機械工程前沿講座及機械功的原理及機械效率

機械工程前沿近年來，機械工程學(xué)科在各大領(lǐng)域內(nèi)取得了一系列突破性進展和原創(chuàng)性成果，為繁榮的經(jīng)濟建設(shè)提供了大量的理論方法和實踐經(jīng)驗，對世界產(chǎn)生了重要的影響。今天，我們針對當前機械工程前沿技術(shù)以及機械工程領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了其重要進展和成果，并對我國機械工程的發(fā)展趨勢進行了展望。機械工程是一門與機械和動力生產(chǎn)有關(guān)的工程學(xué)科，它以有關(guān)的自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實踐中的技術(shù)經(jīng)驗，研究和解決在開發(fā)、設(shè)計、制造、安裝、運用和修理各種機械中的全部理論和實際問題。機械工程學(xué)科包含以下幾個方面：機械制造及其自動化機械電子工程、機械設(shè)計及理論、車輛工程和仿生技術(shù)。機械工程的服務(wù)領(lǐng)域廣闊而多面，凡是使用機械、工具，以至能源和材料生產(chǎn)的部門，無不需要機械工程的服務(wù)。概括說來，現(xiàn)代機械工程有五大服務(wù)領(lǐng)域：研制和提供能量轉(zhuǎn)換機械；研制和提供用以生產(chǎn)各種產(chǎn)品的機械；研制和提供從事各種服務(wù)的機械；研制和提供家庭和個人生活中應(yīng)用的機械；研制和提供各種機械武器。機械的發(fā)展經(jīng)歷了從制造簡單工具到制造由多個零件、部件組成的現(xiàn)代機械的漫長過程。機械工程以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性為目標來研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。隨著世界的進步、國家的需求和學(xué)科的發(fā)展，機械工程科學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了以下顯著特點和趨勢：一方面，高技術(shù)領(lǐng)域如光電子、微納系統(tǒng)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、重大工程等的發(fā)展，要求機械與制造科學(xué)向這些領(lǐng)域提供更多更好的新理論、新方法和新技術(shù)，因而出現(xiàn)和發(fā)展著微納制造、仿生及生物制造、微電子制造等制造科學(xué)新領(lǐng)域；另一方面，隨著機械與制造科學(xué)與信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、管理科學(xué)、納米科學(xué)技術(shù)的交叉，除了推動著機構(gòu)學(xué)、摩擦學(xué)、動力學(xué)、結(jié)構(gòu)強度學(xué)、傳動學(xué)和設(shè)計學(xué)的發(fā)展外，還產(chǎn)生和發(fā)展著仿生機械學(xué)、納米摩擦學(xué)、制造信息學(xué)、制造管理學(xué)等新的交叉科學(xué)。在未來的時代，新產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗，發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉?，治理、減輕以至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟的目標任務(wù)。機械工程學(xué)科的定義及范圍機械工程科學(xué)是研究機械系統(tǒng)和產(chǎn)品的性能、設(shè)計及制造的理論、方法和技術(shù)的科學(xué)，包括機械學(xué)和制造科學(xué)兩大領(lǐng)域。機械學(xué)是研究機械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)性能及其設(shè)計理論與方法的科學(xué)，包括制造過程及機械系統(tǒng)所涉及的機構(gòu)學(xué)、傳動學(xué)、動力學(xué)、強度學(xué)、摩擦學(xué)、設(shè)計學(xué)、仿生機械學(xué)、微納機械學(xué)及界面機械學(xué)等。制造科學(xué)涵蓋產(chǎn)品設(shè)計、成形制造(鑄造成形、塑性成形、連接成形、模具制造、表面工程等)、加工制造(超精密加工、高效加工、非傳統(tǒng)加工、復(fù)雜曲面加工、測量及儀器、裝備設(shè)計及制造、表面功能結(jié)構(gòu)制造、微納制造、仿生和生物制造)和制造系統(tǒng)運作管理等科學(xué)。莫茲利；英國人，發(fā)明家，現(xiàn)代車床的發(fā)明人，被稱為英國機床工業(yè)之父。1771年8月22日生于肯特郡伍利奇，1831年2月14日卒于倫敦。莫茲利于1797年制成第一臺螺紋切削車床，它帶有絲桿和光桿，采用滑動刀架——亨利·福特被稱為“為世界裝上輪子的人”。·亨利福特于1903年創(chuàng)立了福特汽車公司。1908年生產(chǎn)出世界上第一輛T型車。1913年,該公司又開發(fā)出了世界上第一條流水線,締造了一個至今仍未被打破的世界紀錄。·福特汽車標志及他的第一輛汽車它旗下?lián)碛械钠嚻放朴邪⑺诡D.馬丁(AstonMartin)、福特(Ford)、捷豹(Jaguar)、路虎(LandRover)、林肯(Lincoln)、馬自達(Mazda)、水星(Mercury)。此外，還擁有世界最大的汽車信貸企業(yè)-福特信貸(FordCredit)、全球最大的汽車租賃公司-赫茲(Hertz)以及汽車服務(wù)品牌(QualityCare）。

流水線之前,汽車工業(yè)完全是手工作坊型的.·每裝配一輛汽車要728個人工小時,當時汽車的年產(chǎn)量大約12輛.這一速度遠不能滿足巨大的消費市場的需求.所以使得汽車成為富人的象征.·福特的夢想是讓汽車成為大眾化的交通工具.所以,提高生產(chǎn)速度和生產(chǎn)效率是關(guān)鍵.只有降低成本,才能降低價格,使普通百姓也能買的起汽車.·少品種大批量以批量降低成本成本降低進步擴大批量流水線的形成·1913年,福特應(yīng)用創(chuàng)新理念和反向思維邏輯提出在汽車組裝中，汽車底盤在傳送帶上以一定速度從一端向另一端前行．前行中，逐步裝上發(fā)動機，操控系統(tǒng)，車廂，方向盤，儀表，車燈，車窗玻璃、車輪，一輛完整的車組裝成了．第一條流水線使每輛T型汽車的組裝時間由原來的12小時28分鐘縮短至10秒鐘，生產(chǎn)效率提高了4488倍！流水線是怎樣提高速度的·流水線是把一個重復(fù)的過程分為若干個子過程，每個子過程可以和其他子過程并行運作．福特的流水線不僅把汽車放在流水線上組裝，也花費大量精力研究提高勞動生產(chǎn)率．福特把裝配汽車的零件裝在敞口箱里，放在輸送帶上，送到技工面前，工人只需站在輸送帶兩邊，節(jié)省了來往取零件的時間．而且裝配底盤時，讓工人拖著底盤通過預(yù)先排列好的一堆零件，負責(zé)裝配的工人只需安裝，這樣裝配速度自然加快了。他在一年之中生產(chǎn)幾十萬輛汽車，這個新的系統(tǒng)既有效又經(jīng)濟.結(jié)果他把汽車的價格削減了一半，降至每輛260美元，1913年,美國人均收入為5301美元,1914年,一個工人工作不到四個月就可以買一輛T型車。流水線的意義·它使產(chǎn)品的生產(chǎn)工序被分割成一個個的環(huán)節(jié)，工人間的分工更為細致，產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量大幅度提高,極大促進了生產(chǎn)工藝過程和產(chǎn)品的標準化。制成品被大量生產(chǎn)出來，尤其是多樣的日用品在流水線上變成了標準化商品。汽車生產(chǎn)流水線以標準化、大批量生產(chǎn)來降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的方式適應(yīng)了美國當時的國情，汽車工業(yè)迅速成為美國的一大支柱產(chǎn)業(yè)。泰勒是美國古典管理學(xué)家，科學(xué)管理的創(chuàng)始人，被管理界譽為科學(xué)管理之父。他從一名學(xué)徒工開始，先后被提拔為車間管理員，技師，小組長，工長，設(shè)計室主任和總工程師。泰勒認為科學(xué)管理的根本目的是謀求最高勞動生產(chǎn)率，最高的工作效率是雇主和雇員達到共同富裕的基礎(chǔ)，要達到最高的工作效率的重要手段是用科學(xué)化的、標準化的管理方法代替經(jīng)驗管理。泰勒認為最佳的管理方法是任務(wù)管理法，泰勒在他的主要著作《科學(xué)管理原理》中所闡述了科學(xué)管理理論，使人們認識到了管理是一門建立在明確的法規(guī)、條文和原則之上的科學(xué)。泰勒的科學(xué)管理主要有兩大貢獻：一是管理要走向科學(xué)；二是勞資雙方的精神革命。泰勒科學(xué)管理的內(nèi)容可分為三個方面：作業(yè)管理、組織管理和管理哲學(xué)。3.機械工程前沿技術(shù)機械工程前沿的主要技術(shù)和內(nèi)容有以下幾個方面：1）成組技術(shù)；2）精益生產(chǎn)（LeanProduction）；3）敏捷制造（agilemanufacturing）；4）并行工程（concurrentengineering）；5）CAD/CAPP/CAM；6）虛擬制造；7）CIMS等。成組技術(shù)是按一定的相似性準則分類編組，并以這些組為基礎(chǔ)，組織成產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)多品種小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品設(shè)計、制造和管理的合理化。從而克服傳統(tǒng)小批量生產(chǎn)方式的缺點，使小批量生產(chǎn)能獲得接近大批量生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟效果。它的根本目的是提高工作效率,減少重復(fù)勞動,從而提高經(jīng)濟效率。精益生產(chǎn)是通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人員組織、運行方式和市場供求等方面的變革，使生產(chǎn)系統(tǒng)能很快適應(yīng)用戶需求不斷變化，并能使生產(chǎn)過程中一切無用、多余的東西被精簡，最終達到包括市場供銷在內(nèi)的生產(chǎn)的各方面最好的結(jié)果。敏捷制造是指制造業(yè)采用現(xiàn)代通信手段，通過快速配置各種資源（包括技術(shù)、管理和人），以有效、協(xié)調(diào)的方式響應(yīng)用戶的需求，實現(xiàn)制造的敏捷性。其核心是企業(yè)在不斷變化、不可預(yù)測的經(jīng)營環(huán)境中的快速重構(gòu)能力，具體表現(xiàn)為多個企業(yè)的核心制造能力構(gòu)成的動態(tài)聯(lián)盟/虛擬企業(yè)。并行工程是指對產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程)進行并行、集成設(shè)計的一種系統(tǒng)化工作模式，并行工程要求在開發(fā)設(shè)計產(chǎn)品的同時，同步地設(shè)計產(chǎn)品生命周期的有關(guān)過程，力求產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計階段就考慮到整個生命周期的所有因素，包括設(shè)計、制造、裝配、檢驗、維護、可靠性和成本等。CAD/CAM/CAPP技術(shù)是最近幾十年來迅速發(fā)展起來并得到廣泛應(yīng)用的多學(xué)科綜合性的新技術(shù)，已成為產(chǎn)品開發(fā)的有力工具,新產(chǎn)品的開發(fā)周期由過去幾年開發(fā)一個到現(xiàn)在一年開發(fā)幾十種,給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。它們的應(yīng)用適應(yīng)了當前產(chǎn)品需提高設(shè)計質(zhì)量，快速更新?lián)Q代的需求。虛擬制造實現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計、加工、制造到檢驗全過程的動態(tài)模擬，并對企業(yè)的運作進行了合理的決策與最優(yōu)控制．虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型取代了實物樣機，通過對模型的模擬測試進行產(chǎn)品評估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。總的來說，信息技術(shù)的飛速發(fā)展、競爭激烈的買方市場的形成,全球大市場和貿(mào)易體系的建立、知識經(jīng)濟的興起以及社會對可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護問題的日益關(guān)注,使得制造業(yè)的生產(chǎn)方式面臨著巨大的變革。而機械工程前沿技術(shù)正是面向這一趨勢發(fā)展起來的先進的生產(chǎn)模式，運用這些技術(shù)能夠使生產(chǎn)過程更加柔性化，降低生產(chǎn)成本，最重要的是可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足用戶需求，從而提高市場競爭力。機械工程學(xué)科在各領(lǐng)域的發(fā)展4.機械工程學(xué)科在各領(lǐng)域的發(fā)展4.1機構(gòu)學(xué)與機器人領(lǐng)域由于并聯(lián)機構(gòu)有許多的優(yōu)勢，其剛度大、機構(gòu)穩(wěn)定，承載能力大，微動精度高，運動負荷小，反解非常容易。并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)是近20年來國際機構(gòu)學(xué)的研究熱點和學(xué)科前沿，也是我國學(xué)者在國際上具有重要學(xué)術(shù)影響的研究領(lǐng)域之一。圖1為新型五自由度并聯(lián)機構(gòu)示意圖。圖1新型五自由度并聯(lián)機構(gòu)示意圖基于并聯(lián)機器人的多坐標數(shù)控機床研究已成為機器人研究領(lǐng)域以及機床制造領(lǐng)域的研究熱點。目前，國內(nèi)外所推出的各種并聯(lián)機床大多數(shù)都是單純利用并聯(lián)機構(gòu)(尤其是其中的Stewart平臺機構(gòu))來構(gòu)造機床(也有一些在并聯(lián)機構(gòu)的動平臺上再串接一、兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)以增加工具的姿態(tài)空間)。根據(jù)其相應(yīng)的并聯(lián)機構(gòu)所具有的自由度主要有6自由度(6條腿)以及3自由度(3條腿)兩類；按照各分支鏈的驅(qū)動方式可分為兩種形式：一種形式為各分支鏈（定長桿）的一端通過滑塊（或絲杠螺母副）沿固定平臺導(dǎo)軌移動（簡稱“腿滑動”）來改變動平臺的位置及姿態(tài)；另一種形式為通過各分支鏈桿長的伸縮（簡稱“腿伸縮”）來改變動平臺的位置及姿態(tài)。4.1.2發(fā)展與展望并聯(lián)機器人雖然經(jīng)過了幾十年的研究，在理論上比較成熟，但是很大程度上是在大學(xué)的實驗室，真正投入到生產(chǎn)實踐中的并聯(lián)機器人甚少。近年來，先進制造技術(shù)的發(fā)展對并聯(lián)機器人的研究和發(fā)展起著積極的促進作用。隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人已從當初的柔性上下料裝置，正在成為高度柔性、高效率和可重組的裝配、制造和加工系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備。要從組成敏捷生產(chǎn)系統(tǒng)的觀點出發(fā)，來研究并聯(lián)機器人的進一步發(fā)展。面向先進制造環(huán)境的機器人柔性裝配系統(tǒng)和機器人加工系統(tǒng)中，不僅有多機器人的集成，還有機器人與生產(chǎn)線、周邊設(shè)備、生產(chǎn)管理以及人的集成。要想使并聯(lián)機器人充分發(fā)揮其優(yōu)勢性，適應(yīng)于市場的需求,就需要對并聯(lián)機器人進行模塊化設(shè)計。并聯(lián)機器人的模塊化設(shè)計正是符合敏捷制造提出的策略，敏捷制造的基本思想是企業(yè)能迅速將其組織和裝備重組，快速響應(yīng)市場變化，生產(chǎn)出滿足用戶需求的個性化產(chǎn)品。并聯(lián)機器人的模塊化設(shè)計為并聯(lián)機器人迅速走向市場奠定了良好的基礎(chǔ)。4.2傳動機械學(xué)領(lǐng)域高速、高效、低能耗、低污染、高智能、微型化是近年來機械傳動和控制研究前沿的基本特征。4.2.1超聲電機超聲電機是基于壓電效應(yīng)和超聲振動的一種新型微電機，它突破了傳統(tǒng)電磁效應(yīng)電機原理，具有力矩重量比大、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、噪聲低等優(yōu)點。其研究涉及振動學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、控制和超精密加工等多個學(xué)科領(lǐng)域。（一）超聲電機與電磁電機的不同之處超聲電機從驅(qū)動可控制裝置產(chǎn)生的30~40KHz兩個同頻的超聲電壓作用于兩相上，使陶瓷環(huán)和附在它上面的彈性圓環(huán)產(chǎn)生兩個同頻彎曲共振模態(tài)（駐波）。對著兩個同頻超聲電壓在空間上的相位和在時間上的相位進行調(diào)節(jié)，就可以再這兩個駐波迭加成單一的旋轉(zhuǎn)模態(tài)—行波，通過定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦作用即可趨勢轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。它沒有磁極繞組和磁路，不依靠電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動，將定子的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)型電機)或動子(直線型電機)的宏觀運動。它與傳統(tǒng)的電磁電機相比，具有慣性小、響應(yīng)快、控制性好、不受磁場影響且其本身也不產(chǎn)生磁場、運動準確等特點。特別是它具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、低速大扭矩以及可直接驅(qū)動負載等特性。它不需要齒輪變速機構(gòu)來降低轉(zhuǎn)速，避免了使用齒輪變速機構(gòu)而產(chǎn)生的振動、沖擊與噪聲等問題?？梢哉f，超聲電機技術(shù)是處于當今世界上的高新技術(shù)之一。（二）超聲電機的應(yīng)用超聲電機研究中心是中國乃至世界最具實力的研究機構(gòu)之一，在理論和技術(shù)上的突出進展和成就，多次受邀在國際重要的學(xué)術(shù)會議上做大會特邀報告，在國際上產(chǎn)生了重要影響。超聲電機雖然在我國雖然還沒進入商業(yè)化，但其將來會在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如航空航天、國防、醫(yī)療、精密微動機構(gòu)、工業(yè)控制、對磁干擾敏感的設(shè)備、機器人工業(yè)、高檔汽車等不連續(xù)工作領(lǐng)域。4.3機械動力學(xué)領(lǐng)域非線性動力學(xué)、復(fù)雜機電系統(tǒng)的故障預(yù)示分析和智能維護是機械動力學(xué)的前沿研究領(lǐng)域。機械動力學(xué)士一門基于Newton力學(xué)，研究機械系統(tǒng)宏觀動態(tài)行為的學(xué)科。該科學(xué)的研究對象包括幾乎所有具有機械功能的系統(tǒng)，其研究范圍涵蓋了這類系統(tǒng)的建模與仿真、動力學(xué)分析與設(shè)計、動力學(xué)控制、運動狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等。該學(xué)科的主要任務(wù)是采用盡可能低的代價使產(chǎn)品在設(shè)計、研制、運行各階段具有最佳的動力學(xué)品質(zhì)。新型飛行器、告訴車輛、機器人、大型動力機械的發(fā)展不斷向機械工程師提出新的動力學(xué)與控制問題，極大地促進了復(fù)雜機械系統(tǒng)和多系統(tǒng)的動力學(xué)建模與仿真、非線性動力學(xué)分析與計算、動力學(xué)分析與設(shè)計、振動控制、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等方面的發(fā)展。近年來，隨著信息科學(xué)和非線性科學(xué)的發(fā)展，機械動力學(xué)的研究內(nèi)涵更加深入，其特征是：在系統(tǒng)的建模夾斷計入各種重要而又復(fù)雜的非線性因素、柔性因素、邊際與結(jié)合部效應(yīng)，應(yīng)用非線性動力學(xué)分析與仿真技術(shù)研究系統(tǒng)的發(fā)范圍動力學(xué)特性，基于對系統(tǒng)動力學(xué)的深刻理解和采用最新的優(yōu)化方法實現(xiàn)系統(tǒng)的動力學(xué)設(shè)計，對系統(tǒng)實施各種主動控制乃至智能控制來獲得所需的運動，在研究機電一體化的受控系統(tǒng)時考慮動力學(xué)和控制的相互耦合問題，采用各種最新的信息提取和分析方法診斷系統(tǒng)的故障等。4.4機械摩擦學(xué)與表面技術(shù)納米摩擦學(xué)、生物摩擦學(xué)、極端環(huán)境下的摩擦學(xué)和界面摩擦學(xué)是近年來摩擦學(xué)的主要發(fā)展趨勢和前沿。目前在研究中，發(fā)現(xiàn)在動力潤滑和邊界潤滑之間存在一個過渡區(qū)，進而提出了薄膜潤滑的概念，發(fā)明了納米薄膜測量技術(shù)，建立了薄膜潤滑的物理和理論模型。薄膜潤滑研究架起了動力潤滑和邊界潤滑之間的橋梁，被國際上著名專家Granick、Hartl、Spikes等評價為“是對潤滑研究的一個重要貢獻”。摩擦學(xué)國家重點實驗室近來又在納米尺度界面微觀黏著摩擦與生物運動的關(guān)系中，建立了壁虎爬行中快速黏附和脫附理論模型；將分子膜氣體潤滑理論與表面力作用相耦合，計算了磁頭運動方程中范德華力對磁頭飛行特性的影響，使磁頭滑塊的承載能力和俯仰轉(zhuǎn)矩明顯減小，改善了磁頭飛行運動的穩(wěn)定性；在界面減阻研究中，提出了微旋渦、微凸體、微空泡減阻新理論及新技術(shù)，大幅度降低了表面摩擦阻力，該技術(shù)已經(jīng)成功用于國家重要工程中。針對工程中出現(xiàn)的大量微動失效問題，發(fā)現(xiàn)了切向微動混合區(qū)域、建立了新的運行工況和材料的微動圖理論；提出了復(fù)合微動損傷機制，創(chuàng)造性地發(fā)展和完善了微動摩擦學(xué)理論；在生物摩擦學(xué)，特別在自然牙的摩擦學(xué)研究中，揭示了自然牙的微觀組織結(jié)構(gòu)及其摩擦磨損機制；結(jié)合高速鐵路中的輪軌關(guān)系問題，系統(tǒng)開展了輪軌摩擦學(xué)研究，首次在試驗中發(fā)現(xiàn)了輪軌波磨現(xiàn)象，從理論和試驗上深入分析了輪軌波磨的形成機制，取得了重要突破。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所劉維民等將自主發(fā)明的納米固體潤滑技術(shù)用于我國航空航天工程，發(fā)揮了重要作用。由于上述一系列突出的學(xué)術(shù)進展和成就，摩擦學(xué)成為我國機械工程學(xué)科在國際學(xué)術(shù)界最具影響的學(xué)科之一。4.5機械設(shè)計學(xué)領(lǐng)域支持復(fù)雜機電系統(tǒng)與大型重要裝備自主研發(fā)與創(chuàng)新的現(xiàn)代設(shè)計理論、方法與技術(shù)，是近年來設(shè)計學(xué)的研究熱點和學(xué)科前沿。針對在以批量生產(chǎn)的成本、效率來生產(chǎn)多樣性、個性化的定制產(chǎn)品中如何實現(xiàn)干變?nèi)f化的定制設(shè)計這個技術(shù)難題，提出并實現(xiàn)了產(chǎn)品配置、產(chǎn)品變型、產(chǎn)品進化和產(chǎn)品遞歸這4項大批量定制關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，從而實現(xiàn)了將復(fù)雜機電產(chǎn)品模糊定制需求轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品信息模型的功能定制設(shè)計；提出并實現(xiàn)了相似定制、派生定制、替換定制與關(guān)聯(lián)定制4種廣義定制的模塊化技術(shù)，從而將現(xiàn)有變參數(shù)的變型設(shè)計拓展到變結(jié)構(gòu)、變部件、變參數(shù)的變型定制設(shè)計；將4種廣義定制應(yīng)用于裝備產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、形狀、性能4個方面，形成了獨特的、有規(guī)律可循的(4×4)16種定制設(shè)計工具，從而實現(xiàn)了不同產(chǎn)品、不同類型、不同工況千變?nèi)f化的復(fù)雜定制設(shè)計。提出了工程過渡狀態(tài)、模糊狀態(tài)、隨機狀態(tài)建模與數(shù)字樣機集成的仿真設(shè)計技術(shù)，獨創(chuàng)性地提出了分數(shù)維、整數(shù)維、高維相結(jié)合的混合維設(shè)計建模方法，有效提高了基于數(shù)字樣機設(shè)計的可信度和可用度。計算機輔助學(xué)與圖形技術(shù)是現(xiàn)代的重要研究內(nèi)容，目前提出了以全系統(tǒng)、全性能和全壽命周期優(yōu)化為目標的廣義優(yōu)化設(shè)計理論，研究了方案智能生成和柔性優(yōu)化方法、基于多Agent的分布式協(xié)同優(yōu)化技術(shù)、基于區(qū)間分析的系列化設(shè)計方法等，建立了原理解特征模型和智能概念設(shè)計目錄，提出了基于基因工程的概念設(shè)計策略。研究了采掘機器人和多功能組合式工程機器人實驗裝置在國際上首先實現(xiàn)了作業(yè)過程的局部自主控制，還在國內(nèi)外首先研制成功集工況監(jiān)測與故障查找、節(jié)能控制、遠程無線遙控和局部自主智能操縱于一體的液壓挖掘機器人。4.6機械仿生學(xué)領(lǐng)域機械工程學(xué)科與納米科學(xué)、信息科學(xué)和生物科學(xué)的交叉是20年來學(xué)科發(fā)展的最大特點。其中傷生機械科學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門相對獨立的交叉學(xué)科體系。生物體作為有機整體，其自身具有高度自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制能力，土壤動物優(yōu)異的脫附減阻功能就是上述各種因素高度調(diào)控的結(jié)果，不同的生物在不同的生存環(huán)境中，不僅其脫附減阻方式的調(diào)控程度會不同，而且側(cè)重點也會不同，這些都是仿生研究的天然藍本，對于脫附減阻仿生而言，人們既可以獨立對其某一方面或某一個因素進行單元仿生，也可以同時模擬生物脫附的多個方面或多個因素進行多元耦合(協(xié)同)仿生，進行單元仿生時，特別要注重模擬那些對生物脫附減阻起主要作用的因素。目前通過1000多個不同形狀和尺寸的仿生非光滑推土板實驗、仿真模擬和理論分析，掌握了非光滑表面脫附減阻的規(guī)律和技術(shù)，開辟了我國機械仿生學(xué)領(lǐng)域。近年來該研究團隊又在仿生柔性動態(tài)減阻、仿生電滲脫附等方面取得了重要進展，在國際仿生學(xué)界產(chǎn)生了重要影響。他們發(fā)明了一系列地面機械脫附減阻仿生技術(shù)，并成功地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械和國防工程。將脫附減阻仿生技術(shù)應(yīng)用于犁壁、圓盤犁犁體以及深松機具工作部件等農(nóng)業(yè)機械觸土部件，減阻效果明顯。4.7數(shù)字制造領(lǐng)域數(shù)字制造是機械制造學(xué)科與信息學(xué)科交叉的產(chǎn)物，是機械制造現(xiàn)代化最重要的體現(xiàn)。現(xiàn)在數(shù)字制造已成為信息化制造的代名詞，已經(jīng)廣泛深入到機械系統(tǒng)和制造過程中。中國第一臺全數(shù)控錐齒輪磨齒機，2007年湖南中大創(chuàng)遠數(shù)控裝備有限公司依靠自主創(chuàng)新，整合全球資源，制造了中國第一臺全數(shù)控銑齒機、中國第一臺全數(shù)控錐齒輪磨齒機、中國第一條錐齒輪數(shù)字制造化生產(chǎn)線等眾多“第一”，在數(shù)控錐齒輪裝備領(lǐng)域步入世界領(lǐng)先水平。2008年10月目前針對發(fā)動機類零件設(shè)計、制造、測量中存在的普遍難點問題，以復(fù)雜曲面零件快速開發(fā)中的共性理論和關(guān)鍵技術(shù)為突破口，提出了基于可視錐的幾何推理新方法、復(fù)雜曲面輪廓誤差的統(tǒng)一判別理論，基于線幾何理論的直紋面類型判別與參數(shù)重構(gòu)、復(fù)合形夾持理論及定性定量分析等數(shù)字制造基礎(chǔ)理論；開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字建模和可制造性分析軟件系統(tǒng)；建立了集成快速測量、數(shù)字建模及面向制造設(shè)計于一體的系統(tǒng)平臺，應(yīng)用于缸蓋類、進排氣管道類、葉片類等復(fù)雜曲面零件快速產(chǎn)品開發(fā)，在汽車、國防等行業(yè)得到成功推廣，取得了重大的社會效益和經(jīng)濟效益。由于數(shù)控機床不斷采納科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的各種新技術(shù)，使得其功能日趨完善，數(shù)控技術(shù)在機械加工中的地位也顯得越來越重要，數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。為了滿足市場和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，為了達到現(xiàn)代制造技術(shù)對數(shù)控技術(shù)提出的更高的要求，數(shù)控未來仍然繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向發(fā)展。4.8機械測量學(xué)科領(lǐng)域大尺寸和微納尺寸測量、極端環(huán)境條件下的測量、納米計量、無線網(wǎng)絡(luò)測量和智能數(shù)字化測量是近年來測量領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。機械測量是近年來機械工程研究中原創(chuàng)性技術(shù)成果產(chǎn)生最多的領(lǐng)域。微/納米測量：研究微納結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能測量與納米振動測量技術(shù)。它采用納米壓入法和微梁彎曲法兩種測量方法，利用連續(xù)相位和散斑平均法相結(jié)合的納米動態(tài)測量技術(shù)，應(yīng)用于MEMS動態(tài)測量，分辨率可達到0.1nm，精度達到1nm。能夠解決微結(jié)構(gòu)性能評價關(guān)鍵問題的一項微納結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能測量技術(shù)。微/納米技術(shù)作為當前發(fā)展最迅速，研究廣泛、投入最多的科學(xué)技術(shù)之一，被認為是當前科技發(fā)展的重要前沿。在該科技中，微/納米的超精密測量技術(shù)是代表性的研究領(lǐng)域，也是微/納米科技得以發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。在微/納測量領(lǐng)域，基礎(chǔ)問題包括納米計量、納米測量系統(tǒng)理論與設(shè)計、微觀形貌測量等方面，主要研究問題和方向為：基于掃描電子顯微鏡的精密納米計量、微納坐標測量機（分子測量機）、基于干涉的非接觸微觀形貌測量、基于原子晶格作刻度的X射線干涉測量及其與光學(xué)干涉儀的組合原理、納米測量系統(tǒng)設(shè)計理論和微納尺寸測量條件的研究等。涉及的重要工程測量問題有：面向MEMS和MOEMS的微尺度測量、面向22nm～45nm極大規(guī)模集成電路制造的測量等。儀器校準和量值傳遞是保證精度的最重要基礎(chǔ)。目前在先進制造測量領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)明空間尺寸測量的現(xiàn)場校準方法和裝置，解決了現(xiàn)代制造中急需解決的現(xiàn)場校準及其裝置問題。該成果的主要創(chuàng)新點在于：利用多種靶標特殊幾何結(jié)構(gòu)和自身基準尺寸以及在測量空間內(nèi)不同位置的量值傳遞關(guān)系作為約束條件，建立了全新的現(xiàn)場校準方法和裝置，能夠在大范圍空間進行現(xiàn)場校準；提出了小分束角渥拉斯頓棱鏡和直角棱鏡作為反射鏡的共光路自適應(yīng)系統(tǒng)，測量結(jié)果穩(wěn)定性好；提出了互易回歸非線性現(xiàn)場校準方法，對測量結(jié)果進行回歸，發(fā)現(xiàn)各自測量的非線性誤差，實現(xiàn)高分辨率測微儀現(xiàn)場校準。在上述基礎(chǔ)上，提出了基于機器人的柔性視覺現(xiàn)場誤差測量技術(shù)，已經(jīng)用于飛機和汽車車身的高精度制造誤差測量。5.機械工程學(xué)科優(yōu)先領(lǐng)域5.1納米加工、納米測量及納米機械學(xué)納米技術(shù)是21世紀的重要前沿領(lǐng)域，納米加工和測量技術(shù)關(guān)系到國家的聲譽和安全，同時也是微型機電系統(tǒng)和超精密儀器制造技術(shù)的要求。目前應(yīng)著重解決納米測量溯源、傳遞、定位、對準的技術(shù)和理論問題，以及納米尺度加工的新工藝和新方法。面對國際市場的激烈競爭，應(yīng)該注重發(fā)展新原理、新方法和新技術(shù)，奪取技術(shù)上的制高點。也要為我國在生命科學(xué)，通訊和物理、化學(xué)等領(lǐng)域的重大突破提供技術(shù)支持。5.2微型機電系統(tǒng)的設(shè)計與制造理論和技術(shù)微機電系統(tǒng)是機械技術(shù)和電子技術(shù)在微/納米尺度上相融合的產(chǎn)物，它的發(fā)展極其迅速，并有可能在下個世紀對世界科技、經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)產(chǎn)生巨大的影響。它涉及到諸如靜力、慣性力和表面引力等靜力學(xué)效應(yīng)，流體力學(xué)、摩擦力等動力學(xué)效應(yīng)，微結(jié)構(gòu)學(xué)和運動學(xué)、微傳熱學(xué)、近波長光學(xué)傳輸理論和低維材料學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿科學(xué)問題。在微機電系統(tǒng)中微結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)基礎(chǔ)方面要深入開展高深寬比刻蝕技術(shù)、深干法刻蝕技術(shù)和特種加工技術(shù)等創(chuàng)新性加工原理方面的研究；微機械和微電子設(shè)計與制造的兼容性研究是實現(xiàn)集成的重要研究內(nèi)容，應(yīng)引起足夠的重視。5.3仿生機械與生物制造生命科學(xué)必將對21世紀的技術(shù)進步與社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響。機械科學(xué)與生命科學(xué)的融合交叉將產(chǎn)生嶄新的工藝與產(chǎn)品，形成一個富有發(fā)展?jié)摿Φ男庐a(chǎn)業(yè)。制造仿生與生物制造是一個極富創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的前沿領(lǐng)域。這方面的研究內(nèi)容包括：生物活體組織的工程化制造；仿生設(shè)計技術(shù)與仿生制造系統(tǒng)；仿生微型機械及其生物制造工藝；生物遺傳制造（基于遺傳基因的生長成形技術(shù)）。5.4智能機械結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是在結(jié)構(gòu)中集成傳感器、控制器及執(zhí)行器，賦予結(jié)構(gòu)健康自診斷，環(huán)境自適應(yīng)及損傷自愈合等某些智能功能與生命特征，以達到增強結(jié)構(gòu)安全、減輕重量、降低能耗和提高性能等目的一種仿生結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主要內(nèi)容有：智能機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)的研究；典型智能機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究。該領(lǐng)域的研究內(nèi)容還包括：智能機器人和智能制造系統(tǒng)等。5.5數(shù)字化制造（含虛擬制造、網(wǎng)絡(luò)制造、模擬仿真和虛擬測試等）21世紀將是數(shù)字化制造的時代，通過對設(shè)計與制造過程的數(shù)字化理論與技術(shù)的研究，實現(xiàn)在高度交互、高度仿真的虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的新一代虛擬設(shè)計、虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)制造，這將會使制造技術(shù)和制造產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性的變化。測試技術(shù)和測試儀器的虛擬化、控件化及其科學(xué)問題的解決將是測試技術(shù)及測試儀器領(lǐng)域的一大突破。針對材料科學(xué)的新發(fā)展和制造技術(shù)發(fā)展的新需求，研究按零件最佳使用功能要求來研究理想材料零件的數(shù)字化設(shè)計制造的融合理論與方法和材料與零件的數(shù)字化成形制造的新方法。這是一個多學(xué)科交叉的前沿科學(xué)問題，將會使人們長期以來設(shè)想按力學(xué)、電磁學(xué)性能高效設(shè)計和制造零件的愿望成為現(xiàn)實。5.6可重構(gòu)制造系統(tǒng)為適應(yīng)快速變化的市場需求和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，制造系統(tǒng)及其企業(yè)應(yīng)當是靈活多變可重組的?？芍亟M制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計理論、柔性制造單元及可重組制造系統(tǒng)的隨機動態(tài)規(guī)劃、可重組制造系統(tǒng)的工藝及裝備研究等，都是在新世紀初要解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。5.7高效、精密及低成本加工機理、工藝及裝備產(chǎn)品的快速響應(yīng)制造、綠色制造和超精密工程在21世紀對加工工藝和裝備提出了新的要求，需要在加工機理、加工工藝、加工質(zhì)量保證、新的加工方法、新型加工及控制設(shè)備、新型工具材料及結(jié)構(gòu)等方面進行深入研究，形成可靠、優(yōu)質(zhì)、高效、精密、特種、創(chuàng)新的加工工藝及裝備技術(shù)，對發(fā)展我國制造技術(shù)，提高產(chǎn)品制造質(zhì)量，推動國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。并聯(lián)機床的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)、超高速切削和磨削的機理、新型刀具及磨具材料和結(jié)構(gòu)的基本理論、超精密加工、基于環(huán)境意識的加工制造技術(shù)等都是新世紀初要研究的重要課題。5.8高效、精確、低成本成形及裝備的理論和技術(shù)精確成形技術(shù)和計算機的模擬仿真是現(xiàn)代成形技術(shù)兩個最突出的發(fā)展方向。在復(fù)雜大型模具的仿真模擬及其設(shè)計制造、大型鑄鍛件的質(zhì)量保證技術(shù)、復(fù)雜零件（如發(fā)動機）的制造技術(shù)、激光加工技術(shù)基礎(chǔ)、快速原型數(shù)字制造技術(shù)、焊接智能自動化、成形制造過程的清潔生產(chǎn)研究等方面開展以知識為基礎(chǔ)的（KBE），以高質(zhì)量、短周期、低成本為總目標的鑄造、塑性加工和連接工藝技術(shù)和裝備基礎(chǔ)性研究，就成為此領(lǐng)域的重要方向。5.9產(chǎn)品的綠色設(shè)計和制造研究內(nèi)容包括：建立綠色產(chǎn)品、綠色制造系統(tǒng)的模型，把涉及環(huán)境、生態(tài)等經(jīng)驗性描述和相關(guān)學(xué)術(shù)思想等內(nèi)容用數(shù)學(xué)方法融入到設(shè)計制造理論體系中；綠色產(chǎn)品的評價指標體系和方法；機械設(shè)備和國防裝備再制造中的關(guān)鍵技術(shù)，如再制造裝備系統(tǒng)失效行為的物理模型、再制造毛坯納米復(fù)合及原位自愈合生長成型技術(shù)、再制造部件和產(chǎn)品綜合性能在線檢測和計算機模擬等。隨著機械裝備機電一體化程度的不斷提高，電磁污染問題也是亟待研究的問題。5.10產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和全性能、全生命周期優(yōu)化設(shè)計加強產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計研究，既是機械學(xué)科發(fā)展的需要，也是提高我國綜合競爭力的需要。產(chǎn)品開發(fā)理論和方法學(xué)、產(chǎn)品開發(fā)中的知識處理和信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的異地設(shè)計技術(shù)和虛擬設(shè)計等是該領(lǐng)域內(nèi)急需研究的幾個方向。5.11摩擦學(xué)前沿摩擦學(xué)貫穿于產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用及維修等整個過程，是機械工程學(xué)科的基礎(chǔ)和前沿領(lǐng)域之一。目前，微摩擦學(xué)及微動摩擦學(xué)、特殊工況下的摩擦學(xué)問題、納米及分子尺度上的摩擦學(xué)研究、新材料及先進表面處理的減摩抗磨研究、生物摩擦學(xué)、摩擦學(xué)性能的主動與智能控制、摩擦學(xué)設(shè)計及綠色問題等是摩擦學(xué)研究的熱點。在研究界面摩擦行為、損傷、失效機理的基礎(chǔ)上，要與工程實際相結(jié)合，解決工業(yè)中的關(guān)鍵摩擦學(xué)問題。5.12機械系統(tǒng)動力學(xué)建模與控制21世紀初，機械動力學(xué)將受到高速載運工具、智能機械和微機電系統(tǒng)的發(fā)展需求牽引和信息科學(xué)與技術(shù)的推動，沿著動力學(xué)建模、仿真、分析與控制一體化的主線發(fā)展。在其發(fā)展中，特別應(yīng)受到關(guān)注的研究內(nèi)容有：對包括機、液、電、磁多場耦合，帶有智能控制的復(fù)雜系統(tǒng)的動力學(xué)描述，嵌入人工智能的系統(tǒng)映射動力學(xué)分析及控制，以及新型主動、半主動、被動動力學(xué)控制技術(shù)的實現(xiàn)，特別是應(yīng)用于具體對象，使其在動力學(xué)性能方面有較大幅度的提高。5.13新型傳動系統(tǒng)理論與技術(shù)隨著社會對環(huán)保、安全和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注，新型傳動系統(tǒng)也應(yīng)向著環(huán)境友好的生態(tài)化目標發(fā)展。“十五”期間，應(yīng)以無級連續(xù)變速傳動、純水及內(nèi)燃機泵等新型傳動系統(tǒng)為研究對象，對新型傳動系統(tǒng)的設(shè)計理論和方法、新材料與新工藝的實用性、材料與介質(zhì)的相容性、新介質(zhì)的質(zhì)量控制及狀態(tài)監(jiān)測等一系列關(guān)鍵技術(shù)進行深入的研究，為在“十五”期間研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠性、廉價、環(huán)境友好的新一代傳動系統(tǒng)打下堅實的理論基礎(chǔ)。6.我國機械工程科學(xué)發(fā)展總趨勢在機械工程科學(xué)方面，我們雖然已經(jīng)取得了矚目的創(chuàng)新及進展，但必須清醒地認識到，我國機械工程科學(xué)總體上還處于落后狀態(tài)。主要體現(xiàn)在：我國機械工程的理論、方法和技術(shù)對中國制造業(yè)的自主創(chuàng)新和發(fā)展的貢獻不顯著；我國學(xué)者提出的機械領(lǐng)域的新概念、新理論不多；有重要國際影響的機械工程理論、方法和技術(shù)不多；國際機械領(lǐng)域?qū)W術(shù)界有較大影響的中國學(xué)者很少?？傮w上我國機械工程學(xué)術(shù)領(lǐng)域在國際上的地位滯后于中國制造業(yè)在國際制造界的地位。未來機械工程學(xué)科的發(fā)展將主要受到兩方面的制約和推動，一個是制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，另一個是學(xué)科的演變進步。鑒于未來制造業(yè)發(fā)展的總趨勢是全球化、信息化、綠色化、知識化和極端化(以下簡稱“五化”)。機械工程科學(xué)的基本任務(wù)，就是為制造業(yè)的“五化”提供所需求的機械系統(tǒng)新理論、新方法和先進制造技術(shù)。由于我國未來將大力推進擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進儀器及裝備技術(shù)，因此，基于自主創(chuàng)新的高技術(shù)儀器及裝備的設(shè)計制造的基礎(chǔ)研究將得到更充分地重視和更快地發(fā)展；此外，由于21世紀我國資源和環(huán)境面臨空前的嚴峻挑戰(zhàn)，要求機械與制造科學(xué)比以往任何時候更重視環(huán)境的保護、產(chǎn)品的安全性和綠色度、材料和能源的節(jié)省、機電裝備的再制造以及新能源制造領(lǐng)域的研究。我國制造技術(shù)的發(fā)展總趨勢是基于資源節(jié)約和環(huán)境保護基礎(chǔ)上的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化、智能集成化、高效精確化及極端制造化技術(shù)。采用德爾菲調(diào)查方法及研究分析，未來我國將要重點發(fā)展的制造科技主要有以下8個領(lǐng)域：(1)空天及深海裝備制造科技；(2)先進電子及通信制造科技；(3)微納米制造科技；(4)新能源裝備制造技術(shù)；(5)綠色制造科技；(6)仿生制造科技；(7)光子制造科技；(8)數(shù)字裝備制造科技；我國機械工程科學(xué)雖然已經(jīng)取得了長足的進展，但與國際先進水平仍然存在很大差距。我們必須保持清醒的頭腦，高瞻遠矚，盡快制定學(xué)科的長遠發(fā)展規(guī)劃，采取正確的學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略和策略。加強對基礎(chǔ)研究中原創(chuàng)性理論方法的支持力度，加強對原創(chuàng)性技術(shù)發(fā)明的支持力度。在繼續(xù)保持和發(fā)揚摩擦學(xué)、機器人機構(gòu)學(xué)等在國際學(xué)術(shù)界占有一席之地的同時，力爭在2020年前后機械與制造學(xué)科總體上進入國際先進行列。在機械工程領(lǐng)域?qū)W術(shù)界，涌現(xiàn)多個在國際上有重大影響的科技成果和著名科學(xué)家；在機械與制造相關(guān)的國際學(xué)術(shù)界占有更多席位；有一批國際一流并在國際上有重要影響的國家實驗室和工程研究中心；有一大批自主創(chuàng)新的重大科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，促使我國制造業(yè)產(chǎn)生更多的高技術(shù)產(chǎn)品和世界名牌企業(yè)。機械功的原理及機械效率（一）教材分析：有關(guān)“機械功的原理及機械效率”這一知識點，《物理課程標準》并沒有明確的要求，新教材（山東科技出版社出版）把它編入教材大概是出于這樣的考慮：其一，在《物理課程標準（解讀）》（由物理課程標準研制組編寫，湖北教育出版社出版）中這樣闡述“生活中有很多增大機械效率的例子，要求學(xué)生將機械效率的學(xué)習(xí)與生活、生產(chǎn)結(jié)合起來，關(guān)注生活和生產(chǎn)中常見機械效率的大小及意義”，要討論機械效率必須得了解功的原理。其二是在進入新課程改革之前，機械功的原理（簡稱功的原理）在義務(wù)教育初中學(xué)段教材中已明確給出，而在現(xiàn)行的課改實驗區(qū)教材中已不再明確提出功的原理，其用意是降低初中物理難度，初中物理學(xué)習(xí)仍然以定性的認識為主，要求學(xué)生認識各種簡單的機械知道使用有些機械可以省力但費距離，使用有些機械費力但可以省距離，并能說出生活中哪些機械省力，哪些機械費力。高中要再進一步研究機械，就要完成從感性到理性的飛躍，能夠認識到使用任何機械都不省功——功的原理，并能用功的原理解決一些實際問題。因此，不能認為這一部分知識是初中知識的重復(fù)而進行淡化處理或干脆不講，而應(yīng)在尊重學(xué)生已有知識經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進一步加深和拓展對機械做功原理的認識和理解，從而更深刻地體會人類發(fā)明和研究利用各種機械的意義。（二）教學(xué)目標知識與技能目標（1）知道機械功的原理，懂得使用任何機械可以省力但不省功。（2）了解機械效率的含義，關(guān)注效率的實際應(yīng)用。過程與方法目標（1）經(jīng)歷實驗探究機械功原理的過程，嘗試由幾種特殊機械做功特點總結(jié)出一般規(guī)律，體會物理學(xué)研究的科學(xué)方法（2）能認識研究機械做功效率的重要意義，并能通過合作交流等學(xué)習(xí)方式設(shè)計出研究“影響機械效率”的探究方案情感態(tài)度與價值觀目標（1）如實記錄實驗數(shù)據(jù)，具有尊重客觀規(guī)律、實事求是的精神。（2）通過交流一些常見機械的使用，體會人與機械的密切關(guān)系。（3）關(guān)注機械方向的科技成就和發(fā)展趨勢，具有可持續(xù)發(fā)展的意識和社會責(zé)任感。(三)教學(xué)重點和難點通過實驗探究得出機械功的原理并且能夠理解機械功原理的兩層含義是本次課的重點。難點是有關(guān)機械效率的討論和實驗探究設(shè)計。[1]

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下一頁（四）教學(xué)過程1.問題的提出師：通過初中階段的物理學(xué)習(xí)我們就已經(jīng)認識到有的機械使用起來可以省力，有的機械使用起來可以省位移，同學(xué)們可以列舉一些身邊的實例嗎？生：帶滑輪的吊車、桿秤、開瓶器、盤山公路等。學(xué)生回顧初中所學(xué)內(nèi)容并結(jié)合生活經(jīng)驗列舉許多實例。此環(huán)節(jié)用意在于引導(dǎo)學(xué)生進入研究機械的情境。師：那么，有既省力、又省位移的機械嗎？即使用機械能省功嗎？下面我們就通過實驗來探究這個問題。教師緊接著提出研究課題，并板書課題：機械功的原理及機械效率。2.明確任務(wù)，制定計劃探究機械做功的原理師：（1）你們準備探究哪種機械做功的原理？（2）實驗探究過程中需要測量的物理量有哪些？你們準備用什么儀器測量？（3）需要記錄哪些數(shù)據(jù)，你們準備如何處理數(shù)據(jù)？（4）你們的探究是在什么條件下進行的，要考慮哪些因素的影響？（5）實驗探究過程中應(yīng)注意什么問題。下面用2分鐘時間進行小組討論，討論過后制訂切實可行的實驗方案。新課程理念要求課堂教學(xué)要體現(xiàn)選擇性，這一思想同樣要滲透到實驗探究教學(xué)過程中，物理實驗探究絕不能是教師事先安排好的實驗驗證，這樣久而久之，學(xué)生就對未知的事物喪失了新奇感也就泯滅了求知欲。因此，在現(xiàn)有的實驗條件下，教師應(yīng)盡量創(chuàng)造機會讓學(xué)生自主選擇器材和方法，或彭勵他們自主構(gòu)建課程資源。新課程重視學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng)，但絕不能是漫無目的探究，在其探究思路和方法還未形成時教師應(yīng)做好引導(dǎo)，通過環(huán)環(huán)相扣的問題引導(dǎo)學(xué)生制定出切實可行的實驗方案，指導(dǎo)學(xué)生的探究朝預(yù)期的方向發(fā)展。生：（選擇不同的機械開始實驗探究）實驗小組1的實驗方案：如圖2所示：（1）用測力計將一件已知質(zhì)量的重物豎直勻速提高1m，記下人所做的功有多大。（2）通過一對滑輪組將同一重物豎直勻速提高1m，記下人所用的力和繩子自由端的位移，算出這種情況下人所做的功。實驗小組2的實驗方案：如圖3所示：（1）用測力計測出物塊的重力，用刻度尺測出斜面高度h。（2）用測力計拉著同一物塊從斜面底端勻速上升到斜面頂端，記錄測力計的讀數(shù)，并測量斜面的長度。上一頁

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下一頁3.匯報交流，分析討論師：通過實驗探究，你們是否已找到了問題的答案，下面開始分組匯報交流。實驗小組1：我們通過多次測量和計算得出的結(jié)論是，使用滑輪可以省力，但并不省功，相反，使用了滑輪要比不使用滑輪直接提升物體要費功。即總功W總總大于有用功W有。實驗小組2：雖然我們和1組采用了不同的機械，但實驗結(jié)果卻是一樣的。即沿斜面拉動物塊所做的總功總大于有用功，我們的結(jié)論也是使用機械并不省功。師：雖然大家采用的機械不同，但得到的結(jié)論都相同，說明這一結(jié)論具有共性，它適用于任何機械。我們在物理學(xué)中把這一規(guī)律稱為“機械功的原理”，大家想一想，這一原理的內(nèi)容該怎樣敘述呢？生：使用任何機械都不省功。師：很好！他使用自己的語言描述了功的原理。那么，這里的不省功應(yīng)該怎樣理解呢？生：是費功的意思。從實驗數(shù)據(jù)分析可以看出W總總大于有用功W有：師：噢，有道理。請同學(xué)們再想一想為什么我們使用機械總要費功呢？費在哪里？生甲（思而后答）：比如采用滑輪這種機械做功，我們在把物體提升的同時把滑輪也提了起來，對滑輪做的這一部分功是額外的，是我們不愿但又無法避免的。生乙（補充）:還有繩子自身有重力，繩子與滑輪間有摩擦也使得我們不得不做了一些額外功。生丙（受到了啟發(fā)）：在使用斜面時，同樣也不可避免地要克服物塊與斜面間的摩擦力做額外功。師：同學(xué)們的分析很到位，那么，能否設(shè)法減少額外功呢？生：能，盡可能地減輕滑輪自重，同時盡可能減小繩與滑輪間及物塊與斜面間的摩擦。師：很好，由此我們進行科學(xué)的推想，對理想機械則有總功等于有用功。大家再回答老師剛才提出的問題，“不省功”的確切含義應(yīng)該是什么呢？生：應(yīng)該為兩層含義：對于實際機械：W總>W有；對于理想機械：W總＝W有師：至此同學(xué)們對機械做功的原理認識已經(jīng)很全面了。動力對機械所做的功（又稱輸入功），也就是總功；機械克服阻力所做的功，既包括克服有用阻力所做的有用功（又稱輸出功，如克服被提物體所受的重力做的功），也