tǒng)觀中圖分類號(hào)：G642.0New Thinking and Reforming in Teaching Mechanism and Machine ScienceGuo Weizhong(School

8、 of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University)Abstract: Mechanism and Machine (MMS) Science is of both subject and course that demands that the lecturers in the universities should perform both teaching and research and do teaching in research thinking style. In this paper, the understan

9、ding of the modern machine is investigated, the role of the MMS course is defined in the innovative design process of mechanical products and the fostering of qualified engineers, and then the intrinsic relations among traditional machine, modern machine and mechatronics are revealed that lead the n

10、ew thinking and reforming of the MMS course. The syllabus including the fundmental contents, the course goal, the concept of mechanism and machine, the lectures, the design practice and so on are analyzed and the methodology of the course reforming is proposed.Key words: Mechanism and Machine Scienc

11、e; Research Thinking Style; Interactive Teaching; Learning via Investigation; System View0 引言培養(yǎng)具備扎實(shí)理論基礎(chǔ)、強(qiáng)烈創(chuàng)新意識(shí)和全局創(chuàng)新能力的高端人才是重點(diǎn)高校的三大任務(wù)之一。機(jī)械原理課程作為機(jī)械工程學(xué)科的核心基礎(chǔ)課程之一，討論的對(duì)象是機(jī)構(gòu)與機(jī)器的概念、組成、分析、設(shè)計(jì)等基本理論和方法；而機(jī)構(gòu)性能設(shè)計(jì)與系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中處于創(chuàng)新性極強(qiáng)的設(shè)計(jì)過程前端，要求設(shè)計(jì)師具備全局觀、系統(tǒng)觀、多學(xué)科融會(huì)貫通的大視野觀；其分析與設(shè)計(jì)結(jié)果也處于產(chǎn)品價(jià)值鏈的前端，事關(guān)企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力高低、產(chǎn)品創(chuàng)新程度

12、高低、技術(shù)水平高低、產(chǎn)品附加值高低甚至企業(yè)利潤高低。因此，機(jī)械原理這門課程在培養(yǎng)學(xué)生成為從事現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的性能分析、方案創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)的工程技術(shù)骨干和領(lǐng)軍人才、為我國建設(shè)創(chuàng)新型國家提供機(jī)械裝備與產(chǎn)品自主開發(fā)能力方面具有不可替代的獨(dú)特作用。但是，如何上好機(jī)械原理這門課程，充分發(fā)揮其在高端人才培養(yǎng)方面的重要作用，是一項(xiàng)值得我們認(rèn)真思考的課題。1 對(duì)機(jī)械原理課程的作用與定位的再認(rèn)識(shí)不管現(xiàn)代機(jī)器如何發(fā)展，機(jī)器都是要借助機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的功用，因此實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)是機(jī)器的核心組成部分。以機(jī)構(gòu)和機(jī)器為研究對(duì)象的機(jī)械原理課程在現(xiàn)代機(jī)器設(shè)計(jì)中具有舉足輕重的地位。1.1 機(jī)械原理具有學(xué)科性和課程性雙重屬性機(jī)械

13、原理又稱機(jī)器理論與機(jī)構(gòu)學(xué)（Theory of Machines and Mechanisms）1，既是一門機(jī)械工程專業(yè)的大學(xué)生必修專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)又是一門獨(dú)立的、具有廣闊內(nèi)涵和重要地位、仍處在不斷發(fā)展和進(jìn)步中的機(jī)械工程基礎(chǔ)學(xué)科。隨著對(duì)該學(xué)科內(nèi)涵和地位認(rèn)識(shí)的不斷深化，1990年代國際學(xué)術(shù)界將其更名為機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)（Mechanism and Machine Science）。與此對(duì)應(yīng)，1969年成立的“國際機(jī)器理論與機(jī)構(gòu)學(xué)聯(lián)合會(huì)”（International Federation for the Theory of Machines and Mechanisms）也在2000年更名為“國際機(jī)構(gòu)與

14、機(jī)器科學(xué)促進(jìn)聯(lián)合會(huì)”（International Federation for the Promotion of Mechanism and  Machine Science）2。從“理論”上升為“科學(xué)”，預(yù)示著人們認(rèn)識(shí)到機(jī)械原理這門學(xué)科在機(jī)械工程和機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新中應(yīng)處于更為基礎(chǔ)性的地位，需要作更為深入、系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究。很顯然，機(jī)械原理具有學(xué)科性和課程性的雙重屬性，決定了機(jī)械原理課程的教學(xué)既要有穩(wěn)定的基本內(nèi)容和基本要求，同時(shí)又要能適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的前沿性和動(dòng)態(tài)性，通過不斷進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和方法的調(diào)整和優(yōu)化，做到與時(shí)俱進(jìn)。因此，機(jī)械原理課程教改的基本思路應(yīng)該來源于對(duì)機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)取得成果的準(zhǔn)確

15、理解和對(duì)這門學(xué)科發(fā)展動(dòng)向的本質(zhì)把握，機(jī)械原理課程的主講教師也必然應(yīng)該是同時(shí)從事機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)研究的科技工作者，教師和科技工作者的兩重角色在機(jī)械原理這門課程中應(yīng)該而且能夠得到有機(jī)統(tǒng)一。只有站在學(xué)科發(fā)展的高度、帶著研究和思辨的眼光來對(duì)待機(jī)械原理這門學(xué)科性基礎(chǔ)專業(yè)課程的教學(xué)和教改工作，才能真正將這門課程上成精品課程、上成對(duì)培養(yǎng)學(xué)生成為工程技術(shù)骨干和創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才有用的課程。1.2 自主創(chuàng)新背景下對(duì)現(xiàn)代機(jī)器的再認(rèn)識(shí)機(jī)械原理課程的研究對(duì)象是機(jī)構(gòu)和機(jī)器，其本質(zhì)特征是能實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并以機(jī)械運(yùn)動(dòng)為手段實(shí)現(xiàn)其功用3?，F(xiàn)代社會(huì)中人類的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)和日常生活都離不開機(jī)器的使用，這已經(jīng)成為我們的共識(shí)。現(xiàn)代機(jī)器

16、種類繁多，功能、構(gòu)造、外形和復(fù)雜程度千差萬別。因此，設(shè)計(jì)師是如何創(chuàng)造出這些機(jī)器的，我們又能否不斷設(shè)計(jì)開發(fā)出新的機(jī)器來滿足人類生產(chǎn)和生活的新需要，理解并掌握解決這些問題的基本手段，其實(shí)就是機(jī)械原理課程教與學(xué)的重要使命。1.2.1 現(xiàn)代機(jī)器的“靈魂”在于背后隱藏的設(shè)計(jì)思想與精巧構(gòu)思傳統(tǒng)上機(jī)械原理課程講授各類基本機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)，但現(xiàn)代機(jī)器已經(jīng)是被計(jì)算機(jī)局部或全面控制的現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)電一體化是其基本特征3。因此，機(jī)械原理課程在現(xiàn)代機(jī)器開發(fā)中應(yīng)起到什么作用，如何起到作用，首先需要我們能夠從設(shè)計(jì)的角度來正確認(rèn)識(shí)現(xiàn)代機(jī)器、現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品與系統(tǒng)的本質(zhì)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，現(xiàn)代機(jī)器往往可以拆解成一堆機(jī)械結(jié)構(gòu)件、

17、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件系統(tǒng)、控制器、機(jī)電接口、驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)、線纜等不同性質(zhì)的零部件，這些零部件分別來自于機(jī)械加工、電子制造、光學(xué)制造等不同學(xué)科的制造工藝和過程。如美國發(fā)射的火星探測(cè)機(jī)器人若光從結(jié)構(gòu)上看，無非就是輪子、連桿、齒輪、電機(jī)、計(jì)算機(jī)、傳感器、無線通訊單元、攝像機(jī)、太陽能電池板等零組件。但為什么火星探測(cè)機(jī)器人需要這些零組件，為何把這些零組件裝配起來就能完成令全人類興奮的太空探測(cè)任務(wù)？顯然，只從機(jī)器制造和物理結(jié)構(gòu)的角度來看現(xiàn)在的機(jī)器，我們看不到機(jī)器的“靈魂”，看不出這些機(jī)器在當(dāng)初是如何被工程師們精巧地構(gòu)思和開發(fā)出來的，只看到瑣碎、零亂的一堆零組件，紛繁復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)掩蓋了機(jī)器背后的真實(shí)設(shè)計(jì)意圖和過程。

18、正因如此，現(xiàn)代機(jī)器知識(shí)含量高、附加值高，難以被仿制，即使仿制成功也往往“形”似而“神”不似。因此，要理解現(xiàn)代機(jī)器的構(gòu)思和開發(fā)過程，我們需要拋開具體的物理結(jié)構(gòu)去尋找機(jī)器背后隱藏的設(shè)計(jì)思想，深入分析其設(shè)計(jì)過程，在理解現(xiàn)代機(jī)器設(shè)計(jì)的同時(shí)，也逐步建立起設(shè)計(jì)新機(jī)器的能力。1.2.2 從功能視角構(gòu)建機(jī)器的邏輯結(jié)構(gòu)分析現(xiàn)有機(jī)器的目的是要理解機(jī)器，弄清其設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)而能夠改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)器的性能，或者根據(jù)國內(nèi)外市場(chǎng)的需求設(shè)計(jì)出新機(jī)器。因此，觀察機(jī)器就應(yīng)該換一個(gè)角度，將機(jī)器的實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抽象，從方案設(shè)計(jì)的需要即功能的角度來考察、理解機(jī)器，才有可能明確地揭示出機(jī)器的運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)思想。從機(jī)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能

19、的角度出發(fā)，如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)無論什么機(jī)器都包含執(zhí)行和控制兩大功能模塊4-9。執(zhí)行功能模塊是實(shí)現(xiàn)機(jī)器的機(jī)械能轉(zhuǎn)化、運(yùn)動(dòng)生成和轉(zhuǎn)化等功能的執(zhí)行者，其載體是機(jī)構(gòu)、廣義機(jī)構(gòu)或其系統(tǒng)，以及原動(dòng)機(jī)及之間的傳動(dòng)系統(tǒng)。控制功能模塊負(fù)責(zé)指揮、協(xié)調(diào)和優(yōu)化執(zhí)行功能模塊內(nèi)的動(dòng)作配合和動(dòng)作質(zhì)量，保證執(zhí)行功能模塊高性能地實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)功能，并與操作者實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊和交互。為達(dá)到此目的，控制功能模塊進(jìn)一步可以劃分為信息處理與控制、傳感檢測(cè)兩個(gè)子系統(tǒng)。信息處理與控制子系統(tǒng)的功能載體是計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代機(jī)器是通過控制與執(zhí)行的功能模塊間相互配合、相互協(xié)調(diào)來共同實(shí)施機(jī)器的運(yùn)動(dòng)過程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的功能。控制與執(zhí)行的功能模塊之間構(gòu)成了開環(huán)或閉環(huán)的

20、信息傳遞與控制回路，從而形成現(xiàn)代機(jī)器的總體邏輯結(jié)構(gòu)。圖1 現(xiàn)代機(jī)器的總體邏輯Fig. 1 Functional Structure of Modern Machine從控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜度來看，現(xiàn)代機(jī)器可以劃分成單元和系統(tǒng)兩個(gè)層次的產(chǎn)品類型。圖1也表示了單元層次的現(xiàn)代機(jī)器閉環(huán)控制邏輯結(jié)構(gòu)。對(duì)于一部較為復(fù)雜的現(xiàn)代機(jī)器，其控制結(jié)構(gòu)大都表現(xiàn)為遞階分層嵌套模式，各執(zhí)行單元都可能是一個(gè)較為完整的動(dòng)作單元，由廣義機(jī)構(gòu)和控制兩部分組成。如圖2所示，系統(tǒng)層次的現(xiàn)代機(jī)器總體上仍包含執(zhí)行和控制兩大功能模塊，從控制的角度呈遞階控制結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)執(zhí)行單元可以是完整的，也可以是非完整的。圖2 現(xiàn)代機(jī)器的系統(tǒng)層次的邏輯結(jié)構(gòu)Fi

21、g. 2 Functional Structure of Modern Machine at System Level1.2.3 對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器、現(xiàn)代機(jī)器與機(jī)電一體化內(nèi)在關(guān)系的理解從表面上看，現(xiàn)代機(jī)器與傳統(tǒng)機(jī)器總是存在很大差異。傳統(tǒng)機(jī)器主要由各種機(jī)械零部件構(gòu)成，而現(xiàn)代機(jī)器除了各種機(jī)械零部件之外，還常常有各種傳感器、控制器、計(jì)算機(jī)等電子和控制元器件。造成這種差異的根本原因在于機(jī)電一體化技術(shù)得到了不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在控制功能電子化的同時(shí)，機(jī)電一體化技術(shù)不僅簡化了機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，也為機(jī)器增添了“智慧”3。從包含的功能子系統(tǒng)看，現(xiàn)代機(jī)器與傳統(tǒng)機(jī)器是相同的，都有執(zhí)行和控制兩大功能模塊，但功能模塊的實(shí)現(xiàn)手段

22、不同。執(zhí)行功能模塊不再局限于傳統(tǒng)機(jī)器中的剛性機(jī)構(gòu)及其系統(tǒng)，而是拓寬為現(xiàn)代機(jī)器的廣義機(jī)構(gòu)及其系統(tǒng)?？刂乒δ苣K也不再只是傳統(tǒng)機(jī)器中的凸輪分配軸等機(jī)械實(shí)現(xiàn)方式，而是拓展為現(xiàn)代機(jī)器的控制器、傳感器、計(jì)算機(jī)和軟件等新手段。機(jī)器的控制功能因而得到大大加強(qiáng)和拓展，現(xiàn)代機(jī)器向著結(jié)構(gòu)簡單化、功能多樣化、性能最優(yōu)化、運(yùn)行智能化的方向發(fā)展。因此，現(xiàn)代機(jī)器是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器的繼承和發(fā)展，都是為實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)器功能而設(shè)計(jì)的。從功能實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，現(xiàn)代機(jī)器和傳統(tǒng)機(jī)器的設(shè)計(jì)是一脈相承的。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，其原理方案設(shè)計(jì)仍然遵循一般機(jī)器的設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)方法，通過功能分解來尋求功能原理解。不過功能分解的途徑有了很大的擴(kuò)展，功能元的求

23、解空間不再局限于各類傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)展為各類廣義機(jī)構(gòu)、傳感器、控制器及信息處理與控制算法了。從上面的討論可以看出，電子、控制、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代學(xué)科和技術(shù)的進(jìn)步，是傳統(tǒng)機(jī)器發(fā)展到現(xiàn)代機(jī)器的重要推動(dòng)力，具體表現(xiàn)為機(jī)電一體化技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。從本質(zhì)來看，機(jī)電一體化強(qiáng)調(diào)機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的有機(jī)融合，從而完成單一技術(shù)所不能或難以實(shí)現(xiàn)的功能。可以認(rèn)為，現(xiàn)代機(jī)器是一個(gè)用非機(jī)械手段實(shí)現(xiàn)并強(qiáng)化了控制功能的現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)3-6。機(jī)器中的控制功能在機(jī)械本體的系統(tǒng)和單元層次上都可能被非機(jī)械手段所代替。正因如此，控制功能載體的變革不僅在系統(tǒng)層次上改變了現(xiàn)代機(jī)器的物理組成，也在單元層次上促進(jìn)了廣義機(jī)構(gòu)的

24、發(fā)展，更為人機(jī)交互、智能控制、人工智能等信息新技術(shù)的介入留下了有效接口。不管現(xiàn)代機(jī)器如何發(fā)展，機(jī)器都是要借助機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的功用。因此，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部分即機(jī)構(gòu)是機(jī)器的核心組成單元，機(jī)械原理課程在現(xiàn)代機(jī)器和機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)人才的培養(yǎng)中仍具有不可替代的基礎(chǔ)性作用。同時(shí)，機(jī)械原理課程也要不斷根據(jù)現(xiàn)代機(jī)器和機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展動(dòng)向，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)思想上進(jìn)行必要的調(diào)整和更新，真正做到與時(shí)俱進(jìn)，切實(shí)履行機(jī)械原理課程教與學(xué)的重要使命。1.3 機(jī)械原理課程在培養(yǎng)機(jī)械產(chǎn)品自主創(chuàng)新人才中的基礎(chǔ)性地位圖3 企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的一般流程Fig. 3 General Process of Enterprise P

25、roduct Development如圖3所示3，企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品的最終目的是要通過市場(chǎng)需求的滿足即產(chǎn)品銷售來獲取利潤，達(dá)到企業(yè)再生產(chǎn)和發(fā)展壯大的目標(biāo)。因此，企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的任務(wù)和要求是來自于市場(chǎng)需求的調(diào)查，以及由此所作出的企業(yè)產(chǎn)品規(guī)劃的。在此條件下，通過產(chǎn)品開發(fā)過程生產(chǎn)出能滿足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，并通過產(chǎn)品銷售獲取市場(chǎng)回報(bào)。產(chǎn)品銷售的過程也就是市場(chǎng)需求得到滿足的過程，同時(shí)還是市場(chǎng)需求得以反饋的過程。產(chǎn)品開發(fā)包括設(shè)計(jì)和制造兩個(gè)大部分。其中，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程大致能劃分為需求分析/產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)四個(gè)階段。機(jī)械原理課程主要解決機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段中的基本問題。市場(chǎng)需求的滿足或適應(yīng)，是

26、以產(chǎn)品的功能來體現(xiàn)的。產(chǎn)品功能與產(chǎn)品設(shè)計(jì)是因果關(guān)系。體現(xiàn)同一功能的產(chǎn)品，可以是多種多樣的。方案設(shè)計(jì)階段要完成產(chǎn)品功能分析、功能原理求解和評(píng)價(jià)決策，以得到最佳功能原理方案，并最終完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品方案的好壞，決定了產(chǎn)品性能和成本，關(guān)系到產(chǎn)品的水平和競(jìng)爭(zhēng)力。因此，設(shè)計(jì)出好的方案是產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。機(jī)械原理學(xué)科為機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)理論和方法，因此，機(jī)械原理在機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中具有舉足輕重的地位。目前，我國企業(yè)在機(jī)電產(chǎn)品的自主創(chuàng)新能力仍較為薄弱。機(jī)械原理課程在培養(yǎng)從事機(jī)械工程設(shè)計(jì)與機(jī)電產(chǎn)品自主創(chuàng)新的高端人才方面具有基礎(chǔ)性作用。1.4 以機(jī)械原理課程為載體，培養(yǎng)具有系統(tǒng)觀的工程技術(shù)骨干和

27、創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才我國正在大力增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，期望擁有更多具備全局觀、系統(tǒng)觀、多學(xué)科融會(huì)貫通的大視野觀的工程技術(shù)骨干、科技帥才和大師級(jí)領(lǐng)軍人才。機(jī)械原理學(xué)科在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中居于前端，事關(guān)謀劃全局、具牽一發(fā)而動(dòng)全身的功效。因此機(jī)械原理課程在培養(yǎng)學(xué)生成為具備全局觀、系統(tǒng)觀、多學(xué)科融會(huì)貫通的大視野觀的工程技術(shù)骨干和領(lǐng)軍人才的過程中具有不可推卸的責(zé)任和義務(wù)。與培養(yǎng)機(jī)械產(chǎn)品自主創(chuàng)新能力的要求相適應(yīng)，我國機(jī)械原理的課程內(nèi)容經(jīng)歷了一個(gè)變革的過程，從原先只單純地關(guān)注機(jī)構(gòu)和機(jī)器的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性的分析和設(shè)計(jì)，已經(jīng)拓展到包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)在內(nèi)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)。1999年，在上海交通大學(xué)鄒慧君等編

28、寫的機(jī)械原理教材中率先增加了機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)方面的教學(xué)內(nèi)容，并配套編寫了機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)手冊(cè)，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)能力。此后，國內(nèi)大量出版的不同機(jī)械原理教材都增加了這方面的內(nèi)容。因此，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生具備機(jī)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)能力與機(jī)械系統(tǒng)的創(chuàng)新能力是機(jī)械原理課程的兩大任務(wù)。2 機(jī)械原理課程內(nèi)容的構(gòu)成分析2.1 機(jī)械原理教學(xué)的目標(biāo)再認(rèn)識(shí)通過上面的分析我們可以得出這樣的認(rèn)識(shí)，機(jī)械原理課程教與學(xué)的基本目標(biāo)應(yīng)該包含兩個(gè)大方面，一是幫助學(xué)生系統(tǒng)地掌握機(jī)構(gòu)與機(jī)器的基本概念、基本機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的思維和方法；另一是幫助學(xué)生建立起對(duì)現(xiàn)代機(jī)器的基本認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的勇氣和創(chuàng)新能力。與此相

29、適應(yīng)，機(jī)械原理課程應(yīng)該采取課堂講授與研究型學(xué)習(xí)結(jié)合、基本概念理解與知識(shí)運(yùn)用能力并重、結(jié)論傳授與思維過程并重的、以學(xué)生為中心的廣義互動(dòng)式教學(xué)方法，主講教師要力爭(zhēng)通過科研把握教學(xué)方向、在教學(xué)中貫穿科研思維，逐步培養(yǎng)起學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與研究性學(xué)習(xí)習(xí)慣。2.2 對(duì)機(jī)構(gòu)及其構(gòu)成要素的再認(rèn)識(shí)機(jī)構(gòu)可以形象地比作機(jī)器的“骨骼”系統(tǒng)，起到支承和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生與變換的功能。機(jī)器中的運(yùn)動(dòng)單元體稱為構(gòu)件。因此，機(jī)構(gòu)是把一個(gè)或幾個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，變換成其他構(gòu)件的期望運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件系統(tǒng)。在這里，我們將傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)定義中的“確定運(yùn)動(dòng)”調(diào)整為“期望運(yùn)動(dòng)”，以適應(yīng)機(jī)構(gòu)的現(xiàn)代發(fā)展、更好地描述機(jī)器的本質(zhì)要求，因?yàn)闄C(jī)器需要產(chǎn)生的是人們所期望的運(yùn)動(dòng)，這

30、種運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上并不要求一定是傳統(tǒng)意義上的“確定運(yùn)動(dòng)”，如某些玩具能產(chǎn)生不確定的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到出其不意的娛樂效果，很明顯這種具有隨機(jī)性的不確定運(yùn)動(dòng)的確是設(shè)計(jì)師和使用者所期望的運(yùn)動(dòng)。此外，機(jī)構(gòu)的組成要素包括構(gòu)件（包括認(rèn)為固定不動(dòng)的構(gòu)件即機(jī)架、原動(dòng)件和從動(dòng)件）、構(gòu)件的連接關(guān)系即運(yùn)動(dòng)副。從現(xiàn)代機(jī)器發(fā)展趨勢(shì)來看，機(jī)構(gòu)的組成要素正在發(fā)生新的變化。對(duì)構(gòu)件而言，機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件可以是剛性的，也可以是撓性的或彈性的；構(gòu)件可以由剛性材料制造，也可以由流體、彈性體、柔順體、電磁體、甚至繩索來制造。對(duì)運(yùn)動(dòng)副而言，機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副除了傳統(tǒng)中的假設(shè)無間隙、定心（如轉(zhuǎn)動(dòng)副、球副、球銷副等）或定向（如移動(dòng)副、圓柱副、螺旋副等）情況，也可

31、以是包含間隙的、變心或變向情況（如仿生關(guān)節(jié)），甚至運(yùn)動(dòng)副內(nèi)化為單個(gè)構(gòu)件自身的形變（如各類柔順鉸鏈），從形式上看運(yùn)動(dòng)副已經(jīng)“消失”了?，F(xiàn)代機(jī)器中的機(jī)構(gòu)不再是局限于純剛性構(gòu)件的機(jī)構(gòu)，也不再是局限于傳統(tǒng)形式運(yùn)動(dòng)副的機(jī)構(gòu)了，機(jī)構(gòu)的廣義化發(fā)展是大勢(shì)所趨。因此，在機(jī)械原理課程的教學(xué)當(dāng)中，主講教師應(yīng)該有責(zé)任引導(dǎo)學(xué)生了解這些目前正在發(fā)生的機(jī)構(gòu)學(xué)研究和發(fā)展動(dòng)向。2.3 對(duì)機(jī)械原理理論體系與方法的再認(rèn)識(shí)機(jī)械原理研究的是機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)，章節(jié)眾多、內(nèi)容分散、課程跨度大，需要我們?cè)趥魇跈C(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)的同時(shí)，更要注重知識(shí)背后的有機(jī)聯(lián)系和共性思維方式，使學(xué)生真正理解和掌握機(jī)械原理課程和學(xué)科的精髓。機(jī)械原理的核心內(nèi)容包括機(jī)構(gòu)組成

32、、運(yùn)動(dòng)和力分析、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、機(jī)構(gòu)平衡、機(jī)械調(diào)速、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)等。在講授過程中，需要注重學(xué)生對(duì)基本概念的理解和掌握，并以基本概念貫穿始終，如壓力角、死點(diǎn)、瞬心、傳動(dòng)比、等效、相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理等，在不同章節(jié)、不同機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)中都反復(fù)出現(xiàn)。抓住這些基本要點(diǎn)，前后串講、有機(jī)聯(lián)系起來，就能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步樹立起對(duì)機(jī)械原理自身基本知識(shí)及其本質(zhì)的體會(huì)和理解。同時(shí)，在機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中，來自不同學(xué)科的工具被運(yùn)用進(jìn)來，如運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中采用的矩陣、復(fù)數(shù)向量等，機(jī)構(gòu)受力分析和機(jī)構(gòu)平衡中采用的理論力學(xué)知識(shí)，機(jī)械調(diào)速中采用的力學(xué)建模和微分方程求解等，在教學(xué)中需要引導(dǎo)學(xué)生能立足機(jī)械原理問題解決需

33、要，靈活運(yùn)用其他學(xué)科的知識(shí)為我所用，從而提高解決機(jī)構(gòu)問題的綜合運(yùn)用能力。2.4 課堂教學(xué)與課程設(shè)計(jì)的功能配置目前，機(jī)械原理課程的內(nèi)容從大的方面來看，大致包括基本機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)三個(gè)部分。其中基本機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)可以認(rèn)為是單個(gè)機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)，是單元層次上的教學(xué)內(nèi)容。機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)主要包含機(jī)構(gòu)平衡和機(jī)械調(diào)速兩部分內(nèi)容，也可以認(rèn)為是基本機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)部分。機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)則是從機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，以系統(tǒng)論的觀點(diǎn)尋求從市場(chǎng)需求到機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡圖的完整設(shè)計(jì)與求解過程。在教學(xué)安排上，將其分為課堂教學(xué)和設(shè)計(jì)訓(xùn)練兩個(gè)環(huán)節(jié)?；緳C(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)以課堂教學(xué)形式

34、為主，機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)以課程設(shè)計(jì)形式為主，各自獨(dú)立成課、分別設(shè)立學(xué)分。具體課時(shí)與學(xué)分設(shè)置上國內(nèi)不同高校的做法不盡相同。很多高校將課程設(shè)計(jì)安排為2周集中時(shí)間。根據(jù)我們的教改經(jīng)驗(yàn)，集中時(shí)間的安排效果并不理想。我們目前的課程設(shè)計(jì)安排為下半個(gè)學(xué)期非集中形式的訓(xùn)練，通過學(xué)生參與過程時(shí)間的拉長，保證了課余時(shí)間的利用和現(xiàn)狀調(diào)研與問題研討的充分，效果良好。3 機(jī)械原理課程的教學(xué)思路與對(duì)策作為奠定學(xué)生的機(jī)械工程基礎(chǔ)、培養(yǎng)全局觀和創(chuàng)新能力的專業(yè)基礎(chǔ)課，機(jī)械原理課程采用的教學(xué)思想與方法需要和主講教師對(duì)這門課程的基本認(rèn)識(shí)相統(tǒng)一。通過上面對(duì)機(jī)械原理課程的作用和內(nèi)容的細(xì)致分析，我們認(rèn)為需要堅(jiān)持其課程性與學(xué)科性的雙重屬性，

35、以科研思維貫穿教學(xué)；合理配置課堂教學(xué)、課后練習(xí)、課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)，做到不同教學(xué)環(huán)節(jié)的相互配合和有機(jī)統(tǒng)一；強(qiáng)調(diào)多媒體手段與黑板板書有機(jī)結(jié)合，不過于依賴多媒體，以免造成“兩岸猿聲啼不住、輕舟已過萬重山”的浮光掠影式教學(xué)；要突出融入式教學(xué)與探索式學(xué)習(xí)相結(jié)合的師生互動(dòng)式教學(xué)模式，在機(jī)械原理課程的教與學(xué)中實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)。3.1 堅(jiān)持課程性與學(xué)科性相統(tǒng)一，以科研思維統(tǒng)馭教學(xué)根據(jù)上面的分析，機(jī)械原理兼有學(xué)科性和課程性雙重屬性，機(jī)械原理課程的主講教師應(yīng)該身兼教師和科技工作者兩重角色。機(jī)械原理課程需要在學(xué)科發(fā)展中不斷汲取營養(yǎng)，通過教學(xué)內(nèi)容和方法的不斷調(diào)整和優(yōu)化，做到與時(shí)俱進(jìn)，不落后于當(dāng)今時(shí)代對(duì)優(yōu)秀

36、人才培養(yǎng)的急迫需要。機(jī)械原理學(xué)科的最新發(fā)展是機(jī)械原理課程教改的基本依據(jù)。只有站在學(xué)科發(fā)展的高度、帶著研究和思辨的眼光來對(duì)待機(jī)械原理這門學(xué)科性基礎(chǔ)專業(yè)課程的教學(xué)和教改工作，才能真正將這門課程上成精品課程、上成對(duì)培養(yǎng)學(xué)生成為工程技術(shù)骨干和創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才有用的課程。堅(jiān)持課程性與學(xué)科性統(tǒng)一，以科研思維統(tǒng)馭教學(xué)，是上好、上活機(jī)械原理課程的重要保障。3.2 抓住重點(diǎn)，夯實(shí)基礎(chǔ)，精選內(nèi)容，幫助學(xué)生建立機(jī)械原理基礎(chǔ)知識(shí)體系在課程內(nèi)容增多、書本增厚的同時(shí)，機(jī)械原理課時(shí)卻有所減少。如何在有限的課時(shí)最大限度地培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)代機(jī)器和機(jī)構(gòu)的理解、分析和設(shè)計(jì)能力，需要主講教師合理取舍課堂內(nèi)容、精心安排課內(nèi)和課外任務(wù)、有效配

37、置不同環(huán)節(jié)的教學(xué)功能。根據(jù)上面對(duì)機(jī)械原理教學(xué)目標(biāo)、機(jī)構(gòu)與構(gòu)成要素、理論體系和方法、課堂教學(xué)與課程設(shè)計(jì)等的基本認(rèn)識(shí)，我們通過幾輪教改實(shí)踐，逐步確定了課堂重基本概念和基本方法講授、課后重課堂知識(shí)的理解和拓展、課程設(shè)計(jì)重理論體系掌握和靈活運(yùn)用的教學(xué)思路，以幫助學(xué)生初步建立起機(jī)械原理的基礎(chǔ)知識(shí)體系。在課堂教學(xué)中，注重學(xué)生對(duì)基本概念的理解和掌握，并以基本概念貫穿始終，如壓力角、死點(diǎn)、瞬心、傳動(dòng)比、等效、相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理等，在不同章節(jié)、不同機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)中都反復(fù)出現(xiàn)，抓住這些基本要點(diǎn)，前后串講、有機(jī)聯(lián)系起來，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步樹立起對(duì)機(jī)械原理自身基本知識(shí)及其本質(zhì)的體會(huì)和理解。同時(shí)，在機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中，引

38、導(dǎo)學(xué)生能立足機(jī)械原理問題解決需要，靈活運(yùn)用其他學(xué)科的知識(shí)為我所用，從而提高解決機(jī)構(gòu)問題的綜合運(yùn)用能力。3.3 以系統(tǒng)觀加強(qiáng)設(shè)計(jì)訓(xùn)練，培育基本機(jī)構(gòu)分析和現(xiàn)代機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新能力機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)是機(jī)械原理課程的重要教學(xué)內(nèi)容，作為機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)獨(dú)立教學(xué)環(huán)節(jié)為學(xué)生提供了綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、進(jìn)行現(xiàn)代機(jī)器運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的首次嘗試的機(jī)會(huì)，對(duì)幫助學(xué)生建立起對(duì)現(xiàn)代機(jī)器的基本認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的勇氣和創(chuàng)新能力具有非常重要的作用。通過課程設(shè)計(jì)，從機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，促使學(xué)生以系統(tǒng)論的觀點(diǎn)經(jīng)歷從市場(chǎng)需求到機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡圖的完整設(shè)計(jì)與求解過程，幫助學(xué)生打通對(duì)現(xiàn)代機(jī)器與傳統(tǒng)機(jī)器的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。根據(jù)我們的

39、研究3，現(xiàn)代機(jī)器與傳統(tǒng)機(jī)器在功能結(jié)構(gòu)上是一致的，二者的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)過程相同，差別在于功能分解途徑的多樣化和功能元解空間的擴(kuò)大與拓展?，F(xiàn)代機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的過程本質(zhì)上就是工藝動(dòng)作序列構(gòu)思和求解的過程。通過設(shè)計(jì)訓(xùn)練，可以讓學(xué)生對(duì)此有深刻體會(huì)。為達(dá)到好的訓(xùn)練效果，應(yīng)合理定義課程設(shè)計(jì)任務(wù)，確保貼近生活、貼近科研，令學(xué)生有創(chuàng)造的沖動(dòng)和激情。設(shè)計(jì)題目的確定可以由老師提出，也可以由學(xué)生提出。設(shè)計(jì)按小組形式進(jìn)行，培育團(tuán)隊(duì)合作精神。在課程設(shè)計(jì)過程中，鍛煉學(xué)生利用先進(jìn)軟件和平臺(tái)的意識(shí)和能力，培養(yǎng)遵循軟件工程規(guī)則自行開發(fā)軟件的規(guī)范行為。要保證課程設(shè)計(jì)全過程盡量與真實(shí)設(shè)計(jì)過程一致、設(shè)計(jì)結(jié)果具有先進(jìn)性和可行性，增強(qiáng)學(xué)生的自豪感和成就感，樹立起創(chuàng)新的勇氣和信心，最終提高學(xué)生的創(chuàng)新與動(dòng)手能力。4 結(jié)論機(jī)械原理課程地位獨(dú)特，在機(jī)械工程專業(yè)大學(xué)生專業(yè)知識(shí)建立和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)中起奠基性作用。機(jī)械原理兼