工程力學(xué)課程教學(xué)改革實踐體會

王 濤，李 粵，張喜瑞，馬慶芬，廖宇蘭

（海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南儋州571737）

工程力學(xué)作為高等工科院校機械工程專業(yè)重要的一門基礎(chǔ)課程，目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生運用力學(xué)知識解決機械工程實際問題的能力。工程力學(xué)是機械專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)機械原理，機械設(shè)計，機械制造工藝學(xué)等后續(xù)課程的基礎(chǔ)。對于學(xué)生來說，要求能夠深入理解力學(xué)基礎(chǔ)理論，并且能夠熟練應(yīng)用。

運用力學(xué)解決實際問題的關(guān)鍵，是對實際物理問題構(gòu)造合理的力學(xué)模型，然后運用理論知識對模型進行準(zhǔn)確分析計算。分析完成之后，要通過實驗進行驗證。

在實際教學(xué)中，理論和實驗技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也在不斷更新，因此，有必要在教學(xué)中不斷改進教學(xué)內(nèi)容和形式，以有利于提高學(xué)生具有運用力學(xué)知識的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)。有鑒于此，許多力學(xué)基礎(chǔ)課程老師進行了有益的探索和嘗試。

筆者通過多年的工程力學(xué)教學(xué)實踐，對課程的教學(xué)改革實踐，做了有益的探索。

1 結(jié)合工程實例進行案例教學(xué)

在教學(xué)中引用工程實例，提高學(xué)生興趣。工程力學(xué)在機械工程中應(yīng)用非常普遍。在靜力學(xué)教學(xué)中，著重讓學(xué)生理解力對剛體的作用效果，對于力的平行四邊形法則求和公理，合力矩定理方面，從合力與各個分力對剛體的作用效果方面進行深入理解，使學(xué)生對定理的內(nèi)涵理解更加透徹。

通過一些工程實例，比如，輪船在受到水的浮力分析，人體系統(tǒng)在水中游動時的靜力分析，農(nóng)業(yè)機械中拖拉機拖帶的鏵式犁靜力分析，都可以歸為空間靜力學(xué)問題來研究，使學(xué)生從實際問題和自然現(xiàn)象中，理解力學(xué)的應(yīng)用以及如何解決實際問題。

通過討論求汽車重心的實驗方法，運用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動思考。幫助學(xué)生更進一步理解重心的概念，掌握求解物體重心的基本原理和方法，以及對新的形狀物體重心的求解方法的思考。

講清力學(xué)的基本概念，以及知識的來龍去脈，讓學(xué)生從整體上有所把握。比如，學(xué)生學(xué)完達朗貝爾原理之后，就知道解決動力學(xué)問題的辦法，可以先通過加慣性力或慣性力偶之后轉(zhuǎn)變?yōu)殪o力學(xué)問題，進一步通過靜力學(xué)中的平衡方程解決動力學(xué)問題。而對于多約束物體系統(tǒng)的靜力學(xué)問題，列平衡方程解決不出來，就直接采用虛位移原理來解決。

通過學(xué)生對這些方法和思路的實踐體會，解題的能力必然有所提高。

在教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生看原版原著，同時培養(yǎng)自學(xué)能力和研究探索能力。在課堂上通過具體分析一些力學(xué)魔術(shù)、力學(xué)雜技走鋼絲的平衡問題，以及仿人機器人姿態(tài)控制、衛(wèi)星的姿態(tài)控制等問題，從力學(xué)的觀點來分析解決問題的思路和方法。通過慣性力的概念，引出工程實例，從問題的起源到問題的分析，以及運用慣性力的概念去解決系統(tǒng)的平衡問題，并進行全面的闡述，并給學(xué)生留有一定的思考空間，那么學(xué)生會得到進一步的思考和啟發(fā)，體會到怎么提出問題，怎樣用自己學(xué)過的力學(xué)知識分析實際問題，達到理論和實踐相結(jié)合的目的。

比如，學(xué)生具備了材料力學(xué)中拉伸、剪切、彎曲等實驗基本技能和知識之后，提出如何研究農(nóng)業(yè)物料的力學(xué)性能。結(jié)合本校實際，如何開展研究甘蔗和木薯的抗拉、抗剪、抗彎曲等性能，為進一步設(shè)計良好的切割刀具做基礎(chǔ)。

啟發(fā)學(xué)生用材料力學(xué)的基本知識，去解決甘蔗收獲機械等課題中面臨的問題。比如甘蔗在被切割器切割時，會發(fā)生破頭現(xiàn)象，如何運用力學(xué)知識去探討其機理，運用運動學(xué)和動力學(xué)知識，分析扶蔗器扶起甘蔗的過程。那么學(xué)生從這些活生生的案例中，體會到工程力學(xué)應(yīng)用的價值，進一步提高了學(xué)習(xí)的熱情和理解的深度。

2 鼓勵學(xué)生做實驗解決實際課題

力學(xué)測試技術(shù)，在工程實踐中有重要的地位。在教材中，往往只告訴學(xué)生已有的數(shù)據(jù)，而沒有說明這些受力大小的數(shù)據(jù)，是如何測試出來的。通過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，借助惠斯電橋把變形量變成電量，這種對力的測試只是一種方法。還可以通過彈簧來解決，通過其他具有和彈簧類似的拉伸性能的物體做傳感器來解決。這樣開拓學(xué)生思路，給予啟發(fā)式教學(xué)，通過分析力與變形的關(guān)系，把測力問題轉(zhuǎn)化為測量位移的問題，學(xué)生思路就打開了，體會到學(xué)習(xí)物體的基本性質(zhì)能應(yīng)用到力學(xué)測量的課題中，學(xué)生在學(xué)習(xí)時，自然就能帶著問題來學(xué)，思考“為什么是這樣，學(xué)習(xí)這些性質(zhì)有什么用，能不能再擴展”等問題。

在這過程中，學(xué)生就能自覺進行思考，學(xué)會自己提問題，由被動式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃邮綄W(xué)習(xí)。原有的力學(xué)知識就變成學(xué)生手中活生生的工具，學(xué)生體會到運用力學(xué)知識解釋自然現(xiàn)象和分析解決實際的問題的樂趣。

比如為了改善柴油機噴油量問題，開發(fā)了電控柴油機，在課堂上討論解決柴油機調(diào)速器轉(zhuǎn)速和油門開度關(guān)系問題。學(xué)生就能從解題思路上站得更高，想到先對調(diào)速器的動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題，再通過虛位移原理順利解決。

力學(xué)是為生產(chǎn)服務(wù)的，在機械工程領(lǐng)域有許多的力學(xué)問題，通過展示先輩們的科研成果，具體分析成果運用力學(xué)的方法和過程，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。在課后布置一定數(shù)量聯(lián)系工程實際的作業(yè)，比如讓學(xué)生思考如果測定機械零部件的慣性，讓學(xué)生課后解決測量木薯切削力、椰殼切削力等實際課題。這些課題對鍛煉學(xué)生的動手能力都有很大的益處。

在學(xué)完應(yīng)變片測量桿件的變形時，提出拖拉機在耕地時所帶鏵式犁受到土壤的隨機載荷作用，需要研究土壤阻力隨機載荷分布狀況。啟發(fā)學(xué)生自己布置實驗，運用力學(xué)知識解決測試載荷分布問題。經(jīng)過學(xué)生的動手動腦的實踐和討論，學(xué)生也體會到力學(xué)不是一門枯燥無味的知識，而是一門有趣的學(xué)問并且是非常有用的工具。

3 運用計算機教學(xué)提高解決問題的能力

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，工程力學(xué)問題也開始采用計算機進行輔助分析和計算，運用計算機編程技術(shù)求解工程力學(xué)中導(dǎo)出的公式，并得出力學(xué)方程的近似解。在實驗教學(xué)中，采用計算機采集實驗數(shù)據(jù)，并繪制實驗曲線，顯示圖形，并且更好地模擬物體的運動過程。

比如，在力學(xué)教學(xué)中逐步運用虛擬儀器測量技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生運用數(shù)據(jù)采集卡測試芒果、椰子、龍眼、番茄等農(nóng)產(chǎn)品的應(yīng)力變化情況，學(xué)生通過LABVIEW軟件平臺，自己編寫數(shù)據(jù)采集程序，并實時顯示應(yīng)力與變形之間的關(guān)系，自己搭建拉伸應(yīng)力的在線監(jiān)測系統(tǒng)。這樣，學(xué)生對拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等實驗原理和過程，就有了更加深入形象的理解，也提高了學(xué)生的科研能力。

在力學(xué)數(shù)據(jù)分析和動力學(xué)仿真方面，逐步采用MATLAB軟件融入到工程力學(xué)教學(xué)之中。此軟件是目前工程數(shù)學(xué)分析的重要工具，對于力學(xué)中常見的曲柄滑塊機構(gòu)、平面四連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)等運動學(xué)、動力學(xué)分析等問題，能得到很好的解決。用軟件可顯示出機構(gòu)中各個點的位移、速度、加速度的動態(tài)變化過程，極大地提高了學(xué)生的興趣和應(yīng)用計算機來解決力學(xué)問題的積極性。

運用機械動力學(xué)分析軟件ADAMS，對機構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)規(guī)律進行可視化研究，也增強學(xué)生的分析能力和創(chuàng)造能力。在材料的受載變形方面，通過有限元分析軟件，來模擬加載過程，能觀察到桿件受力變形和應(yīng)力的分布情況，減少了力學(xué)實驗成本，也提高了學(xué)生對力學(xué)的受力變形的規(guī)律深入理解。學(xué)生對這些常見的軟件進行了解之后，基礎(chǔ)好的同學(xué)在課余時間就能自己進行深入的鉆研，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺性和科研探索能力。

4 師生互動，鼓勵學(xué)生大膽提問與質(zhì)疑

根據(jù)當(dāng)今社會的發(fā)展需求，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和素質(zhì)教育，已經(jīng)成為高校培養(yǎng)人才的重要理念。但是在本科教育中，仍然存在知識傳授有余、創(chuàng)新探索不足的現(xiàn)象。

因此，在工程力學(xué)課程教學(xué)過程中，盡量采用師生討論互動的方式，在課堂上提出力學(xué)問題，讓同學(xué)展開大膽的想象，提出自己的想法。采用一種平等的研討方式，讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何提出問題，如何研究問題并做出有用的結(jié)論。

以振動式挖掘鏟為例，在講到摩擦力章節(jié)的時候，就給學(xué)生提出如何減少摩擦力、如何在下雨天的時候消除挖掘機鏟斗上的粘泥土問題。學(xué)生對此問題有濃厚的興趣，提出了多種解決方法，比方說用鐵錘錘擊的方法，和采用刮板刮的方法等等。那么為了進一步比較消除附帶泥土的效果，鼓勵學(xué)生課后分成小組做實驗，驗證自己的想法。同時在課堂上介紹我國學(xué)者任露泉先生在脫附降阻表面結(jié)構(gòu)上所做的工作。他首次發(fā)現(xiàn)了土壤動物表面脫附減阻現(xiàn)象，通過對一萬只動物實驗和理論分析，揭示了動物表面脫附減阻的形成機理。應(yīng)用該基礎(chǔ)理論開發(fā)了減阻效果良好的農(nóng)業(yè)機具。

許多學(xué)生從中得到靈感，平時也經(jīng)常觀察自然現(xiàn)象和自己生活當(dāng)中的力學(xué)問題。同學(xué)課后能夠撰寫一些關(guān)于對實際問題進行力學(xué)分析的小論文，以及對力學(xué)應(yīng)用的一些新的想法。學(xué)生自然興趣濃厚，并能夠主動地把力學(xué)應(yīng)用到實際之中，提高個人創(chuàng)新能力，達到良好效果。

5 結(jié)束語

工程力學(xué)教學(xué)方法實踐過程中，需要我們不斷的進行探索和改進，并結(jié)合教學(xué)實際，對于有一定靈活性的題目，采用師生討論的形式進行。盡量讓學(xué)生參與進來，讓他們提出自己對問題的理解和看法，從多角度來思考同一個問題。在學(xué)生與老師的討論問題的過程中，往往能夠有新的見解。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生具有批判性思維。通過對具體課題共同討論研究，使學(xué)生能夠理論聯(lián)系實際，進一步開拓思路，運用工程力學(xué)知識，解決本專業(yè)的實際問題。

今后，我們還要不斷加強工程力學(xué)教學(xué)的改革和課程建設(shè)，努力多結(jié)合一些具有探索性、創(chuàng)造性的課題，融入到力學(xué)教學(xué)實踐中去，進一步提高工程力學(xué)教學(xué)品質(zhì)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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