重点高校《机械原理》课程的新思考#
 

摘要：机械原理具学科性与课程性双重属性，要求重点高校教师科教并重，以科研思维贯穿
教学与教改。厘清对现代机器本质的认识以及《机械原理》课程在机械产品自主创新和领军
人才培养中的重要作用，明确传统机器、现代机器及机电一体化的内在联系，以此重塑《机
械原理》课程教学。通过课程内容的构成分析，明确课程教学目标、机构及构成要素、课程
体系与方法、课堂教学与课程设计配置等，提出重点高校《机械原理》课程的教改思路与对策。
关键词：机械原理；科研思维；互动式教学；探索式学习；系统观
New Thinking and Reforming in Teaching Mechanism and Machine Science
Abstract: Mechanism and Machine (MMS) Science is of both subject and course that demands
that the lecturers in the universities should perform both teaching and research and do teaching in
20 research thinking style. In this paper, the understanding of the modern machine is investigated, the
role of the MMS course is defined in the innovative design process of mechanical products and the
fostering of qualified engineers, and then the intrinsic relations among traditional machine,
modern machine and mechatronics are revealed that lead the new thinking and reforming of the
MMS course. The syllabus including the fundmental contents, the course goal, the concept of
25 mechanism and machine, the lectures, the design practice and so on are analyzed and the
methodology of the course reforming is proposed.
Keywords: Mechanism and Machine Science; Research Thinking Style; Interactive Teaching;
Learning via Investigation; System View
30 0 引言
培养具备扎实理论基础、强烈创新意识和全局创新能力的高端人才是重点高校的三大任
务之一。《机械原理》课程作为机械工程学科的核心基础课程之一，讨论的对象是机构与机
器的概念、组成、分析、设计等基本理论和方法；而机构性能设计与系统方案设计在现代机
械产品开发中处于创新性极强的设计过程前端，要求设计师具备全局观、系统观、多学科融
35 会贯通的大视野观；其分析与设计结果也处于产品价值链的前端，事关企业产品的市场竞争
能力高低、产品创新程度高低、技术水平高低、产品附加值高低甚至企业利润高低。因此，
《机械原理》这门课程在培养学生成为从事现代机械系统的性能分析、方案创新和产品开发
的工程技术骨干和领军人才、为我国建设创新型国家提供机械装备与产品自主开发能力方面
具有不可替代的独特作用。
40 但是，如何上好《机械原理》这门课程，充分发挥其在高端人才培养方面的重要作用，
是一项值得我们认真思考的课题。
1 对《机械原理》课程的作用与定位的再认识
不管现代机器如何发展，机器都是要借助机械运动实现机器的功用，因此实现机械运动
的机构是机器的核心组成部分。以机构和机器为研究对象的《机械原理》课程在现代机器设
45 计中具有举足轻重的地位。
1.1 《机械原理》具有学科性和课程性双重属性
机械原理又称机器理论与机构学（Theory of Machines and Mechanisms）[1]，既是一门机
械工程专业的大学生必修专业基础课，同时又是一门独立的、具有广阔内涵和重要地位、仍
处在不断发展和进步中的机械工程基础学科。随着对该学科内涵和地位认识的不断深化，
50 1990 年代国际学术界将其更名为机构与机器科学（Mechanism and Machine Science）。与此
对应，1969 年成立的“国际机器理论与机构学联合会”（International Federation for the Theory
of Machines and Mechanisms）也在2000 年更名为“国际机构与机器科学促进联合会”
（International Federation for the Promotion of Mechanism and Machine Science）[2]。从“理论”
上升为“科学”，预示着人们认识到机械原理这门学科在机械工程和机械产品创新中应处于
55 更为基础性的地位，需要作更为深入、系统的基础性研究。
很显然，机械原理具有学科性和课程性的双重属性，决定了《机械原理》课程的教学既
要有稳定的基本内容和基本要求，同时又要能适应学科发展的前沿性和动态性，通过不断进
行教学内容和方法的调整和优化，做到与时俱进。因此，《机械原理》课程教改的基本思路
应该来源于对机构与机器科学取得成果的准确理解和对这门学科发展动向的本质把握，《机
60 械原理》课程的主讲教师也必然应该是同时从事机构与机器科学研究的科技工作者，教师和
科技工作者的两重角色在《机械原理》这门课程中应该而且能够得到有机统一。只有站在学
科发展的高度、带着研究和思辨的眼光来对待《机械原理》这门学科性基础专业课程的教学
和教改工作，才能真正将这门课程上成精品课程、上成对培养学生成为工程技术骨干和创新
型领军人才有用的课程。
65 1.2 自主创新背景下对现代机器的再认识
《机械原理》课程的研究对象是机构和机器，其本质特征是能实现一定的机械运动，并
以机械运动为手段实现其功用[3]。现代社会中人类的生产实践活动和日常生活都离不开机器
的使用，这已经成为我们的共识。现代机器种类繁多，功能、构造、外形和复杂程度千差万
别。因此，设计师是如何创造出这些机器的，我们又能否不断设计开发出新的机器来满足人
70 类生产和生活的新需要，理解并掌握解决这些问题的基本手段，其实就是《机械原理》课程
教与学的重要使命。
1.2.1 现代机器的“灵魂”在于背后隐藏的设计思想与精巧构思
传统上《机械原理》课程讲授各类基本机构的分析和设计，但现代机器已经是被计算机
局部或全面控制的现代机械系统，机电一体化是其基本特征[3]。因此，《机械原理》课程在
75 现代机器开发中应起到什么作用，如何起到作用，首先需要我们能够从设计的角度来正确认
识现代机器、现代机械产品与系统的本质。
从系统结构上来看，现代机器往往可以拆解成一堆机械结构件、运动构件系统、控制器、
机电接口、驱动器、计算机、线缆等不同性质的零部件，这些零部件分别来自于机械加工、
电子制造、光学制造等不同学科的制造工艺和过程。如美国发射的火星探测机器人若光从结
80 构上看，无非就是轮子、连杆、齿轮、电机、计算机、传感器、无线通讯单元、摄像机、太
阳能电池板等零组件。但为什么火星探测机器人需要这些零组件，为何把这些零组件装配起
来就能完成令全人类兴奋的太空探测任务？显然，只从机器制造和物理结构的角度来看现在
的机器，我们看不到机器的“灵魂”，看不出这些机器在当初是如何被工程师们精巧地构思
和开发出来的，只看到琐碎、零乱的一堆零组件，纷繁复杂的物理结构掩盖了机器背后的真
85 实设计意图和过程。正因如此，现代机器知识含量高、附加值高，难以被仿制，即使仿制成
功也往往“形”似而“神”不似。因此，要理解现代机器的构思和开发过程，我们需要抛开
具体的物理结构去寻找机器背后隐藏的设计思想，深入分析其设计过程，在理解现代机器设
计的同时，也逐步建立起设计新机器的能力。
1.2.2 从功能视角构建机器的逻辑结构
90 分析现有机器的目的是要理解机器，弄清其设计意图和设计思想，进而能够改进现有机
器的性能，或者根据国内外市场的需求设计出新机器。因此，观察机器就应该换一个角度，
将机器的实体结构进行合理的抽象，从方案设计的需要即功能的角度来考察、理解机器，才
有可能明确地揭示出机器的运行原理和设计思想。
从机器实现运动功能的角度出发，如图1 所示，可以发现无论什么机器都包含执行和控
95 制两大功能模块[4-9]。执行功能模块是实现机器的机械能转化、运动生成和转化等功能的执
行者，其载体是机构、广义机构或其系统，以及原动机及之间的传动系统。控制功能模块负
责指挥、协调和优化执行功能模块内的动作配合和动作质量，保证执行功能模块高性能地实
现其运动功能，并与操作者实现人机通讯和交互。为达到此目的，控制功能模块进一步可以
划分为信息处理与控制、传感检测两个子系统。信息处理与控制子系统的功能载体是计算机。
100 现代机器是通过控制与执行的功能模块间相互配合、相互协调来共同实施机器的运动过程，
实现机器的功能。控制与执行的功能模块之间构成了开环或闭环的信息传递与控制回路，从
而形成现代机器的总体逻辑结构。
信 息 处 理 及 控 制
子系统
传感检测
子系统
广义执行机构
子系统
执
行
控
制
图1 现代机器的总体逻辑
105 Fig. 1 Functional Structure of Modern Machine
从控制结构复杂度来看，现代机器可以划分成单元和系统两个层次的产品类型。图1
也表示了单元层次的现代机器闭环控制逻辑结构。对于一部较为复杂的现代机器，其控制结
构大都表现为递阶分层嵌套模式，各执行单元都可能是一个较为完整的动作单元，由广义机
110 构和控制两部分组成。如图2 所示，系统层次的现代机器总体上仍包含执行和控制两大功能
模块，从控制的角度呈递阶控制结构，其中每个执行单元可以是完整的，也可以是非完整的。
图2 现代机器的系统层次的逻辑结构
Fig. 2 Functional Structure of Modern Machine at System Level
115
1.2.3 对传统机器、现代机器与机电一体化内在关系的理解
从表面上看，现代机器与传统机器总是存在很大差异。传统机器主要由各种机械零部件
构成，而现代机器除了各种机械零部件之外，还常常有各种传感器、控制器、计算机等电子
和控制元器件。造成这种差异的根本原因在于机电一体化技术得到了不断发展和广泛应用。
120 在控制功能电子化的同时，机电一体化技术不仅简化了机器的机械结构，也为机器增添了“智
慧”[3]。
从包含的功能子系统看，现代机器与传统机器是相同的，都有执行和控制两大功能模块，
但功能模块的实现手段不同。执行功能模块不再局限于传统机器中的刚性机构及其系统，而
是拓宽为现代机器的广义机构及其系统。控制功能模块也不再只是传统机器中的凸轮分配轴
125 等机械实现方式，而是拓展为现代机器的控制器、传感器、计算机和软件等新手段。机器的
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