《工程力學》教學改革探索

劉升貴,李惠芳,王修棟

(中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京100083)

《工程力學》課程既具有較強的理論性,又與生產(chǎn)實踐密切聯(lián)系。傳統(tǒng)的 《工程力學》教學注重該學科理論的系統(tǒng)性,但對培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力重視不足。為此,筆者開展了 《工程力學》教學改革探索。

1 優(yōu)化教學內(nèi)容

為了優(yōu)化教學內(nèi)容,對傳統(tǒng)的教學內(nèi)容進行重新整合,整合后的工科專業(yè) 《工程力學》課程包括 《靜力學》、《運動學和動力學》和 《材料力學》,其教學目標如下:①通過 《靜力學》的學習使學生掌握物體的受力分析和平衡方程的應用等內(nèi)容。首先介紹力和力偶的基本概念與原理,然后從平面一般力系入手,討論平面力系的簡化,把平面匯交力系、平行力系和力偶系等作為平面一般力系的特殊情況來處理。②通過《運動學和動力學》的學習使學生了解和掌握物體機械運動的一般規(guī)律,并能運用這些規(guī)律分析和解決簡單的工程實際問題。③通過 《材料力學》的學習使學生了解工程中的基本概念,掌握構件在載荷作用下受力、變形的規(guī)律及其實用計算方法。在教學中注重工程實際問題的應用,強化學生依托工程背景尋找危險點、計算極值應力的實踐能力。同時,針對工程特點在強度理論教學內(nèi)容中加入斷裂破壞準則介紹。這樣的教學內(nèi)容安排既突出了重點,弱化了教學難點,同時又滿足了礦業(yè)類工科專業(yè)的特點[1]。此外,為了擴大學生知識面,還可以將國內(nèi)外采礦行業(yè)出現(xiàn)的新材料、新工藝、新技術等滲透到教學中。

2 強化工程概念

在教學中強化工程概念對于培養(yǎng)學生的專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新精神非常重要。首先向?qū)W生展現(xiàn)綜合實例的工程背景,然后通過分析建立力學模型,最后再回到實踐中去解決工程實際問題。以貫穿 《靜力學》、《運動學和動力學》和 《材料力學》整過教學過程的礦井罐籠提升系統(tǒng)為例,該綜合實例的工程背景如下:豎井提升即通過安裝在豎井井口、井筒和井底的設備、裝置進行提升運輸工作。豎井罐籠提升系統(tǒng)使用的主要設備和裝置包括提升機、井架、天輪、鋼絲繩、連接裝置、提升容器、井筒導向裝置、井口和井底的承接裝置、阻車器、安全門以及信號裝置等 (見圖1)。通過該工程實例拓展出下列教學問題。

圖1 普通罐籠提升系統(tǒng)示意圖

問題2 礦井提升機的主要數(shù)據(jù)如下:提升高度為 876m,開始提升時罐籠的加速度為0.7m/s2,速度達到7.84m/s后,即以該速度勻速提升,最后再以減速度0.7m/s2減速提升,直至最后停止 (見圖3)。求提升1次需要的時間。

圖2 罐籠簡化圖

圖3 提升機啟動、停機時間

圖4 礦井提升機簡化圖

圖5 罐籠運動簡化圖

問題3 礦井提升機如圖 4所示,已知被提升重物的質(zhì)量為m1,鼓輪的半徑為R、質(zhì)量為m2。起動時,電動機給鼓輪的驅(qū)動力矩為M。求起動時重物上升的加速度,鋼繩的拉力和軸承O的約束力 (鼓輪視為均質(zhì)圓柱)。

問題4 罐籠質(zhì)量為m的物體以速度v 0勻速下降(見圖5),若出現(xiàn)緊急情況突然剎車,試求鋼繩的最大拉力T max。設鋼繩的彈簧常量為c,鋼繩的質(zhì)量略去不計。

通過上述工程實例教學,使學生認識到工程力學在工程實際中的重要作用,從而激發(fā)學生學習工程力學課程的熱情,進而運用所學的理論知識來分析和解決工程實際問題。

3 重視教學方法改革

改革教學內(nèi)容的同時,還需重視教學方法的改革。在課堂講授時以工程實例引入,通過展示反映工程第一線的掛圖、力學模型、工程實物、視頻等,使學生初步了解工程實際問題,從而激發(fā)學生的學習興趣。在教學過程中對具體定理、推論的數(shù)學推導過程注重講思路、講方法和講要點。此外,應充分利用多媒體等現(xiàn)代教學手段增加學生的感知能力,從而加深對基本理論的理解和掌握,培養(yǎng)其觀察思考能力。

4 加強實驗教學環(huán)節(jié)

在實驗開始前應指導學生進行認真準備并設計實驗方案,實驗過程中應指導學生認真觀察實驗現(xiàn)象,分析總結實驗結果,實驗完成后,由學生按實驗規(guī)范自行設計并完成一份科學合理的實驗報告。此外,在實驗教學中應充分利用萬能試驗機、多功能振動臺、沖擊試驗機、純彎曲疲勞試驗機、電子式扭轉(zhuǎn)試驗機等傳統(tǒng)試驗設備開設基本力學試驗,還可以針對礦井支護及巖體變形破壞特點,利用多點彎曲試驗臺開展巖石材料3點彎曲、4點彎曲試驗。通過實驗教學,可以幫助學生更好地理解理論知識并培養(yǎng)學生動手實踐的能力,這對于提高學生的綜合素質(zhì)有重要作用。

5 完善考核方式

在考核形式上,采用多種形式評定學生學習情況,以加強對學生平時學習的考核與督促。對學生成績的評定可采取平時成績 (包括上課考勤及認真態(tài)度、提問回答情況、作業(yè)情況、讀書報告、階段性測驗、大作業(yè)和實驗成績等)占40%、期末考試成績占60%的分階段全程性考核方法。期末考試則注重考核學生綜合性、創(chuàng)造性地應用知識的能力,如給定工程受力結構,讓學生為各構件選取材料及截面形狀和尺寸,并對該結構存在的問題談自己的看法等。通過完善考核方式,可以減少學生學習的功利性,也可分散學生的學習壓力,并能全方位、多角度地反映出學生的真實成績和綜合能力[2]。

6 結 語

針對 《工程力學》教學過程中對培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力重視不足 的問題,開展了重視工程實例的 《工程力學》教學改革探索。教學實踐表明,通過該課程教學改革,讓學生掌握了扎實的理論知識,同時具備了較強的工程實踐能力,受到學生的歡迎。由于工科專業(yè) 《工程力學》課程教學涉及面廣,因而該課程改革是一個長期而又艱巨的過程,需要不斷努力探索。

[1]劉超英.高等工程專科學校工程力學教學改革探討 [J].中州大學學報,1999(3):72-73.

[2]楊浩泉,周平.在工程力學教學改革中加強對學生綜合能力的培養(yǎng)[J].杭州電子工業(yè)學院學報,2001,21(2):69-71.