理論力學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)應(yīng)用性和實(shí)踐性的探討

王洪新 程?hào)|霽 皖西學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 六安 237012

理論力學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)應(yīng)用性和實(shí)踐性的探討

王洪新 程?hào)|霽 皖西學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 六安 237012

針對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)，結(jié)合自己的教學(xué)體會(huì)，就如何加強(qiáng)理論力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用性和實(shí)踐性進(jìn)行了探討，提出了一些措施，對(duì)于提高大學(xué)生分析問題、解決問題和清晰地表達(dá)問題的能力，以及提高大學(xué)生思維的靈活性和創(chuàng)造性具有一定的效果。

理論力學(xué);應(yīng)用性;實(shí)踐性

theoretical mechanics;applicability;practicality

前言

理論力學(xué)是理工科院校機(jī)械類專業(yè)的一門理論性很強(qiáng)且體系與內(nèi)容已經(jīng)相當(dāng)完善的主干技術(shù)基礎(chǔ)課，也是一門與工程實(shí)際緊密聯(lián)系的課程，在整個(gè)教學(xué)過程中擔(dān)負(fù)著承前啟后的任務(wù)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)起著非常重要的作用。

但是在理論力學(xué)的教學(xué)中,學(xué)生普遍反映該門課程不好學(xué)，大多數(shù)學(xué)生對(duì)理論力學(xué)的學(xué)習(xí)提不起興趣,學(xué)習(xí)積極性不高；學(xué)生學(xué)習(xí)了理論力學(xué)，腦子里充滿了概念、定義和定理，遇到實(shí)際問題又感到束手無策，不知道如何把實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為理論力學(xué)問題，不知道如何把力學(xué)模型與工程實(shí)際問題聯(lián)系起來，學(xué)得比較僵化，不能靈活運(yùn)用，并直接影響到后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。因此，本文就上述問題，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了認(rèn)真的研究、探討和實(shí)踐，并取得了明顯的效果。

1.聯(lián)系實(shí)際講解基本概念、基本理論

教材由于受到自身特點(diǎn)的影響以及篇幅和學(xué)時(shí)的限制，概念的引出不能聯(lián)系實(shí)際，大多是直來直去，就事論事，對(duì)基本概念、基本理論引出的背景和來龍去脈交代不夠。授課教師在采用現(xiàn)有傳統(tǒng)教材的同時(shí)，若能適當(dāng)?shù)匚蘸鸵胍恍┟嫦?1世紀(jì)的新內(nèi)容，突顯理論力學(xué)在現(xiàn)代科技上的應(yīng)用性,使學(xué)生覺得理論力學(xué)廣泛地存在于自然界與工程實(shí)際中,內(nèi)容非常豐富,這樣對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論力學(xué)的興趣將有很大的幫助。為此,我們?cè)诮虒W(xué)中可以引入有關(guān)現(xiàn)代科技和相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的例子，以豐富教學(xué)內(nèi)容。

1.1 靜力學(xué)部分

除保留基本題型外,可以參照我國(guó)現(xiàn)在的高層建筑、大跨度橋梁、海洋平臺(tái)及大型水利工程等許多重要工程，分析其受載情況,如自重、風(fēng)載、靜水側(cè)壓力等,研究結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和物體平穩(wěn)力系,闡明其設(shè)計(jì)、制造都是在理論力學(xué)的指導(dǎo)下得以實(shí)現(xiàn)的[1]。

1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)部分

主要從幾何觀點(diǎn)研究物體的運(yùn)動(dòng)，為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析提供基本的理論、概念和方法。于是可聯(lián)系各種自動(dòng)化生產(chǎn)線中各種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系，說明運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)離不開對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的分析；計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器，若給定不變的角加速度，如何確定從啟動(dòng)到正常運(yùn)行所需時(shí)間及轉(zhuǎn)數(shù)；跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)，怎樣在不同的時(shí)間間隔內(nèi)，通過測(cè)量目標(biāo)與雷達(dá)間的距離和雷達(dá)的方位角，才能準(zhǔn)確地測(cè)定目標(biāo)的速度和加速度；人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡等問題[2]。

1.3 動(dòng)力學(xué)部分

主要研究物體上的作用力與其運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系，是該門課程的重要篇章。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)加強(qiáng)分析力學(xué)的內(nèi)容，重視一個(gè)自由度系統(tǒng)的靜力分析與動(dòng)力分析，重視系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程的建立，以便和后續(xù)課程接軌。

現(xiàn)代工程可供應(yīng)用的例子很多,如學(xué)生感興趣的艦載飛機(jī)，在飛機(jī)和彈射推動(dòng)力作用下，從甲板上起飛，需要的初始速度或需多長(zhǎng)跑道；跳高運(yùn)動(dòng)員過桿的姿勢(shì)選用跨越式、俯臥式還是背越式等都可應(yīng)用動(dòng)量定理給出答案。直升機(jī)尾槳的平衡作用；航天器實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的反作用輪姿態(tài)控制系統(tǒng)等亦可用動(dòng)量矩守恒原理來解決。同樣動(dòng)量矩守恒原理在運(yùn)動(dòng)生物學(xué)上也有大量的應(yīng)用，如體操運(yùn)動(dòng)員在作空翻動(dòng)作中通過領(lǐng)臂動(dòng)作可以在空中作出繞身體縱軸的旋轉(zhuǎn)；貓從四腳朝天的姿態(tài)下落，可以迅速翻身而四腳朝下安全著地；宇航員在失重飄浮狀態(tài)下控制自己的姿態(tài)等。用達(dá)朗伯原理可以解釋為什么殲擊機(jī)(或強(qiáng)擊機(jī))爬高時(shí)，考察飛行員動(dòng)脈血管中的血流質(zhì)點(diǎn)為動(dòng)點(diǎn),飛機(jī)為動(dòng)系,地面為定系,若其牽連加速度ae過大(一般ae＞5g, g為重力加速度的值)，飛行員出現(xiàn)眼睛失明現(xiàn)象，俗稱“黑視”,在俯沖時(shí),ae過大(一般a e＞2g)也會(huì)出現(xiàn)視物變紅現(xiàn)象,俗稱“紅視”[3-5]。這些都是由于血流質(zhì)點(diǎn)受到過大的牽連慣性力FIe引起的。還有賽車結(jié)構(gòu)為什么前細(xì)，后粗，前輪小，后輪大等等。

所有這些內(nèi)容對(duì)學(xué)生都很新鮮，又很實(shí)用，具有很強(qiáng)的吸引力。學(xué)生反映:“老師能密切聯(lián)系科學(xué)技術(shù)發(fā)展，由淺入深，新穎、生動(dòng)的進(jìn)行教學(xué)，對(duì)他們掌握課本知識(shí)，開闊視野及激發(fā)求知欲有較大的幫助”。通過這樣的教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生加深了對(duì)概念的理解，擴(kuò)大了知識(shí)面，對(duì)理論力學(xué)這門古老而又實(shí)用的科學(xué)在科學(xué)技術(shù)中的生命力有了新的認(rèn)識(shí)。

2.聯(lián)系實(shí)際講解力學(xué)模型

理論力學(xué)的分析和研究方法在科學(xué)研究中有一定的典型性，主要有抽象法、邏輯推理和數(shù)學(xué)演繹法。抽象法是理論力學(xué)最基本的研究方法，它抓住主要矛盾，忽略次要因素，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，抽象成簡(jiǎn)單、直觀可視化的力學(xué)模型，深入分析和數(shù)學(xué)解析后再返回解決實(shí)際問題的一種思考方法?？梢暬Ｐ褪菍?duì)實(shí)踐中同一類現(xiàn)象的高度概括，合理地反映了一般的科學(xué)規(guī)律，是理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)部分有大量的過于簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)模型，如果學(xué)生對(duì)這些模型的來源和背景不清楚，就無法把模型和工程實(shí)際問題聯(lián)系起來，就更談不上應(yīng)用，弄清模型與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的關(guān)系是培養(yǎng)應(yīng)用能力的必要手段。因此，對(duì)一些由概念、例題和習(xí)題引出的模型，要引導(dǎo)學(xué)生加以思考，并結(jié)合實(shí)際機(jī)械、機(jī)構(gòu)詳細(xì)解釋，注意體現(xiàn)理論力學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)課的特點(diǎn)。例如，圖1所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型，教材沒有給出它的來歷以及在實(shí)際中代表了什么，教學(xué)中首先講清楚它是同一類實(shí)際機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，然后舉一兩個(gè)實(shí)際例子，它可以代表如圖2所示的單缸內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也可以是如圖3所示的曲柄壓榨機(jī)機(jī)構(gòu)，最后讓學(xué)生自己再找出其他的例子，結(jié)果學(xué)生結(jié)合工廠實(shí)習(xí)中見到的機(jī)械，給出了如圖4所示的生產(chǎn)線上的送料機(jī)構(gòu)與圖5所示的沖床機(jī)構(gòu)[6]，這樣通過模型和實(shí)際機(jī)構(gòu)相互轉(zhuǎn)換的練習(xí)，把模型和發(fā)現(xiàn)過程溶于教學(xué)之中，引起了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，提高了力學(xué)建模能力和實(shí)際應(yīng)用能力。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

3.通過一題多解培養(yǎng)大學(xué)生思維的靈活性

力學(xué)問題中一題多解比較普遍，靜力學(xué)中處理物體系的平衡，可以先取整體然后取部分為研究對(duì)象進(jìn)行求解，也可以逐個(gè)取物體系的組成部分為研究對(duì)象進(jìn)行求解。運(yùn)動(dòng)學(xué)中有些問題，可以用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)求解；也可以利用復(fù)合運(yùn)動(dòng)知識(shí)或剛體的平面平行運(yùn)動(dòng)知識(shí)求解。動(dòng)力學(xué)中，一題多解的例子更多，可以用動(dòng)力學(xué)普遍定理(三大定理)求解，也可以用達(dá)朗伯原理求解，或用動(dòng)力學(xué)普遍方程求解。教師在教學(xué)中，課堂上實(shí)施多種解答的講解和示范，同時(shí)要求學(xué)生一題多解完成作業(yè)。通過一題多解，讓學(xué)生明自“條條道路通羅馬”的道理[7]，做到各種方法融會(huì)貫通。久而久之，就會(huì)使學(xué)生思維變得靈活，不囿于成見，遇到問題勤于思考、善于思考，打開思路，通過自己的探索，找出最佳方案。

4.強(qiáng)調(diào)理論力學(xué)與相關(guān)課程的聯(lián)系和滲透

在理論力學(xué)教學(xué)過程中，注意課程各章節(jié)以及相關(guān)課程(高等數(shù)學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理等)之間的聯(lián)系和滲透，可以使學(xué)生將學(xué)到的知識(shí)統(tǒng)一化，能在學(xué)生的頭腦中建立舉一反三的知識(shí)結(jié)構(gòu)。在階段復(fù)習(xí)和總復(fù)習(xí)時(shí)進(jìn)行一題多解的訓(xùn)練(如，靜力學(xué)問題可選擇不同的研究對(duì)象、投影軸和平衡方程，動(dòng)力學(xué)問題可以選用動(dòng)力學(xué)微分方程、動(dòng)力學(xué)普遍定理等)，通過各種定理、方法在同一問題上的對(duì)比應(yīng)用，找出它們之間的內(nèi)在聯(lián)系和具體差別，以及各自的使用條件、使用范圍，可以加強(qiáng)課程各章節(jié)之間的聯(lián)系，各方法間的聯(lián)系，達(dá)到知識(shí)和方法的融合，起到溫故知新、融會(huì)貫通、事半功倍的效果.同時(shí)，多種解法的異曲同工之妙，殊途同歸之效，使學(xué)生眼界大開，從中感到了解題的樂趣，克服了對(duì)理論力學(xué)學(xué)習(xí)的畏難情緒。又如，講到考慮摩擦?xí)r物體的平衡問題時(shí)，大多數(shù)教材中都有這樣的例：如圖6所示為攀登電線桿所用到的套鉤，求套鉤不致下滑時(shí)腳踏力F的作用線與電線桿中心線的最小距離d。若把此題改為求保持套鉤下滑的最大距離d，就變成了圖7所示的滑動(dòng)齒輪在軸上滑動(dòng)時(shí)不允許自鎖的機(jī)械設(shè)計(jì)問題，這樣就和后繼課程機(jī)械原理聯(lián)系起來(這樣的例子很多)[8-9]。通過與相關(guān)課程的聯(lián)系和滲透，使學(xué)生明白了理論力學(xué)在所學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)中所處的地位和所起的重要作用，克服了學(xué)而無用的思想。

圖6

圖7

5.利用知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系增強(qiáng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

達(dá)朗伯原理和虛位移原理是創(chuàng)造性思維的具體體現(xiàn)。用動(dòng)力學(xué)普遍定理計(jì)算機(jī)器動(dòng)反力比較繁瑣，于是就另辟思路，提出“慣性力”，將動(dòng)力學(xué)問題變?yōu)殪o力學(xué)問題來處理；對(duì)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，用靜力學(xué)平衡方程求解冗長(zhǎng)而復(fù)雜，為此，提出“虛位移”和“虛功”的概念，將靜力學(xué)問題轉(zhuǎn)為動(dòng)力學(xué)問題來處理；這兩種別具一格的方法，不僅成功地簡(jiǎn)化了計(jì)算問題，而且發(fā)展了原有理論，并由此產(chǎn)生了一門新的力學(xué)分支——分析力學(xué)[10-11]。在講述這部分內(nèi)容時(shí)，講述前輩們進(jìn)行創(chuàng)造性思維活動(dòng)的過程和價(jià)值，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)他們進(jìn)行思考，有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。

6.結(jié)語

加強(qiáng)理論力學(xué)的應(yīng)用性和實(shí)踐性，是理工科院校的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)所確定的，是教師必須長(zhǎng)期深入研究的課題。本文的探索僅僅是個(gè)開頭，在這方面還有許多工作可做。今后，筆者將繼續(xù)探索并找到培養(yǎng)出既具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)、又具有較強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用能力的綜合素質(zhì)較高的應(yīng)用型人才的教學(xué)模式。

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Discussion Of Strengthen the Applicability and Practicality in Theoretical Mechanics Teaching

Wang Hongxin Cheng Dongji Mechanical and Electronic Engineering Department of West Anhui Unive’rasinty,A,Lunhui 237012

Teaching methods and teaching means based on the teaching practice of theoretical mechanics，some new measures are put foward.These possess good effects in developing students intelligence and cultivating the practice alability of analizing the problem solve the problem for students.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.04.070

王洪新（1976-），女，遼寧營(yíng)口人，皖西學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院講師，研究方向，材料加工。