01 平面机构自由度-教学设计

当代教育实践与教学研究《平面机构自由的计算》讲课比赛教学案例分析吉林大学 卢秀泉 王聪慧 董景石摘　要：《机械原理》是工科大学生必修的一门专业基础课，其主要对平面机构的结构学、运动学和动力学问题进 行分析。

本文以《机械原理》课程中“平面机构自由度计算”部分作为吉林大学第六届“青年教师教学水平大赛” 的比赛内容，对该教学案例进行分析。

在示教的20分钟时间内，学生清楚了解自由度计算的工程意义，掌 握平面机构自由度计算公式，明白机构运动的条件，学会判断计算机构自由度时的注意事项——复合铰链， 通过丰富的教学手段和合理的教学设计以期达到良好的教学效果。

关键词：平面机构自由度计算 讲课比赛 案例分析文章编号：ISSN2095-6711/Z01-2014-09-0156一、背景吉林大学第六届“青年教师教学水平大赛”比赛基本要求：示教时间为20分钟；在规范书写板书的同时，要恰当、合理地使用多媒体课件。

比赛成绩由专家和学生代表按照教学竞赛指标体系进行现场评分。

根据讲课比赛的基本要求和特点，在教学设计时需考虑：（1）选题得当，内容安排合理。

教学主题内容明确且难度适中，保证在规定的有限时间内完整的体现一个教学单元内容；（2）充分运用丰富的教学手段，体现教师“说、写、演”三种教学素养，实现传统教学与现代化教学手段的完美结合；（3）教学过程中与评审（专家和学生代表）充分互动，课堂节奏紧凑、环环相扣、引人入胜、高潮迭起成为一个有机的整体。

基于以上考量，确定比赛选讲的内容是《机械原理》课程中的一小节“平面机构自由度的计算”。

二、教学案例展示1.课堂内容导入首先，说明课程性质和研究对象：《机械原理》是工科机械类学生必修的一门专业基础课。

其主要对平面机构的结构学、运动学和动力学问题进行分析。

介绍本次课教学内容的重要性和工程意义，激发学生的学习兴趣。

分别结合两组正确的和错误的平面机构工程设计实例，配合机构动画和图片，在简单分析其机构组成的基础上，引导学生观察机构的运动特点，从而说明本堂课知识点：从机构运动的角度，判定机构设计方案是否合理的依据。

平面机构的自由度教案第一章：平面机构的基本概念1.1 平面机构的定义介绍平面机构的定义和特点解释机构的作用和应用1.2 平面机构的组成介绍平面机构的组成要素，包括构件和连接解释不同类型的构件和连接方式1.3 平面机构的分类介绍平面机构的分类，包括单自由度机构和多自由度机构解释不同类型平面机构的特点和应用第二章：自由度的概念2.1 自由度的定义介绍自由度的概念和意义解释自由度在机构设计中的重要性2.2 自由度的计算介绍自由度的计算方法和步骤解释如何确定机构中自由度的数量2.3 自由度与约束的关系介绍自由度与约束之间的关系解释如何通过约束来控制机构的运动和稳定性第三章：平面机构的自由度计算3.1 单自由度机构的自由度计算介绍单自由度机构的自由度计算方法解释如何确定单自由度机构的自由度数量3.2 多自由度机构的自由度计算介绍多自由度机构的自由度计算方法解释如何确定多自由度机构的自由度数量3.3 自由度计算的实例分析提供实例分析，帮助学生理解和应用自由度计算方法第四章：自由度对机构运动的影响4.1 自由度与机构运动的关系介绍自由度对机构运动的影响和作用解释不同自由度机构的特点和运动方式4.2 自由度对机构稳定性的影响介绍自由度对机构稳定性的影响和作用解释如何通过自由度来控制机构的稳定性和可靠性4.3 实例分析：自由度对机构运动和稳定性的影响提供实例分析，帮助学生理解和应用自由度对机构运动和稳定性的影响第五章：自由度在机构设计中的应用5.1 自由度在机构设计中的作用介绍自由度在机构设计中的重要性和应用价值解释如何利用自由度来优化机构设计和提高性能5.2 自由度在机构创新中的运用介绍自由度在机构创新中的作用和意义解释如何利用自由度来创造新的机构设计和解决方案5.3 实例分析：自由度在机构设计中的应用提供实例分析，帮助学生理解和应用自由度在机构设计中的应用第六章：平面机构的自由度分析方法6.1 机构自由度分析的基本原理介绍机构自由度分析的基本原理和数学基础解释如何应用这些原理来分析平面机构的自由度6.2 运动链分析法介绍运动链分析法的概念和步骤解释如何利用运动链分析法来确定机构的自由度6.3 机构自由度分析的实例提供实例分析，帮助学生掌握自由度分析的方法和技巧第七章：平面机构的自由度优化设计7.1 自由度优化设计的目标介绍自由度优化设计的目标和意义解释如何在机构设计中实现自由度的优化7.2 自由度优化设计的方法介绍自由度优化设计的方法和技巧解释如何应用这些方法来提高机构的性能和效率7.3 实例分析：自由度优化设计在实际中的应用提供实例分析，帮助学生理解自由度优化设计的方法和应用第八章：平面机构的自由度控制8.1 自由度控制的概念和意义介绍自由度控制的概念和意义解释自由度控制在机构设计和应用中的重要性8.2 自由度控制的方法和技巧介绍自由度控制的方法和技巧解释如何应用这些方法来控制机构的自由度8.3 实例分析：自由度控制在实际中的应用提供实例分析，帮助学生理解自由度控制的方法和应用第九章：平面机构的自由度综合应用9.1 自由度在机构设计中的应用介绍自由度在机构设计中的应用和意义解释如何利用自由度来优化机构设计9.2 自由度在机械臂机构设计中的应用介绍自由度在机械臂机构设计中的应用和意义解释如何利用自由度来优化机械臂机构设计9.3 实例分析：自由度在机构综合应用中的实例提供实例分析，帮助学生理解自由度在机构综合应用中的方法和技巧第十章：平面机构的自由度教案总结10.1 平面机构自由度教案的回顾回顾整个教案的内容和重点强调平面机构自由度的重要性和应用价值10.2 平面机构自由度教案的实践应用鼓励学生将所学知识应用到实际机构和机械设计中强调平面机构自由度在实际工程中的重要性10.3 平面机构自由度教案的拓展学习推荐学生进一步学习的资料和资源鼓励学生探索平面机构自由度在更广泛领域中的应用重点和难点解析一、平面机构的基本概念：理解平面机构的定义、组成和分类是学习平面机构自由度的基础。

平面机构自由度说课摘要：“说课”是目前在各高校广泛开展的教研活动，通过“说课”教师可以相互交流、相互学习，提高教学水平。

本文平面机构自由度为例从说教材、说教法和学法、说教学过程三个方面阐述对说课的认识。

关键词：说课设计教学过程Abstract: The “Lessons” is now widely carried out in various university teaching and research activities. Through the “Lessons” teachers can interact and learn from each other to improve the teaching level. Taking planar mechanism degree of freedom, understanding of “Lessons” is elaborated from teaching material, teaching and learning methods, and teaching process three aspects.Key words: Lessons design teaching process说课，是一种教学研究和教师基本功训练的综合活动形式，它能够在一定程度上体现教师教学理论与实践的综合水平，因此目前在各高校受到各级各类教育行政部门和教研部门的青睐。

所谓说课，就是教师在有限时间内用简要精确的语言，讲述自己对所教这节课的教学内容的理解，还包括教法学法的选择、教学过程的设计及其设计的理论依据。

着重向别人说明“教什么”、“怎么教”及“为什么这样教”等问题。

说课是教师应具备的一项重要技能。

教师能熟练掌握这一技能将会大大缩短工作适应期，提高课堂教学水平，促进专业的快速成长。

为了促进教师进一步提高“说课”水平，掌握“说课”技能，我以平面机构自由度为例从说教材、说教法和学法、说教学过程三个方面阐述对说课的认识。

平面机构的自由度【教学目的】1、掌握运动链成为机构的条件。

2、熟练掌握机构自由度的计算方法。

能自如地运用自由度计算公式计算机构自由度，尤其是平面机构的自由度。

【教学内容】1、引出自由度的概念，明确自由度和约束的关系；2、推导自由度计算公式，并加以举例说明；3、学会利用公式计算平面机构的自由度。

【教学重点和难点】1、机构自由度的计算【教学方法】1、课堂以讲授为主，结合实物文件进行分析讲解。

2、注重师生交流，提倡师生互动，上课时细心观察学生的反应，课间与学生交谈，了解学生的掌握情况，根据反馈的信息，适当地调整授课内容和方法等。

【教学内容】1、概念：平面机构的自由度——机构具有确定运动的独立运动参数称为机构的自由度。

2、自由度的引入构件的独立运动称为自由度。

一个作平面运动的自由构件具有3个独立的运动，见图1。

图1 平面自由度即沿x轴、y轴移动及绕垂直于xoy面的轴线的转动。

构件组成运动副后，其运动就受到了约束，其自由度数随之减少，不同类型的运动副带来的约束不同。

如图2移动副中，限制了2相对1沿垂直于导路的移动及相对限制转动，引入两个约束。

如图3中转动副限制了2相限制1沿x轴y轴移动，引入两个约束。

如图4高副中，限制了2相对1沿法线轴的移动，引入一个约束。

图4 高副及表示符号3 自由度公式的推导如设平面机构共有n 个活动构件（不包括机架），当此机构的各构件尚未通过运动副联接时，显然它们共有3n 个自由度。

当两构件构成运动副之后，它们的运动就将受到约束，其自由度将减少，假设各构件间共构成了L p 个低副和H p 个高副，自由度减少的数目等于运动副引入的约束（H L p p +2）。

于是，该机构的自由度应为()H L H L p p n p p n F --=+-=2323 （1）4 自由度的计算图5 平面四连杆机构 图6 平面五连杆机构（1）三个活动构件，四个低副，零个高副。

104233=-⨯-⨯=F （2）四个活动构件，五个低副，零个高副342502F 总结：平面机构自由度的计算是教学中的重点和难点，计算自由度时需要找准活动构件的个数，注意低副和高副的约束，然后进行计算。

平面机构的自由度教案一、教学目标1.了解平面机构的定义和基本概念；2.掌握平面机构的自由度的概念和计算方法；3.掌握平面机构自由度的计算公式，并能够运用到实际问题中。

二、教学重点1.平面机构的定义和基本概念；2.平面机构自由度的概念和计算方法。

三、教学难点1.平面机构自由度的计算公式；2.如何应用平面机构自由度的计算公式解决实际问题。

四、教学准备1.多媒体设备；2.教学课件；3.示意图；4.计算实例。

五、教学过程1.导入（5分钟）通过一个简单的机械结构示意图，引起学生的兴趣，并引出平面机构自由度的概念。

2.知识讲解（15分钟）1)平面机构的定义：平面机构是由多个刚体通过铰链、滑动副等连接件连接而成，使得其中至少一个刚体较其他刚体有较多的运动自由度的机构。

2)平面机构自由度的定义：平面机构自由度是指机构中一些刚体相对于其他刚体的允许的自由运动的数量。

3)平面机构自由度的计算方法：a.单铰链机构：自由度=3n-m，其中n为零件数，m为约束数。

b.单滑块机构：自由度=3n-m+2，其中n为零件数，m为约束数。

c.混合机构：分别计算铰链和滑块的自由度，然后求和。

3.例题演练（30分钟）设计一个闭链机构，由4个杆件和4个铰链连接而成，其中两个杆件固定在平面上，另外两个杆件可以绕着铰链件旋转。

计算该闭链机构的自由度。

解：零件数n=4，约束数m=4，根据自由度的计算公式，自由度=3n-m=3×4-4=8-4=44.拓展应用（25分钟）请设计一个能够固定在地面上的四杆机构，其中一个杆件固定，两个杆件可绕铰链旋转，一个杆件可绕滑块旋转。

根据题目要求，计算该机构的自由度。

解：零件数n=4，约束数m=6，根据自由度的计算公式，自由度=3n-m=3×4-6=12-6=65.归纳总结（5分钟）通过例题的演练，复习和巩固了平面机构自由度的计算方法，并对平面机构的自由度有了更深入的理解。

六、课堂小结通过本节课的学习，我们了解了什么是平面机构，学会了如何计算平面机构的自由度，并通过例题的演练，掌握了自由度的计算方法的运用。