《工程力學(xué)》案例教學(xué)的探索和實(shí)踐

趙秋玲+張君華+劉芳

摘要：結(jié)合我?！豆こ塘W(xué)》課程教學(xué)現(xiàn)狀，本文對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的建設(shè)進(jìn)行了探索和實(shí)踐。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和狀態(tài)，教師必須充分利用有限課時(shí)，把最重要、最基本的工程力學(xué)知識(shí)傳授給學(xué)生，讓他們更好地掌握，進(jìn)而能夠在以后的學(xué)習(xí)和工作中會(huì)用、用好。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；工程力學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）43-0144-02

本文將著力于把工程力學(xué)的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)融入工程實(shí)例，針對學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)，爭取每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都能引入與本專業(yè)相關(guān)的工程案例，在分析工程案例的過程中更好地掌握課堂知識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和利用所學(xué)知識(shí)分析、解決工程問題的能力。本課程力爭做到從整個(gè)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的角度出發(fā)，起到做好專業(yè)課過渡的橋梁作用。

一、針對專業(yè)特色，選擇適合的工程案例和生活實(shí)例

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)他們的積極性，成為學(xué)習(xí)的主人，教師在講解每個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡可能地運(yùn)用相關(guān)專業(yè)工程實(shí)際問題或?qū)W生熟知的身邊實(shí)例，并不斷在實(shí)踐中積累和完善，從工程實(shí)例和工程事故中挖掘教學(xué)內(nèi)容的深度。

對于已有一定力學(xué)知識(shí)的學(xué)生，為了進(jìn)一步拓展和深化，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，教師要把力學(xué)的研究對象擴(kuò)展為質(zhì)點(diǎn)系，尤其是剛體系。為此，我們以神州六號(hào)軌道艙和返回艙為例，說明研究衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道時(shí)，衛(wèi)星可視為質(zhì)點(diǎn)；但研究衛(wèi)星姿態(tài)控制時(shí)，就不能視為質(zhì)點(diǎn)。新聞中的問題，可有效吸引學(xué)生的注意力。

在介紹約束與約束力時(shí)，可多講工程實(shí)例，使學(xué)生體會(huì)到各種約束都是根據(jù)工程需要進(jìn)行的設(shè)計(jì)。我們首先要學(xué)會(huì)如何為讓工程實(shí)際問題簡化成力學(xué)模型。為了加深理解，可給出機(jī)械臂的動(dòng)畫，并利用單缸內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)：曲柄—滑塊機(jī)構(gòu)動(dòng)畫，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)《工程力學(xué)》課程所講述的內(nèi)容是非?；竞椭匾?。多數(shù)工程問題可以用工程力學(xué)來描述，如介紹日常生活中常用的剪刀、介紹受力分析和選取研究對象的過程，使原來對這部分搞不清楚的學(xué)生建立起信心。

對于固定端約束，要強(qiáng)調(diào)存在約束力矩，為此，除了飛機(jī)機(jī)翼、加工時(shí)卡盤對工件的約束，還可以列舉陽臺(tái)、地面對電線桿的約束等，使學(xué)生從逆命題方面進(jìn)行思考，拓寬解決問題的思路。學(xué)生熟知的日常生活實(shí)例或本專業(yè)的工程案例，會(huì)讓學(xué)生感到很親切，感到工程力學(xué)非常有用，在參與分析工程案例的過程中掌握工程力學(xué)知識(shí)，盡最大的可能提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，積極參與課堂教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生成為課堂的主人。

二、將《工程力學(xué)》理論知識(shí)融入工程和生活實(shí)際

理論聯(lián)系實(shí)際無處不在，因?yàn)楣こ塘W(xué)是從實(shí)踐中來的。但要幫助學(xué)生學(xué)會(huì)把復(fù)雜的工程問題抽象為簡化的力學(xué)模型，也是在教會(huì)學(xué)生掌握一種科學(xué)方法。在理解好知識(shí)的基礎(chǔ)上，他們能夠探索新的問題，切實(shí)提高分析問題、解決實(shí)際問題的能力，提高教學(xué)效果，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和工作打好基礎(chǔ)。

鉆頭鉆孔、用改錐擰螺釘時(shí)施加的力螺旋，對學(xué)生來說是新知識(shí)，如果按空間力系簡化結(jié)果直接分析，有些抽象。為此，我們首先提出問題：能否僅僅由一個(gè)力或一個(gè)力偶矩來實(shí)現(xiàn)？學(xué)生很容易得出結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，我們再講理論知識(shí)，并與平面力系簡化結(jié)果對比，讓學(xué)生對這部分知識(shí)的理解更深刻。學(xué)生多加思考，其收獲更大。

材料力學(xué)部分內(nèi)容是工科大學(xué)教育中處于第一個(gè)工程技術(shù)教育轉(zhuǎn)變時(shí)期、學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后較早接觸到的與工程聯(lián)系最為廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)課，這可加強(qiáng)學(xué)生的工程概念，培養(yǎng)工程素質(zhì)和創(chuàng)新精神。

材料力學(xué)相關(guān)基本概念有些是比較抽象的，短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地理解內(nèi)力、應(yīng)力和應(yīng)變的概念及其物理含義，尤其是理解公式推導(dǎo)時(shí)所用的平截面假設(shè)。目前，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)，普遍存在死記硬背所學(xué)知識(shí)的問題，很難達(dá)到真正的理解，與實(shí)際物理概念建立不起聯(lián)系，甚至建立錯(cuò)誤的聯(lián)系。由于僅僅為了考試而記住一些知識(shí)，對知識(shí)掌握得不夠扎實(shí)，學(xué)完課程后很可能會(huì)逐步忘記，在后面的課程學(xué)習(xí)中又會(huì)經(jīng)常用到相關(guān)知識(shí)，但學(xué)生往往已經(jīng)忘記了。由于課程學(xué)習(xí)側(cè)重題目的練習(xí)，缺乏對實(shí)際問題的思考，遇到實(shí)際問題時(shí)不能夠用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行解釋。

為了幫助學(xué)生深刻理解概念，提高分析問題的能力，可建立本課程與專業(yè)課的聯(lián)系，鞏固專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)理論聯(lián)系實(shí)際，提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力和綜合思維能力，我們采取了案例教學(xué)。

各種基本變形橫截面上應(yīng)力計(jì)算公式的推導(dǎo)，屬于超靜定問題。在講解軸向拉伸與壓縮橫截面上應(yīng)力計(jì)算公式的推導(dǎo)時(shí)，學(xué)生還沒有了解很多的材料力學(xué)知識(shí)，可用健身拉力器進(jìn)行類比說明。當(dāng)所掛彈簧為相同的長度和剛度時(shí)，如果拉力使把手保持平行，則總拉力一定由掛彈簧的區(qū)域進(jìn)行平均分配。這說明將桿件看成由無數(shù)個(gè)縱向纖維所組成，由表及里設(shè)想內(nèi)部變形的情況也是如此。應(yīng)力均勻分布的結(jié)論容易被理解和接受，印象也深刻。

在推導(dǎo)梁純彎曲時(shí)橫截面上正應(yīng)力計(jì)算公式的過程中，為了理解推導(dǎo)中所做的基本假設(shè)——平面假設(shè)，理解彎曲正應(yīng)力分布規(guī)律，掌握中性層、中性軸等的基本概念和含義，利用手風(fēng)琴的小變形和純彎曲變形狀態(tài)進(jìn)行講解，可使復(fù)雜的推導(dǎo)過程不再枯燥。

提高彎曲強(qiáng)度的措施，在工程中有廣泛的應(yīng)用，學(xué)生也比較感興趣。以斗拱為例。斗拱是我國古代建筑中巧妙地將作用力分散的方法，如圖3所示。把梁柱之間的連接，由圖1（a）圖中的集中力分散成為圖1（b）中4個(gè)點(diǎn)受力，減小最大彎矩，提高梁的抗彎能力。此例會(huì)增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感。

同時(shí)，我們要鼓勵(lì)學(xué)生廣開思路，留意工程和生活中的問題，思考解決問題的辦法，堅(jiān)持以“加強(qiáng)基礎(chǔ)、開拓思維、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)”為指導(dǎo)思想，營造一個(gè)開放型、“以人為本”、積極發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性和創(chuàng)造性，并逐步發(fā)展和提高學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的氛圍。

三、將學(xué)生原有知識(shí)升華，加入新知識(shí)，以解決工程和生活實(shí)際問題

可以螺旋槳飛機(jī)、汽車車窗上的雨滴、被起吊的重物上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)等為例，用于解釋相對運(yùn)動(dòng)、絕對運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)的概念。雖然這些概念不容易被理解，但由于學(xué)生對例子本身比較熟悉，講解起來還是易于接受的。

汽車沿直線行駛時(shí)，車輪的運(yùn)動(dòng)、板擦在黑板上的任意運(yùn)動(dòng)，都是平面運(yùn)動(dòng)。平面運(yùn)動(dòng)可以分解成平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2講述了平面運(yùn)動(dòng)中速度瞬心與定軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的區(qū)別，圖3講述平面運(yùn)動(dòng)中瞬時(shí)平動(dòng)與永久平動(dòng)的區(qū)別，使學(xué)生把原有知識(shí)和新知識(shí)融會(huì)貫通，嘗到學(xué)習(xí)本門課的樂趣。

四、結(jié)語

將工程案例教學(xué)法融入課堂教學(xué)，可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們感到所學(xué)的知識(shí)可以解決實(shí)際問題，提高學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，更加深刻地理解和掌握課堂知識(shí)，培養(yǎng)利用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力。

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