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摘 要：力学知识欠缺是机械设计基础课程教学中常遇到的问题之一。为此，在深入研究现有机械设计基础教材和课程大纲的基础上，简述了授课过程中械设计基础知识点与先修力学知识的对应关系，给出了机械设计基础教学中的力学知识应用体系，讨论了典型力学知识欠缺下对课程教学效果的影响，提出了弥补欠缺的几种应对措施和建议。
关键词：力学；机械设计基础；教学研究
本文引用格式： 周生通， 曾礼平， 槐创锋 , 等 . 力学欠缺下的机械设计基础教学影响和对策 [J]. 教育现代化 ,2021,8(35):176-178,196.
The Teaching Influences of Mechanical Design Foundation Course under the Lack
of Mechanics and Its CountermeasuresZHOU Shengtong, ZENG Liping, HUAI Chuangfeng, XIAO Yihua, MENG Fei, SONG Xiaoke(School of Mechatronic & Vehicle Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang Jiangxi)
Abstract: The lack of mechanics knowledge is one of the usual problems in the teaching of mechanical design foundation course. Therefore, on the basis of in-depth study of the existing textbooks and syllabus of mechanical design foundation, the application system of mechanics knowledge in the mechanical design foundation is given. The corresponding relationships between the mechanical design knowledge and the prerequisite mechanics knowledge are briefly described. The influence of the lack of typical mechanics knowledge on the teaching effect is discussed, and several countermeasures and suggestions to remedy the lack are proposed.
Keywords: mechanics; mechanical design foundation; teaching research
一 引言
为了适应非机械类本科专业对机械设计知识的需求，当前普通高等院校均开设有“机械设计基础” 这一门课程。从课程内容来讲，该课程主要包括机械原理和机械设计两部分，分别对应于机械类专业的“机械原理”和“机械设计”课程，也是这两门机械类技术基础课的有机整合，相应内容迎合了新工科要求，并解决了机械设计基础系列课程在学时缩减上的难题 [1]。
“工程力学”，或者说“理论力学”和“材料力学”，一直是机械设计基础系列课程的先修课程，在机械设计基础课程知识讲授过程中具有较高的参与度 [2]。然而，力学知识欠缺一直是影响机械设计基础教学效果的主要因素，也是导致学生挂科率较高的重要原因之一 [3]。据历年考试结果统计，若试卷中出现较多与力学知识运用有关的题目时，课程挂科率往往不低于 10%，严重时甚至高达 30% 以上。力学知识欠缺是机械设计基础课程教学中普遍存在的问题。造成欠缺的原因是多样的，例如：（1）专业培养计划缺少必要的先修力学课程，如我校物流工程专业；（2）力学课程开设学期滞后或同时于机械设计基础课程， 如我校电气、高分子材料和工业工程等专业；（3）虽学了力学课，但学艺不精或知识遗忘，无法有效接受或理解课程知识点对力学概念和原理的直接应用。
工程力学在内容上包含静力学、材料力学以及运动学与动力学等部分，相关知识是进行机械结构设计、运动设计以及安全校核的基础。为此，阐明力学知识与机械设计基础知识间的对应关系，构建机械设计基础力学知识应用体系，分析力学欠缺下的课程教学问题和对策，就显得尤为重要。
二 机械设计基础中的力学体系
虽然机械设计基础是机械原理和机械设计课程的整体优化与整合，但其面向对象多为非机械类或近机械类专业的学生，因此这种整合往往是低阶的， 即机械设计基础课程在知识点的涵盖和难度方面均有所降低。以我校机械设计基础系列教材和课程大纲为参照可以看到在机械原理中占有大篇幅的机构运动学和动力学分析等内容，在机械设计基础课程中均被弱化，甚至部分内容被整体删除；在机械设计中有关斜齿轮强度计算的内容则在机械设计基础中被极大地简化，等等。但即便如此，力学知识应用在机械设计基础教学中仍占有非常高的比重，是快速理解机械设计基础知识点的重要基础 [4-5]。
例如，在按照约束数划分运动副类型和推导机构自由度计算公式时，首先要建立起力学中的自由体和约束概念；在讲解机构压力角、传动角概念时， 掌握构件的受力分析方法是确定末端从动件受力方向的前提，若此时再掌握了二力平衡、三力平衡汇交等静力学公理及推论时，确定从动件所受力的方向就会事半功倍，而对柔性约束、光滑面约束、光滑铰链约束等约束类型的理解，是正确分析带传动中紧边拉力和松边拉力，以及凸轮机构和齿轮机构中高副正压力的关键；力的合成和分解原理是研究压力角大小好坏以及计算齿轮轮齿正压力作用下各分力大小的基础；依据力系平衡原理，向心推力轴承的轴向载荷以及减速器转轴上的支承反力就很容易计算。此外，在研究螺纹连接的受力分析、效率和自锁，以及运动副中的摩擦和考虑摩擦的机构静力学分析时，必须建立起力学中的摩擦概念，而摩擦力也是建立即将打滑时带紧边拉力和松边拉力关系式的关键。
在静强度条件方面，材料力学中的梁弯曲理论是齿轮传动中齿根弯曲疲劳强度、带传动中带的弯曲应力以及心轴和转轴中弯曲强度的计算依据；而紧边拉力、松边拉力和离心力在带传动中产生的拉应力，轴向拉力在螺栓连接中产生的拉应力则需要杆的拉伸强度理论求解；转轴、传动轴以及紧螺栓连接中的扭转应力需要扭转强度计算；横向载荷作用下的铰制孔螺栓连接和轴毂连接中的平键连接是基于挤压和剪切强度理论进行计算的；组合变形作用下，紧螺栓连接的拉扭组合应力和转轴的弯扭组合应力则是依据第三或第四强度理论计算。
在刚度条件方面，轴的刚度（挠度、转角和扭转）是由梁的弯曲变形理论和阶梯轴的扭转变形理论确定；而在紧边和松边拉力作用下的弹性变形差异则是理解带传动弹性滑动这一固有特性的关键。需要注意的是，上述强度和刚度的计算和分析均是建立在材料力学的基本假设和线性叠加原理基础上的，比如在绘制带的应力分布图时就是基于线性叠加原理将紧边 / 松边拉应力、离心拉应力以及弯曲应力直接叠加而来。
在运动学和动力学方面，刚体的定轴转动和速度瞬心理论是掌握基于图解法进行机构速度分析的基础；凸轮轮廓设计的反转法和周转轮系传动比计算的转化机构法则是建立在速度合成理论上的；能量守恒原理是理解机械运转和提出速度波动调节方案的依据；惯性力和惯性力矩概念掌握是机构平衡研究的关键。
除了上述必要的先修力学内容外，机械设计基础中还涉及疲劳力学、基于弹性力学的 Hertz 接触理论等内容。其中，Hertz 接触公式正是推导齿轮接触疲劳强度的关键；但这些并非是机械设计基础的必要先修力学知识，它们本身在该课程中就有详细的讲授。综上，给出了机械设计基础中包含的力学知识应用体系，如图 1 所示。
三 力学欠缺对教学效果的影响
由上节可以看到，具有扎实的力学先修知识在掌握机械设计基础知识点过程中非常重要。但正如引言中指出的那样，专业培养方案不合理（力学课程缺失、滞后或同期开设）或者先期学习功底不扎实造成力学知识混淆或遗忘，使得在机械设计基础教学中不可避免地存在力学知识欠缺问题。
显然，力学欠缺将导致相应机械设计基础课程内容的教学效果下降。例如在讲解四杆机构、凸轮机构和齿轮机构的压力角画法时，若欠缺二力杆、光滑约束、摩擦、三力平衡汇交等静力学知识，那么就很难快速理解从动件受力方向为何可以沿着连杆方向或垂直于高副接触公切面方向直接绘制，也难以体会压力角定义中为何会存在“不计摩擦力、惯性力和重力”这样的限制条件。
在讲解带传动的工作情况分析时，若欠缺考虑摩擦的受力分析、力系平衡以及拉应力、弯曲应力计算和线性叠加原理等力学知识，那么带中的紧边拉力、松边拉力、有效拉力的计算公式以及带中的应力分布规律等知识点就难以理解，最后只能通过死记硬背的方式应付作业和考试。在讲解凸轮轮廓设计的反转法和周转轮系传动比计算的转化机构法时，若欠缺点的合成运动以及刚体的平面运动等运动学知识，那么在理解“在对机构施加某一特定的、大小相等、方向相反的公共转速 ω 后，对心尖顶从动件盘形凸轮的轮廓曲线就是从动件尖顶的运动轨迹，周转轮系就转化为定轴轮系且转化后各构件的转速是实际转速减去公共转速 ω”这些直接给出的结论时就会出现认知盲区， 使得相关知识点的掌握成为课程的学习难点。
总之，力学知识的欠缺将使得机械设计基础课程中直接应用力学结论引入的知识点在学习时出现认知盲区，削弱了学生接受新知识的能力，相应的教学内容也就成为了学生学习的难点，这可以从一线教师的日常教学体会、课程作业和期末考试错题分布中反映出来。而为了克服这些难点，任课教师就需要事先对相应的力学基础知识进行铺垫，但对于一些复杂的力学知识则往往需要花费大量精力进行引入，无疑会严重拖延计划教学进度。
四 弥补欠缺的几种应对措施
由于遗忘导致的力学欠缺是最容易克服的，只需引导学生事先预习和及时回顾相应力学概念和原理即可达到较好的教学效果。但对于专业培养方案不合理导致的先修力学知识未掌握的情况则是影响机械设计基础教学效果的主因。虽然大部分理工科大学生在高中阶段对初等力学知识就有所接触，例如基本的力学概念（重力、弹力、摩擦力），力的合成和分解，牛顿三大定律以及简单的受力分析，但这些知识的深度和广度还远不能支撑机械设计基础课程的力学体系。为此，针对现实中的情况，这里提出以下几种应对措施和建议：
（1）优秀教材的选择或编写。建议以章节的形式、知识点穿插的形式或附录的形式将力学知识融入机械设计基础教材， 并以脚注的方式建立力学知识和课程知识点的直接联系，但力学知识是作为选学内容， 由任课老师根据非机械类专业学生特点进行适当讲解和引导。需要指出的是，本措施区别于将工程力学与机械设计基础两门课融合的教改研究。本措施并不建议融合掉工程力学课程， 因为工程力学是理工科专业的基础课， 其并非单独为机械设计基础这一门课服务。
（2）合理安排教学计划学时，补充力学基础。在未先修力学课程，同时不压缩机械设计基础学时的情况下，应适当增加必要的教学计划学时，用以补充所需的力学基础知识。若不能增加必要的学时， 则需退而求其次， 按照专业特点适当压缩非必要机械设计基础学时， 比如降低对机械调速与平衡章节的学习课时，预留部分力学教学学时。
简化与材料力学有关的课程内容，使机械零件设计部分弱化成通识教育。依据专业性质，可以简化机械设计基础中机械零件设计部分的教学内容，略去与材料力学有关的理论和推导过程，只讲解概述和设计结论，对部分知识点甚至采用死记硬背方法掌握。但对于与静力学有关的机械设计基础内容则无需简化，因为该部分力学知识相对简单，能以较少的学时补充，且大部分理工科学生具有高中力学基础。
（4）利用慕课、工程软件等现代教学辅助工具， 弥补力学缺失，提高机械设计基础学习效果。比如借助中国大学 MOOC、智慧树等“互联网 + 教育”平台，引导学生利用课余时间自主补充缺失的力学知识， 做到迎面困难、主动学习；同时，在课堂上教师利用ADAMS 和 ANSYS 等计算机辅助工程软件直观地演示静力学、材料力学、运动学和动力学知识，加强学生力学知识认知，促进机械设计基础课堂教学效果。
参考文献
[1]张敏 , 贾文华 , 贾炳辉 . 新工科背景下《机械设计基础》课程的创新研究 [J]. 山东工业技术 , 2019, (03): 242.
[2]来小丽 .“工程力学”教学与机械专业知识的联系 [J]. 中国电力教育 , 2012, (26): 55-56.
[3]陆宁 . 机械原理课程考试不及格率居高不下的原因探析 [J]. 教育教学论坛 , 2014, (35): 155-156.
[4]赖磊捷 . 加强力学知识讲解提升机械原理课程教学质量 [J]. 科技创新导报 , 2016, (14): 113-114.
[5]张瑞华 , 陈赛克 , 周玉梅 .“工程力学”在提升机械类专业大学生创新能力中的课程教学改革 [J]. 科技资讯 , 2017, 15(15): 142-143.
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