机器制造技术原理是什么(令无数大学生“闻风丧胆”的《机械原理》，原来是这样来的)
面向人才培养需求的教材建设探索
郭卫东*于靖军
（注：作者单位：北京航空航天大学。）
摘要：本文以作者编写出版的用于“机械原理”课程教学的一系列教材为基础，介绍教材编写的初衷、意义、特色和一些独到的编写方法。系列教材以有利于学生建立扎实的理论体系和培养工程实践能力为出发点，结合卓越工程师培养的需要，精心打造编写。在实际教学使用中，得到了学生的一致肯定，为此类教材编写中的内容创新和形式创新进行了有益的探索。
关键词：机械原理创新教材卓越工程师
一、引言
教育部在《关于“十二五”普通高等教育本科教材建设的若干意见》中指出：高等学校要根据学校特色，促进教材建设与人才培养相结合，与专业建设、课程建设、科研工作、教学方式方法改革和教学辅助资源建设相结合，形成良性互动，建设高质量教材。在这样的时代背景下，我们经过多年的努力，打造出了面向学生能力培养需求的机械原理课程系列教材。本文将结合系列教材编写中的内容创新和表达形式创新，来介绍我们在编写教材中的一些改革和探索，以此为提升高等院校教材的编写质量提供一些可借鉴的经验。
二、教材的编写动力
北京地区汇聚了多所著名的大学，很多教师在“机械原理”课程教学中不断改革和探索，积累了丰富的教学经验，也获得了多项教改成果。随着每年一次的北京地区机械原理课程教学研讨会交流的不断深入，很多教师有愿望出版一套汇聚这些改革成果、凝聚教学经验、体现学校特色的机械原理系列教材。在此背景下，北京市高等教学学会机械原理研究会牵头组织编写的机械原理教材孕育而生。《机械原理》和《机械原理教学辅导与习题解答》是北京高等教育精品教材建设重点支持项目，是依据2006—2010届国家教育委员会机械基础课程教学指导委员会编写的《机械原理课程教学基本要求》及“《机械原理课程教学基本要求》编制说明”，结合北京市九所院校的特色，以及在“机械原理”课程的体系改革、内容建设和教学方法探索中所取得的一系列成果的基础上编写而成。
北航机械原理课程改革的一项重要内容就是将虚拟样机技术与经典的机构学理论有机融合，通过虚拟样机技术的应用，深刻理解经典机构学理论的精髓，在通过运用机构学理论知识，很好地掌握虚拟样机技术的应用，做到两方相互促进，达到互补双赢的目的。为了使学生能很好地掌握虚拟样机这一先进的技术，在“机械原理”课程教学经验积累和虚拟样机技术应用科研成果积累的基础上，我们编写完成了普通高等教育“十一五”国家级规划教材《虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程》，为学生学习和应用虚拟样机技术提供了一个较好的使用教程。
现在一些大学正在努力向研究型大学迈进，按照国际例行标准，研究型大学的定位在于：本科生教育与研究独特地融合在一起，为学习和发现创造出空前的机会——从而保持教育与研究两者的前瞻性和活力。众所周知，美国、德国版本的经典《机械原理》教材中都富有这一特性，例如每个习题都可能作为一个科研项目，从而保持了长久的生命力。中国版《机械原理》教材，就是由北京四所院校合力打造的基于这一理念的创新尝试，很大程度上也从欧美经典教材中得到了启示。
另外，实验教学是机械原理教学中一个十分重要的环节，也和工程设计问题密切相联。尤其是创新性实验在教学过程中能够充分调动学生的积极性，引导学生由被动学习走向主动学习，培养学生动手能力，启发学生思维和创造力，提高实验技能和科学实验素质，锻炼分析问题和解决问题的能力，进而达到创新精神和创新能力培养的目的。与机械原理教材相比较，实验教程较少，且比较陈旧，不能很好地反映出现代教学的方法和教学理念。在这样的条件下，我们编写出版了《机械原理实验教程》。
从以上的阐述中可以看出，结合课程教学的需求，与时俱进，编写具有特色高质量的教材，为学生服务，为教学服务，是教材编写的出发点，也是教材编写的动力源泉。
三、教材的内容创新
为了更新知识，将新的研究内容、研究方法反映到教学过程中，使学生了解和掌握最新的研究方向，我们在编写教材的过程中，特别注重了内容的更新。
在《机械原理》和《机械原理》（第2版）中，其内容力图体现以“设计为主线”的指导思想，在加强基础理论、基本方法和基本技能培养的基础上，以机构和机械系统设计为主线，注重机构和机械系统创新设计能力的培养。为体现“设计为主线”的思想，书中精简了机构分析的有关内容。为体现“机构和机械创新设计能力培养”的目的，书中在大量介绍机构的应用和设计实例的基础上，重点突出了综合设计实例和机构的创新设计的内容，加强了机械系统运动方案设计的内容，并引入空间连杆机构和机器人机构，以拓宽机构分析和设计的广度与深度。
《机械原理》（第2版）在国内首创将虚拟样机技术与机械原理课程的经典机械设计理论有机结合，目的是要培养出具有机械工程创新设计能力，具有扎实的机构学基础理论知识，具有应用先进的机械系统分析与设计技术和手段的能力，具有动手实践能力的高素质人才。这在很大程度上丰富了课程的教学内容，不但提高了学生的学习兴趣，增强了对问题的更深刻理解，还使学生初步掌握了虚拟样机这一先进技术，为持续、快速地进行机构的创新设计与分析奠定了基础。例如机构的虚约束问题和局部自由度问题，都可以通过虚拟样机技术直观、深刻地阐述其问题所在和处理结果对机构运动的影响。
为了使学生能很好地掌握虚拟样机这一先进的技术，在“机械原理”课程教学经验积累和虚拟样机技术应用科研成果积累的基础上，我们编写完成了普通高等教育“十一五”国家级规划教材《虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程》。该书以美国MSC公司的机械系统动力学分析软件ADAMS为平台，以设计实例为主线，从最基础的入门开始，介绍虚拟样机技术在机械产品设计与分析中的应用。特点是不泛泛介绍ADAMS的各种操作和命令，而是从实用出发，以设计实例为主线，通过具体操作过程来掌握ADAMS软件的基本建模、仿真和分析方法。书中涉及的20多个设计问题都是作者的独创，内容上具有较好的创新性。
为了适应研究型大学对课程教学的需要，我们尝试编写了《机械原理》教材，并已在北航试点使用了三届学生，取得了较好的效果。教材构建了以“设计”为主线，以分析为基础，以机构设计和机械系统运动方案设计为落脚点，以加强基础、拓宽知识，增强学生工程实践能力和创新设计能力培养为目标的课程新体系。全书从一个典型机构设计实例（扑翼式微小飞行器设计）出发，按照设计过程（机构选型与构型→运动分析、设计及仿真→静、动力分析及设计→实验）将概念设计的各个阶段串联在一起。
该书将本科“机械原理”与研究生“高等机械原理”的主要知识点有机衔接于一体，并试图反映出学科的最新研究进展和成果，该书配套网络电子资源中，还增加了空间连杆机构、并联机构、柔性机构设计的内容。其创新部分主要体现在：
1.增加了反映当前国内外本课程改革和本学科发展的新成果，如机构自由度分析与结构综合、单闭链与单开链空间机构、并联机构，以及柔性机构的一些基本知识等。
2.融最新的科研成果于教学中。一方面将最新的科研成果具体化、形象化，并引入到理论知识中，具体体现在自由度分析与计算、瞬心等多个知识点的阐述中；另一方面将最新的科研课题进行抽象简化，作为创新设计的题目，指导实践教学。
3.增加了知识拓展与文献阅读的内容（包括概念理论方法工具等知识层面的拓展、介绍机构在现代科技中的应用等）。
4.个性化较强，展现个人的学术观点。如将速度瞬心的描述扩展到刚、柔两类虚拟瞬心机构的分析及设计；将旋量方法应用于各类机构的结构分析与构型综合中。
《机械原理实验教程》是我们结合所完成的北航重点教改项目“面向学生能力培养的机械原理实验体系研究与实践”的研究成果编写而成。教程首次创立了新的机械原理实验教学体系，力争构建出既具有认知性和验证性特征的基础性与普及性实验项目，又可体现创新设计思维及方法的综合性设计实验项目，还有强调自主创新设计能力和动手实践能力的自主创新设计与制作实验项目的“丰富多彩”的实验内容。机械原理实验教学体系分为五个层次，由低层到高层，循序渐进，使学生的机构设计能力和动手实践能力不断提高。
总之，教材的内容创新是伴随着课程的深化改革对教学内容的要求而实现的，目的是帮助学生系统地掌握机构学理论知识，掌握一门先进技术，锻炼培养动手实践能力。无论如何创新内容，其宗旨都是为了不断提高教学质量。
四、教材的编写形式创新
《机械原理》分为纸质版内容和网络电子版内容两部分，这种编写方式在国内具有创新性。纸质版的内容量按照50~70学时编写而成，主要用于本科生的“机械原理”课程教学。网络电子资源中则补充了高等机构学的教学内容，包含机构的自由度与约束分析，空间连杆机构的位置、速度和加速度分析，基于约束的复杂机构构型综合方法，空间连杆机构和柔性机构的设计，图论的基本知识，线几何与旋量理论基础等，可作为研究生教材使用，或供学有余力的本科生课外阅读。
我们对该教材进行了精心的设计，将超出本科机械原理教学要求的部分都放在了网络电子资源中，尽可能地控制纸质部分的厚度，使书的售价能让普通学生接受。放入网络电子资源的内容，又可以突破纸质印刷的限制，采用全彩图片，更为生动地展现知识。
为了将机构的运动仿真模型以最直观的形式展现在读者面前，该书首次将先进的二维码技术应用到机械原理教材中。读者通过使用智能手机中浏览器的二维码扫描功能扫描印在图后的二维码，即可上网并显示与此图相关的运动仿真动画或录像。
二维码技术将纸质书本、互联网和手机有机地联系在一起，使读者避开了电脑，直接使用智能手机获取与教材配套的多媒体资源，提高了阅读便捷性，改善了用户体验，激发了读者的兴趣。
教材采用双色印刷，将重点的文字和图形用不同颜色表现出来。特别是在插图中，表示运动的符号和箭头，速度、角速度、力、力矩、分布载荷的符号和箭头，以及复杂图中重点表示的部分均用蓝色表示，使图示内容重点突出，更容易理解和记忆，改善了学习效果。
此外，每章在正文的基础上，还包含内容提要、辅助阅读材料、讨论题与习题等，以协助教师组织教学和学生自学。
《虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程》没有泛泛介绍虚拟样机技术（以ADAMS为平台）的各种操作和命令，而是从实用出发，以设计实例为主线，由浅入深地一步步引导读者通过具体操作过程来掌握ADAMS软件的基本建模、仿真和分析方法。在编写方式上，做到文字叙述与插图有机配合，力求达到使读者能尽量少地去读文字描述，而只要看图就可以完成操作学习的目的。为此，在文字叙述中加入了编号1，2，3，4等，而插图中也对应地标出了①，②，③，④等，给读者的阅读带来了极大的方便。
教材编写方式的创新是为内容服务的，这是编写方式创新的宗旨。好的教材内容加上创新的编写方式，相辅相成，可以使读者在良好轻松的环境下获得有关知识。
五、总结
课程改革与发展要求教材不断变革与更新，更需要广大教师投入更大的精力从事教材的编写工作，为培养出紧跟时代步伐的高素质人才服务。新时代卓越机械工程师能力提升的有效措施在于对坚实宽广的理论基础和源于项目的工程实践两者的兼顾。我们的这些教材即以此为目标撰写而成。本文分别从编写初衷、内容和形式三方面对教材的编写体会进行了介绍，为读者在从事相关教材编写时提供一些经验和借鉴。