兵器類力學(xué)屬性專業(yè)課程的教學(xué)法設(shè)計(jì)與實(shí)踐

趙建新 吳大林 李玥

【摘 要】兵器類專業(yè)課程普遍具有較強(qiáng)的力學(xué)屬性，由于學(xué)生類型分布特點(diǎn)、力學(xué)能力素養(yǎng)差異以及教材建設(shè)等問題，造成兵器類專業(yè)課程在教學(xué)法設(shè)計(jì)與實(shí)施上面臨困難。本文以《火炮設(shè)計(jì)理論》課程為例，結(jié)合多年課程教學(xué)實(shí)踐，闡述了一些經(jīng)驗(yàn)做法，課程教學(xué)實(shí)踐表明，這些教學(xué)法有效促進(jìn)了課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

【關(guān)鍵詞】力學(xué)屬性;專業(yè)課程;火炮設(shè)計(jì);教學(xué)法

中圖分類號(hào)： TS105.11;TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）23-0130-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.060

【Abstract】The special courses generally possess mechanical attribute in weaponry majors. Because of the characteristics of type distribution， as well as the differences of mechanical ability among students and the construction of textbooks， it is difficult to design and implement teaching methods for weapons specialty courses. Taking the course of Artillery Design Theory as an example， this paper expounds some experiences and practices combined with many years of teaching practice. Teaching practice shows that these teaching methods have effectively promoted the improvement of teaching quality.

【Key words】Mechanical attribute; Special course; Gun design; Teaching method

0 引言

力學(xué)本質(zhì)上是研究力和運(yùn)動(dòng)的科學(xué)，對(duì)認(rèn)識(shí)、理解和解決現(xiàn)代兵器的問題起著關(guān)鍵性作用，是支撐現(xiàn)代兵器設(shè)計(jì)理論最重要的基礎(chǔ)。因此，在軍地高校兵器類專業(yè)課程體系中，專業(yè)課程尤其是專業(yè)基礎(chǔ)課程普遍具有非常強(qiáng)的力學(xué)屬性，由于學(xué)生力學(xué)能力素養(yǎng)差異以及教材建設(shè)上存在的一些問題，造成兵器類專業(yè)課程在教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施上面臨困難。

《火炮設(shè)計(jì)理論》是軍地高校兵器類專業(yè)中槍炮方向一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，內(nèi)容體系涵蓋炮身、炮架、反后坐裝置、自動(dòng)機(jī)、開關(guān)閂機(jī)構(gòu)、供輸彈機(jī)構(gòu)等火炮裝備關(guān)鍵部組件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)以及總體設(shè)計(jì)的基本理論，與理論力學(xué)、分析力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)以及空氣動(dòng)力學(xué)等諸多力學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)緊密，是力學(xué)原理在火炮裝備設(shè)計(jì)理論中的綜合運(yùn)用，課程難度大，對(duì)學(xué)生的力學(xué)素養(yǎng)要求高。目前，本課程建設(shè)中主要存在以下普遍問題。首先，以設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的教學(xué)思路對(duì)國(guó)防生和軍校生人才培養(yǎng)目標(biāo)的針對(duì)性偏弱，容易造成教學(xué)效益與部隊(duì)工作實(shí)際需要脫節(jié)。其次，由于學(xué)生對(duì)力學(xué)概念、原理和方法認(rèn)識(shí)和理解程度參差不齊，協(xié)調(diào)課程教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生已學(xué)力學(xué)原理之間的關(guān)系，發(fā)揮課堂教學(xué)時(shí)間最大效益是需要重點(diǎn)解決的問題。第三，國(guó)內(nèi)教材存在較為明顯“蘇聯(lián)特色”，與力學(xué)基礎(chǔ)課程以及配套教材中的描述不盡相同，學(xué)生似曾相識(shí)但又模糊不清，影響最終教學(xué)效果。針對(duì)這些問題，基于多年課程教學(xué)實(shí)踐，本文通過實(shí)例闡述了在教學(xué)法設(shè)計(jì)上的一些經(jīng)驗(yàn)做法，拋磚引玉，以期引起同行的共鳴。

1 面向軍事工程實(shí)踐的教學(xué)法設(shè)計(jì)

學(xué)生對(duì)本課程普遍存在“難學(xué)”和“厭學(xué)”心理。歷次教學(xué)問卷結(jié)果表明，存在“難學(xué)”心理的根本原因是對(duì)整個(gè)內(nèi)容的基本框架缺乏足夠認(rèn)識(shí)和理解，學(xué)到的是零散知識(shí)點(diǎn)，只見枝葉，不見主干。存在“厭學(xué)”心理的根本原因在于理論聯(lián)系實(shí)際不夠充分，為教而教，為學(xué)而學(xué)。為此，積極嘗試了面向軍事工程實(shí)踐的教學(xué)法，將專業(yè)理論與裝備技術(shù)保障實(shí)踐“聯(lián)”起來，學(xué)有所指，用有所依，學(xué)用結(jié)合。以炮身部分為例說明之。

國(guó)防生和軍校生的培養(yǎng)面向部隊(duì)，因此，在培養(yǎng)目標(biāo)上與地方青年學(xué)生存在一定差異。在裝備技術(shù)保障實(shí)踐中，涉及到身管的工作主要是出現(xiàn)壓坑后的射擊安全性問題以及身管壽命問題。壽命問題相對(duì)獨(dú)立，壓坑問題則完全是一個(gè)力學(xué)問題。出現(xiàn)壓坑的身管（壁厚減小）能否承受發(fā)射時(shí)火藥燃?xì)鈮毫^續(xù)安全射擊？這是部隊(duì)演訓(xùn)作戰(zhàn)時(shí)要面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問題。雖然可以使用壓坑允許深度曲線來判斷，但其制作原理則是本課程解決的問題，更重要的是，只有掌握其制作原理，才能正確使用這條曲線。以壓坑問題為牽引，梳理出炮身部分內(nèi)容的基本框架，如圖1所示，實(shí)線框部分表示分析問題的思路;虛線框部分表示為了解決問題，原理或知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，兩條主線匯聚到同一問題（圖1中帶陰影實(shí)線框）上。

課堂上引導(dǎo)學(xué)生從反面來思考：為什么沒有出現(xiàn)壓坑（正常壁厚）的身管能夠承受發(fā)射時(shí)火藥燃?xì)鈮毫Γ繉訉油七M(jìn)，最終明確需要解決圖1中帶陰影實(shí)線框所示的核心問題，P1～r2關(guān)系也稱為單筒身管彈性強(qiáng)度極限。為了判別“不發(fā)生塑性變形”，分別基于第一～第四強(qiáng)度理論得到單筒身管彈性強(qiáng)度極限，在此過程中，通過應(yīng)力-應(yīng)變分析得到內(nèi)外壓作用下身管軸向任一截面上的主應(yīng)力和主應(yīng)變。已知最大火藥燃?xì)鈮毫?，通過P1～r2可以計(jì)算出外徑;反之亦然。因此，通過高低溫壓力法得到設(shè)計(jì)壓力曲線p-L，考慮安全系數(shù)n后得到理論強(qiáng)度曲線np-L，將其代入P1～r2，得到理論外形r2-L?？紤]裝配問題，理論外形調(diào)整后得到實(shí)際外形r2s-L。再將其代入P1～r2，得到實(shí)際強(qiáng)度曲線Ps-L。至此，得到了理論和實(shí)際兩條強(qiáng)度曲線以及對(duì)應(yīng)的兩個(gè)外形，它們從兩個(gè)側(cè)面給出了身管出現(xiàn)壓坑后能否繼續(xù)安全射擊的判別方法。綜上，圖1所示內(nèi)容框架基本涵蓋結(jié)構(gòu)、受力、應(yīng)力-應(yīng)變分析以及強(qiáng)度分析等全部教學(xué)內(nèi)容，更重要的是，抽象理論與鮮活實(shí)踐緊密結(jié)合在一起，有效促進(jìn)教學(xué)效果提升。

2 面向理論框架構(gòu)建的教學(xué)法設(shè)計(jì)

本課程所引述力學(xué)原理在內(nèi)容組織上相對(duì)簡(jiǎn)單，往往就事論事，缺乏力學(xué)理論應(yīng)具備的一般性和普適性，無法滿足解決軍事工程領(lǐng)域諸多問題的實(shí)際需要。另外，學(xué)生力學(xué)能力素養(yǎng)存在差異，有限的學(xué)時(shí)內(nèi)難以協(xié)調(diào)未學(xué)與已學(xué)之間的關(guān)系。為此，設(shè)計(jì)并采用面向理論框架構(gòu)建的教學(xué)法，通過厚壁圓筒理論說明之。

如圖2所示，炮身部分應(yīng)力-應(yīng)變分析模塊以厚壁圓筒理論為基礎(chǔ)[1-2]，該“理論”是材料力學(xué)課程的內(nèi)容，在高年級(jí)學(xué)生的專業(yè)理論課程中將其“回鍋”不合時(shí)宜，而且該“理論”是為了解決具備厚壁圓筒特征的一類特定問題而提出的，適用面窄，解決其他彈性力學(xué)問題時(shí)無能為力。

厚壁圓筒問題本質(zhì)是一個(gè)彈性力學(xué)問題，彈性力學(xué)相比厚壁圓筒理論更具一般性和普遍意義。彈性力學(xué)的基本問題是要得到“在力和位移作用下任意變形體的響應(yīng)”，包括變形后物體的位置、受力狀態(tài)以及形狀三個(gè)方面的問題[3]，這其實(shí)就是彈性力學(xué)的基本理論框架，所有內(nèi)容都是為了回答這三個(gè)問題。對(duì)應(yīng)清晰的理論框架，彈性力學(xué)也有非常規(guī)范的數(shù)學(xué)描述，即“位移、應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)愖兞浚胶?、幾何、物理三類方程以及力和位移兩類邊界條件”，這其實(shí)是炮身設(shè)計(jì)理論更是厚壁圓筒理論的力學(xué)底層原理?？紤]到學(xué)時(shí)限制，課堂教學(xué)中重理論框架固化和基本概念深入理解，輕推導(dǎo)演繹過程，它是數(shù)學(xué)類課程關(guān)注的能力培養(yǎng)點(diǎn)。通過該教學(xué)法的實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生從更高視角審視和學(xué)習(xí)相關(guān)理論，由知識(shí)傳授向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變。

3 面向力學(xué)原理延伸的教學(xué)法設(shè)計(jì)

本課程內(nèi)容是火炮裝備設(shè)計(jì)過程中普遍適用或需要遵循的一般規(guī)律，同時(shí)，這些普適原理又是以力學(xué)原理或理論為基礎(chǔ)。由于源于蘇聯(lián)教科書的國(guó)內(nèi)教材在一些內(nèi)容的描述上與力學(xué)基礎(chǔ)課程中學(xué)過的內(nèi)容存在差異，甚至因此模糊此前已經(jīng)清晰的認(rèn)識(shí)。為此，設(shè)計(jì)并采用面向力學(xué)原理延伸的教學(xué)法，回歸支撐課程內(nèi)容的力學(xué)原理本質(zhì)。通過實(shí)例說明之。

彈簧是火炮裝備中普遍采用的儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)元件，為了研究構(gòu)件工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，“構(gòu)件在彈簧作用下的運(yùn)動(dòng)”是基本教學(xué)內(nèi)容。如圖3和4所示，國(guó)內(nèi)教材區(qū)分彈簧伸張和壓縮兩種情況，但使用形式上統(tǒng)一的方程描述：

這種處理方法本質(zhì)上正確，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在以下缺點(diǎn)：（1）x正方向需要選定為構(gòu)件運(yùn)動(dòng)方向;（2）x原點(diǎn)沒有選定為彈簧靜平衡位置;（3）得到方程的牛頓定律或動(dòng)靜法應(yīng)用于多自由度情況時(shí)存在非常大的局限性，而火炮實(shí)際結(jié)構(gòu)中普遍存在多自由度情況。（4）人為增加了繁瑣度，“費(fèi)力不討好”，其本質(zhì)是機(jī)械振動(dòng)[4]中“單自由度自由振動(dòng)”內(nèi)容。

為了建立構(gòu)件運(yùn)動(dòng)微分方程，學(xué)生首先想到牛頓第二定律，這符合人的思維習(xí)慣。通過設(shè)定兩自由度、三自由度直至更多自由度情況，讓學(xué)生深切感受到使用牛頓定律的局限性，適時(shí)引出拉格朗日方程，并通過實(shí)例闡明其具體應(yīng)用以及相比牛頓定律的明顯優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，通過“如果自由度數(shù)目進(jìn)一步增加，動(dòng)能和勢(shì)能項(xiàng)數(shù)目急劇擴(kuò)張，求導(dǎo)工作量龐大，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)過程繁瑣枯燥且容易出錯(cuò)怎么辦？”問題的設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考并形成“思維迷局”，引出多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)這一新興力學(xué)分支，通過簡(jiǎn)單實(shí)例向?qū)W生闡明這種方法為復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析提供了新的解決途徑。

4 結(jié)束語

針對(duì)《火炮設(shè)計(jì)理論》課程建設(shè)中存在的一些問題，以炮身、自動(dòng)機(jī)等內(nèi)容為例，闡述了在教學(xué)法設(shè)計(jì)方面所做的一些探索，積累的一些經(jīng)驗(yàn)。通過這些教學(xué)法的實(shí)踐，學(xué)生普遍認(rèn)為“澄清了很多以前的模糊認(rèn)識(shí)，力學(xué)基本功有了明顯提高”，說明收到了一定成效，課堂教學(xué)由知識(shí)傳授向能力提升轉(zhuǎn)變，真正達(dá)到了原理類課程觸類旁通、舉一反三的教學(xué)目的。教學(xué)改革研究永無止境，教學(xué)質(zhì)量提高永無上限，希望引起更多同行共鳴，以期達(dá)到本文投礫引珠的效果。

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