本書采取“項目驅動教學”的思路,按照機構設計項目構思(C)、設計(D)、實施(I)、運行(O)的順序組織機械原理知識點,即先介紹機構基本知識、常用機構、機械運動方案設計及實例分析,再介紹連桿機構設計、凸輪機構設計、齒輪機構設計、輪系計算與設計,之后介紹機構運動分析、機構力學分析,再之后介紹機械效率、自鎖、平衡、機械運轉與速度波動調節(jié)等基礎知識。在此基礎上,最后介紹基于再生運動鏈的桿機構設計方法、基于TRIZ理論的機構創(chuàng)新設計方法、機構優(yōu)化方法及相關編程方法。
本書是結合機械基礎課程教學指導分委員會對機械原理課程知識點要求、教育部關于金課的“兩性一度”(高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度)標準及CDIO [C-構思(conceive)、D-設計(design)、I-實施(implement)、0-運行(operation)]的教學實際進行編寫的。
本書采用項目驅動教學,知識點按照實踐項目的CDIO過程組織。在項目構思(C)模塊,需要知道機構是如何組成的,有哪些常用機構,機械運動方案如何構思等,針對這些實踐需求,設置了機構的組成原理、常用機構、機械運動方案設計等知識單元。在項目設計(D)模塊,需要知道機構設計方法,相應設置了連桿機構設計、凸輪機構設計、齒輪機構設計、輪系設計等知識單元。在項目實施(I)模塊,需要對機構進行分析,相應設置了機構運動分析、機構力分析等知識單元。在項目運行(O)模塊,可能碰到有關效率、自鎖、平衡、波動調節(jié)等問題,相應設置了機械效率與自鎖、機械平衡、機械動力學、速度波動與調節(jié)等知識單元。本書的結構設置保障學生在不同的項目模塊中及時得到相關的知識傳授,達到學與用同步、理論與實踐協同的目標。同時,作為拓展內容還介紹了機構創(chuàng)新設計方法及優(yōu)化方法(包括再生鏈的桿機構創(chuàng)新設計方法、TRIZ理論機構創(chuàng)新設計方法、機構優(yōu)化設計等),機構設計與分析的MATLAB編程等。另外,本書也在常用機構中初步介紹機器人機構,并在很多案例中涉及機器人機構,幫助學生了解機器人機構。
根據上述機械原理CDIO知識點的組織思路,本書的章節(jié)安排為:第1-4章為構思(C)模塊的知識單元,包括緒論、機構組成原理、常用機構、機械運動方案設計;第5-8章為設計(D)模塊的知識單元,包括連桿機構設計、凸輪機構設計、齒輪機構及其設計、輪系及其設計;第9-10章為實施(I)模塊的知識單元,包括機構運動分析、機構力學分析;第11-13章為運行(0)模塊的知識單元,包括機械的效率與自鎖、機械平衡、機械動力學(含機械系統的動力學模型、機械的速度波動及其調節(jié)等);第14、15章為知識擴展(V)模塊,包括機構創(chuàng)新設計與優(yōu)化、機構設計與分析的編程。教學內容設計(知識點選取)上保證了“兩性一度”與地方性高校學生特點的協調,在教學內容的取舍上,教學中可根據實際情況選取,建議著重關注機構的構思和設計模塊,而實施與運行模塊中的知識點與理論力學課程有一些重疊,應注意講授與理論力學不同的知識點,書中標注“木”的內容為選學內容。
每章的內容安排是:先介紹一個知識點,對于重要的知識點先設置例題,之后是強化訓練題;而后再按照這個思路安排另外一個知識點,直到本章知識點介紹完畢;最后給出課后習題。
考慮到CDIO教學實際情況,使用本書時建議采用的教學組織形式為:(1)提前三周將教學進度表(包括每次講授的知識點信息、驅動項目、課后實踐內容、關鍵節(jié)點、考核要求等)發(fā)給學生,并提醒學生嚴格參照進度表實施驅動項目或準備資料;(2)驅動項目主體實踐工作放在課后進行,利用慕課組織學生預習,課內以重要知識點傳授和研討為主;(3)課堂教學采用PTDS流程實施,即問題(problem)導入,設置一些問題引出要講授的知識點;知識點精講(teaching),對重點、難點進行講授,并回答學生在課后實踐中發(fā)現的問題;專題討論(discussing),針對重要知識點進行深入討論,主要是結合例題討論如何應用、與其他知識的關聯等;最后總結(summary),每組分別總結討論結果,給出知識關聯與應用思路。(4)對于關鍵節(jié)點,要求學生以小組為單位匯報課后實踐情況,以PPT和實物進行講解,并回答其他小組的質疑,及時提醒課后的實踐任務。
本書構建適合CDIO教學的機械原理知識體系,著力培養(yǎng)學生構建機構的知識體系,對創(chuàng)新機構的分析與設計能力,并體現以下特色:(1)按照驅動項目的CDIO流程來組織知識點,便于學生邊實踐邊學習理論知識,理論與實踐并行。(2)選用有工程應用背景的例題、強化訓練題和習題,使學生能夠融入機構的工程應用環(huán)境。特別是第二章習題中給出了大量生產實際中的機構,通過繪制這些機構的機構簡圖,讓學生充分了解機構種類及基本構成。同時課后習題給出多種類型的、便于學生適應考試的題型。(3)給出再生運動鏈桿機構創(chuàng)新設計方法、TRIZ理論機構創(chuàng)新設計方法及機構參數優(yōu)化方法,引導學生在學習基本知識的同時,應用創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法設計更為合理地創(chuàng)新機構。(4)兼顧經典知識點和現代新型機構知識,注重知識的更新、計算機技術(如機構設計與分析的編程)和機構技術的發(fā)展,書中多處給出了機械手機構,介紹了新型機構、機器人等,除了使學生掌握經典的機構設計與分析方法外,將進一步擴展學生的機構知識面。大量有工程應用背景的例題、習題等保證了本書的高階性,創(chuàng)新機構設計與新型機構、編程等保證了本書的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。
本書由江帆、董克權、龐小兵任主編,江帆、董克權、龐小兵、黃衛(wèi)清、區(qū)嘉潔、張建、袁嚴輝、殷素峰、何華、陳興強、戴娟參與了本書的編寫工作。研究生陳玉梁、沈健、祝韜、黃海濤、盧浩然、祁肖龍等承擔了文字編輯工作、插圖制作、實體模型、習題解答及配套課件的制作。謝寶山、鐘其鎮(zhèn)等同學參加插圖的制作。本書強化訓練題和習題的答案可掃二維碼查看。
華南理工大學朱文堅教授審閱了本書,并提出了很多寶貴意見,在此致以深深的謝意。
本書得到廣東省教學質量工程項目——“機械原理”精品資源共享課(粵教高函[ 2016]233號)、“創(chuàng)新與發(fā)明”在線開放課程(粵教高函[2017]214號)、廣州市高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育項目[創(chuàng)新與發(fā)明課程建設(201709k20)]、廣州大學教材出版基金資助,得到廣州大學機械與電氣工程學院張春良、文桂林、柳晶晶、王一軍等領導的支持和指導以及機電工程系很多老師的幫助,得到肇慶學院、東莞理工學院、電子科技大學中山學院、長沙學院相關領導和老師的幫助和支持,在此一并致以衷心感謝。本書參考了一些國內優(yōu)秀教材的內容,引用了一些網絡資源,在此對原作者致以謝意。
本書是CDIO教材與研究性教學方法的一種嘗試,難免有漏誤及不當之處,敬請各位機械原理教師及廣大讀者指正,意見與勘誤請發(fā)至郵箱:jiangfan2008@ 126.com,謝謝!