应用型高校力学在机械原理课程中的教学探讨

摘要：文章分析力学课程与机械原理课程之间的相关联系，探讨应用型高校力学课程教学中教师如何让知识融会贯通，并提出通过优化教学内容、改革教学方法、强化案例等实践，提高学生的理论水平、实践能力及解决问题的能力，从而使学生更好地适应工程领域的需求。

关键词：应用型高校；力学；机械原理

一、力学知识在机械原理课程中的应用

（一）约束与运动副的联系

在力学中，物体在空间的运动受到一定限制，对物体的运动所预加的限制条件称为约束。约束是通过物体相互接触的方式形成，比如自行车上车轮与轴的连接、齿轮传动中的轮齿啮合等。这种连接方式使两构件相互限制了彼此的相对移动，只允许有相对转动。而在机械原理中，两个构件直接接触并且组成的可动的连接称为运动副。约束与运动副存在一定的联系，平面机构常用运动副及约束数如表1所示。

（二）力学模型的简化与机构简图的绘制

在对实际的力学问题进行分析时，学生要将实际的力学问题抽象化为力学模型，而力学模型的简化，直接影响计算过程及结果。在机械原理中，机构是由许多构件通过运动副连接而成的。在分析机构的运动时，为了清晰地表示在机械运动过程中机构的运动情况、构件的组成及分类，通常用机构运动简图（用规定的符号和简单的线条表示构件之间的相对运动及运动特征的图形）来表示。在绘制机构简图时，人们往往需要清晰地表示出机构的类型、构件组成的数目、运动副的类型和位置。比如内燃机的机构运动简图由主体机构凸轮机构、齿轮机构、曲柄滑块机构（气缸、活塞、连杆和曲柄）组成。弄清楚了内燃机的构造，选定视图平面，学生才能绘制出正确的机构运动简图。

机构运动简图绘制过程实质上是对实际工程机械进行认知的过程。借助机构运动简图，人们可以建立机构的力学模型。由实际力学问题简化到力学模型，从表面来看模型简化并不复杂，但透彻地理解它是很不容易的。力学模型的简化和机械简图有着诸多相同之处，教师要传授力学和机械原理之间的研究方法，如何讲、讲什么、如何应用都需要深入思考与总结，并通过力学模型的简化和机构简图的讲授，培养学生对实际问题建立模型的能力。

（三）机构的运动分析

机构运动分析的任务是在已知机构尺寸及运动规律的情况下，确定机构中其他构件上某些点的运动轨迹、位移、速度和加速度。机构的速度和加速度分析依据的基本原理是力学中的运动合成原理，比如曲柄连杆机构中的曲柄或连杆的运动、机床的工作台移动等。通常物体运动时，其上各点的运动轨迹、速度和加速度各不相同，但同一个物体上各点之间是存在相互联系的。在力学中，运动的物体可抽象化为刚体，工程机械中平动和定轴转动是最常见的刚体简单运动。刚体的平面运动可以看作是平动和定轴转动的合成。工程中有很多平面运动刚体的构件，比如凸轮机构的顶杆、刨床机构的曲柄等，同一个构件相对不同参考系的运动是不同的。在力学中，通常用点的合成运动来分析物体相对于不同参考系之间的运动关系，但难点是如何选取动点和动系。由于力学教学会接触到机械原理中大量的机构，教师应结合力学理论和机械原理课程，融会贯通地讲授，帮助学生认识课程间存在的联系。教师通过已有的认知经验对实际问题进行力学简化，使学生清楚地意识到动点和动参考系不能选在同一个物体上是分析平面运动分析的关键点，这样可以更好地开展运动分析。

二、力学在机械原理课程中的应用

（一）优化教学内容

应用型高校应根据专业培养目标合理优化内容，加强力学课程与专业课程的紧密结合，将有限课时集中于讲授力学的关键基础知识点，讲透力学理论对机械原理课程的重要性，使学生掌握平面机构学和机械动力学的基本理论和基本方法，并将这些知识应用在复杂工程问题时简化推导过程，突出重点内容，尽量做到教学内容系统性、逻辑性和全面性。这就要求教师不仅要有扎实的力学知识，还需要精通机械原理知识。

机械原理四杆机构的运动分析，实际上就是力学中运动学知识点的应用。在力学中，在某瞬时平面运动刚体上速度为零的点称为平面刚体在该瞬时的瞬心。由于刚体在不断运动，其上各点的速度随时间在不断变化，所以某瞬时的速度瞬心虽然在这一瞬时速度为零，但到了下一瞬时，其速度不再为零，因而也就不再是瞬心了。在一般情况下，刚体在作平面运动时，每一瞬时总有一点是速度瞬心，速度瞬心在平面运动刚体上是随时间而改变的。学生是否正确理解瞬心的定义，决定了其能否找到平面运动刚体的瞬心。

在讲授平面运动速度分析时，教师要把瞬心的概念讲透彻，同时把结合构件的几何条件及运动情况来确定瞬心位置的几种方法讲清楚，帮助学生更好地掌握图解法机构的速度分析。比如，在讲授平面机构运动速度，教师要依据力学概念对通过运动副直接相连的两构件间的瞬心定义来确定其位置，而对于不通过运动副直接相连的两构件间的瞬心，可以借助“三心定理”来确定瞬心的位置。这样，教师可以帮助学生把力学知识灵活应用在机械原理课程中，提高学生分析和解决实际工程问题的能力。

（二）改进教学方法

在力学课程教学过程中，教师不仅要优化教学内容，还需要改进教学方法。传统的教学方法通常以教师讲授为主，教学内容单一，学生在学习过程中缺乏感性认识，加大了对知识的领悟和理解困难，而且教材中过于理想化、模型化的题目与工程实际联系脱节，学生很难对力学课程的实际应用性作直观的判断。

在课前，教师依据教学目标有针对性地选择教学资源，制作相应的课件，科学地设计教学活动。如在运动学这一部分，学生如果直接想象机构中的一个运动连杆及其上某一点的轨迹、速度是比较困难的。教师可以利用多媒体技术和网络资源，播放动画视频，或引入一些日常生活或工程实际中常见的实例，让学生了解零件实物和机构的运动情况，加深学生对知识点的理解。同时，教师可以借助“学习通”提前下发任务，引导学生思考。

（三）强化案例教学

根据应用型人才培养的要求，教师结合机械类专业课程建设规划，强化案例教学，培养学生的工程实践能力和创新意识。力学的概念和定理来源于实践，教师采用案例教学，结合一定的工程实际背景，引导学生运用所学理论知识分析问题、解决问题。案例教学是机械原理课程的重要组成部分，能够帮助学生将理论知识应用于实际工程中。下面，笔者以螺旋副的受力来分析自锁。如图1所示，当有摩擦时，支承面对平衡物体的约束力包含法向约束力FN和切向约束力FS（即静摩擦力），这两个力的合力称为全约束力FRA。全约束力FRA与接触面法线的夹角达到其最大值φf，这个角称为两接触物体的摩擦角。当作用在物块上的全部主动力的合力FRA的作用线在摩擦角φf之内，物体依靠接触面间相互作用的摩擦力与全反力，自己把自己卡紧，无论外力多大都不会松开的现象称为自锁。

螺纹连接靠的就是自锁性，机械原理中矩形螺纹的牙型角为0°。如图2所示，假设一个外载荷Fa作用在螺母上，转动螺母相当于给螺母施加一个转矩T1。将螺母看作滑块，如图3所示，根据螺旋副形成的原理，将螺杆沿着中径展开会得到一个斜面，这个螺母相当于在斜面上运动。根据力学，滑块受到垂直向下的外载荷Fa，转矩作用到滑块形成的水平切向力F，斜面对滑块支撑的法向力FN，相对运动产生的摩擦力μFN，法向力和摩擦力的合力看成总反作用力Fr，法向力相对于垂直面的夹角就是螺纹升角。滑块承受荷载沿斜面匀速下滑时，所需水平支持力为F=Fatan（λ+ρ）。当要让滑块匀速下滑，F为负值，只有给滑块施加与F相等、方向相反的外力，滑块才会匀速下滑。也就是说，如果不施加外力，无论载荷有多大，滑块都不会自动下滑。由此可以得出螺纹自锁的条件，要使螺纹自锁，螺旋升角小于或等于摩擦角。对于连接用的螺纹，人们希望它是自锁的，即如果人们把螺母拧紧之后，不施加反方向的力矩，螺母不会自己松脱。自锁现象在机械工程中具有重要的意义，工程实际中通常应用自锁条件设计一些机构和夹具使它自动“卡住”，如千斤顶、圆锥销等。机械原理课程具有与实例结合的特点，加强案例教学，可以达到将力学基础理论知识与实践有机结合的效果。

本文探讨了应用型高校中力学课程在机械原理中的应用，从具体的教学内容、教学方式和教学方法等方面入手，优化课程改革，让学生完全理解课程知识点，加强学生分析和解决实际工程问题的能力，培养学生的创新思维和解决问题的能力。然而，教学改革是一个长期而复杂的过程，需要不断探索和实践，应用型高校应继续深入研究力学在机械原理中的应用，探索适合培养应用型人才的道路。

参考文献：

[1]王正义，朱建群，李鹏波.地方应用型高校岩石力学与工程课程教学改革实践与效果评价[J].创新创业理论研究与实践，2023（20）.

[2]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京：高等教育出版社，2016.

[3]于捷，王铁彬，曹宇，等.王青刚工程认证下“理论力学”课程的教学思考：以梧州学院机械类专业为例[J].梧州学院学报，2023（3）.

[4]胡潇毅，高颖盈，刘达列.课程一体化的机械专业力学课改革[J].教育教学论坛，2017（39）.

[5]陈静，黎春林，胡嫣然.应用型本科高校土木工程专业理论力学教学改革研究[J].牡丹江大学学报，2018（8）.

[6]孙恒，葛文杰.机械原理（第九版）[M].北京：高等教育出版社，2023.

基金项目：2022年青岛恒星科技学院校级教改项目“理论力学在机械类相关专业的应用分析与探究”，项目编号：HXJY2022J089。