工程力學(xué)網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)系統(tǒng)完善及擴(kuò)充

蘆保國

(太原理工大學(xué)輕紡工程與美術(shù)學(xué)院，山西晉中 030607)

2009年筆者受院科研基金的資助，制作一套《工程力學(xué)網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)系統(tǒng)》助學(xué)軟件，包含電子教案、電子演示文稿、習(xí)題解答、力學(xué)趣事和力學(xué)家故事四個(gè)模塊。由于學(xué)生學(xué)習(xí)和自己教學(xué)工作的需要，現(xiàn)將該軟件的模塊進(jìn)行了完善和擴(kuò)充。

1 完善現(xiàn)有模塊

在靜力學(xué)［1］部分，第四章平面任意力系中增加桁架一節(jié)，第五章摩擦中增加滾動摩擦一節(jié)，在第六章空間力系重心中增加重心一節(jié)。在運(yùn)動和動力學(xué)［2］部分，第三章點(diǎn)的合成運(yùn)動中增加牽連運(yùn)動為轉(zhuǎn)動時(shí)點(diǎn)的加速度合成定理，增加第七章動靜法、第十章振動和第十一章虛位移原理三章。在材料力學(xué)［3］部分，在第一章軸向拉伸和壓縮中增加應(yīng)變能的概念一節(jié)、在第五章彎曲應(yīng)力中增加塑性彎曲的概念和梁彎曲時(shí)的切應(yīng)力兩節(jié)，增加第二章剪切、第七章應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論、第八章組合變形、第九章壓桿穩(wěn)定和第十一章交變應(yīng)力［4］，將分散于運(yùn)動和動力學(xué)部分的有關(guān)內(nèi)容整合為第十章動載荷。對于上述內(nèi)容精心準(zhǔn)備了電子教案，并制作了相應(yīng)的電子演示文稿。

講到滾動摩擦?xí)r，與滑動摩擦充分對比，使學(xué)生明白輪子轉(zhuǎn)動為什么比滑動容易。講到重心時(shí)，由于概念抽象，除介紹重心坐標(biāo)公式及求法外，還通過飛機(jī)起落、高速旋轉(zhuǎn)零件、搗振器等日常事例說明重心確實(shí)是客觀存在的。講到牽連運(yùn)動為轉(zhuǎn)動時(shí)點(diǎn)的加速度合成定理時(shí)，科氏加速度同樣是一個(gè)抽象的概念，講解時(shí)除說明其產(chǎn)生原因和求法外，還通過北半球沿經(jīng)線流動的河水為什么右岸容易沖刷等事例說明其應(yīng)用。動靜法一章，重點(diǎn)介紹慣性力的概念，平動、定軸轉(zhuǎn)動和平面運(yùn)動剛體慣性力系的簡化。講慣性力時(shí)，用偏心圓盤形回轉(zhuǎn)體、離心鑄造機(jī)和打夯機(jī)從正反兩方面說明慣性力的利弊。講平面運(yùn)動剛體慣性力系的簡化時(shí)，列舉纏繞細(xì)繩的滾子，為說明拉力小于某定值時(shí)作純滾動，大于該值則處于滑動狀態(tài)時(shí)，用悠悠球親自示范，并讓學(xué)生自己動手實(shí)踐。振動一章重點(diǎn)介紹單自由度系統(tǒng)自由振動，自由振動的固有頻率和求固有頻率的方法，單自由度受迫振動的頻幅曲線、共振現(xiàn)象。講自由振動時(shí)固有頻率的算法時(shí)，詳細(xì)總結(jié)了靜變形法、解微分方程法和能量法三種方法，并通過相應(yīng)的例題講解。共振是工程中的一種常見現(xiàn)象，也與人們的生活息息相關(guān)，講解時(shí)通過機(jī)床、汽車、樂器、振動打樁機(jī)等從正反兩方面介紹了其利弊，利用和消除的方法。虛位移原理一章重點(diǎn)介紹虛位移、理想約束的概念，應(yīng)用虛位移原理求解物體系的平衡問題。介紹虛位移的求法，強(qiáng)調(diào)虛位移和實(shí)位移的區(qū)別與聯(lián)系。

應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論一章重點(diǎn)介紹平面應(yīng)力狀態(tài)的解析法和幾何法，能根據(jù)材料的破壞形式，選擇恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)度理論解決復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算。組合變形一章，重點(diǎn)介紹運(yùn)用疊加原理分析桿件在拉彎組合和扭彎組合下的強(qiáng)度計(jì)算。壓桿穩(wěn)定一章是材料力學(xué)的重點(diǎn)研究內(nèi)容。講解時(shí)應(yīng)首先使學(xué)生明確學(xué)習(xí)該章的必要性，重點(diǎn)介紹壓桿穩(wěn)定性等有關(guān)概念，會計(jì)算柔度并判斷壓桿類型，熟練掌握常見支座條件下各桿壓桿的臨界壓力和臨界應(yīng)力的計(jì)算并進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。動載荷一章，重點(diǎn)介紹應(yīng)用動靜法計(jì)算勻加速直線運(yùn)動和勻速轉(zhuǎn)動構(gòu)件的應(yīng)力與變形，用能量法計(jì)算受沖擊構(gòu)件的應(yīng)力與變形。特別要使學(xué)生加深理解沖擊力學(xué)模型的四個(gè)基本假設(shè)。交變應(yīng)力一章，重點(diǎn)介紹應(yīng)力循環(huán)與表征參數(shù)、疲勞破壞特點(diǎn)、疲勞極限與持久極限曲線等基本概念，影響構(gòu)件疲勞極限的主要因素及提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的措施。

為講好材料力學(xué)簡史，在力學(xué)趣事和力學(xué)家故事模塊中，專門收集了材料力學(xué)背景知識，并更名為工程力學(xué)相關(guān)知識模塊，在這一模塊中專門搜集了木屋架結(jié)構(gòu)，特別是獨(dú)有的建筑構(gòu)件——斗拱結(jié)構(gòu)，位于五臺縣的兩座唐代木結(jié)構(gòu)寺廟——佛光寺和南禪寺，應(yīng)縣木塔，現(xiàn)存最古老的石拱橋——小商橋和趙州橋以及華北四寶，位于四川的水利工程——都江堰及其建造者李冰父子，位于內(nèi)江的安瀾橋以及五大古橋，隋代五層大戰(zhàn)船，鄭和、鄭玄的故事以及法國科學(xué)家伽利略、庫侖和納維簡介等有關(guān)知識。收集了我國的航天成就——嫦娥工程和創(chuàng)造了四項(xiàng)世界紀(jì)錄的蘇通大橋的情況，同時(shí)還收集了由于人類不尊重自然或?qū)ψ匀涣私馍跎俣斐傻氖鹿省┨鼓峥颂柕某翛]和切爾諾貝利核爆炸。此外還收集了墨子、科里奧利、莫爾、達(dá)朗伯、圣維南等力學(xué)家的故事和共振、疲勞等相關(guān)知識。

2 擴(kuò)充了工程力學(xué)大綱與簡介、思考題解答、動畫和視頻庫三個(gè)模塊

為使學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程之前，對本課程的概貌有大致了解，首先制作了工程力學(xué)大綱與簡介模塊，簡介中介紹了該課程的名稱、學(xué)分、學(xué)時(shí)、類別、先行課程、適用專業(yè)及講授內(nèi)容等有關(guān)信息。大綱中進(jìn)一步介紹，該課程的性質(zhì)和目的、教學(xué)內(nèi)容及各章主要要求、重點(diǎn)和難點(diǎn)、學(xué)時(shí)分配、總體要求、教學(xué)安排、教材和參考資料等詳細(xì)信息，使學(xué)生做到心中有數(shù)。

為便于同學(xué)們正確理解課程內(nèi)容，切實(shí)幫助同學(xué)們解決在學(xué)習(xí)過程中遇到的困惑，制作了思考題解答、動畫和視頻庫兩個(gè)模塊。在學(xué)習(xí)過程中，一些同學(xué)對概念的理解還停留在書本中的文字?jǐn)⑹錾希龈拍铑}往往出錯(cuò)，為使學(xué)生通過積極觀察、思考、聯(lián)想，誘發(fā)自己積累思維，實(shí)現(xiàn)知識、能力的同步發(fā)展，制作了思考題解答模塊。本模塊將主教材中的思考題進(jìn)行了詳細(xì)解答，便于同學(xué)們查閱，章節(jié)題號完全與主教材對應(yīng)。在動畫和視頻庫模塊中，將某些抽象的不容易解釋清楚的知識點(diǎn)輔之以動畫和視頻演示。如在約束與約束反力中，用動畫演示了光滑面約束、鉸鏈約束、滑動軸承約束、球鉸鏈約束等。講到力偶時(shí)，播放了工人師傅鉸孔的視頻，講到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的例題時(shí)播放了牛頭刨床的動畫。摩擦一章中播放了夾緊機(jī)構(gòu)的動畫。講插床和鄂式破碎機(jī)的例題和習(xí)題時(shí)，演示了有關(guān)的動畫和視頻。點(diǎn)的運(yùn)動一章講到鉸鏈機(jī)構(gòu)的例題時(shí)播放了橢圓規(guī)畫橢圓的動畫，該動畫能對有關(guān)長度和速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。講定軸輪系的傳動比時(shí)，播放了膠帶傳動和內(nèi)、外嚙合的齒輪傳動的視頻。講到牽連運(yùn)動為轉(zhuǎn)動時(shí)的加速度合成定理中擺式汽缸的例題時(shí)播放了飛機(jī)起落架和自卸汽車的動畫。講質(zhì)心運(yùn)動定理時(shí)，播放了世界頂級跳遠(yuǎn)巨星的精彩集錦。講質(zhì)點(diǎn)系動量矩守恒定理時(shí)播放了程雪花樣滑冰的視頻。講到計(jì)算我國第一顆人造地球衛(wèi)星軌道速度的例題時(shí)，播放了東方紅一號發(fā)射的視頻。這些動畫和視頻能使學(xué)生了解機(jī)構(gòu)的工作原理，增加感性認(rèn)識，有身臨其境之感。講到材料的力學(xué)性能時(shí)，播放了低碳鋼拉伸試驗(yàn)的視頻，使學(xué)生了解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，熟悉了實(shí)驗(yàn)過程，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)施不足的遺憾。

3 教學(xué)效果

通過上述擴(kuò)充和完善，不僅滿足了筆者教學(xué)的需要，而且使學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程之前，就能做到心中有數(shù)，在學(xué)習(xí)過程中也增加了感性認(rèn)識，豐富了學(xué)生的力學(xué)相關(guān)知識，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)由于課時(shí)所限無法講授的內(nèi)容提供了便利，取得了良好的教學(xué)效果。今后將在此基礎(chǔ)上制作自測模塊，便于學(xué)生課后檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。

［1］北京科技大學(xué)，東北大學(xué).工程力學(xué)(靜力學(xué))［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2008.

［2］北京科技大學(xué)，東北大學(xué).工程力學(xué)(運(yùn)動和動力學(xué))［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2008.

［3］北京科技大學(xué)，東北大學(xué).工程力學(xué)(材料力學(xué))［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2008.

［4］茍文選.材料力學(xué)(Ⅰ)［M］.第2版.北京:科學(xué)出版社，2010.