UG軟件在高職高專(zhuān)工程力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要 工程力學(xué)是高職高專(zhuān)工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，存在課程理論性強(qiáng)、工程實(shí)踐要求高、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足等問(wèn)題，將工程應(yīng)用廣泛的UG軟件在工程力學(xué)教學(xué)中加以應(yīng)用，可以提高課堂教學(xué)的直觀性、效率和信息化水平，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用工程力學(xué)知識(shí)和工程軟件解決實(shí)際問(wèn)題的能力。從選擇適于應(yīng)用UG軟件輔助教學(xué)的工程力學(xué)知識(shí)點(diǎn)入手，舉例說(shuō)明應(yīng)用UG軟件輔助工程力學(xué)教學(xué)的操作方法，并且指出課堂教學(xué)安排上的注意點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 UG軟件；高職高專(zhuān)；工程力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）22-0045-03

Application of UG Software in Engineering Mechanics Course Teaching in Higher Vocational Colleges//DAI Youhua

Abstract Engineering mechanics is a professional basic course for

engineering students in Higher Vocational colleges， But there are

many problems such as strong curriculum theory， high engineering

practice requirements and lack of students interest in learning. App-lying widely used UG software in engineering mechanics teaching， can improve the intuitionistic， efficiency and informatization level of engineering mechanics teaching. At the same time， it can cultivate the students ability to apply engineering mechanics knowledge and

engineering software to solve practical problems. Firstly， this paper

selects the engineering mechanics knowledge points which are sui-table for the application of UG software teaching. Then， it illustrates the operation method of using UG software to assist engineering mechanics teaching. Finally， it points out the points of attention in classroom teaching arrangement.

Key words UG software； higher vocational college； engineering mechanics

1 前言

工程力學(xué)課程在高職高專(zhuān)院校機(jī)械、建筑等專(zhuān)業(yè)作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程開(kāi)設(shè)，在培養(yǎng)學(xué)生受力分析、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)等能力上起著重要作用。同時(shí)，這門(mén)課知識(shí)的掌握情況直接影響后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)[1]，以及在工作中應(yīng)用工程軟件和力學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。因此，有必要進(jìn)行引入工程軟件在工程力學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)用的教學(xué)改革。

2 工程力學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題及其原因

理論計(jì)算能力弱 工程力學(xué)中有大量的受力平衡計(jì)算和應(yīng)力計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得出強(qiáng)度是否滿(mǎn)足等。然而，當(dāng)前高職高專(zhuān)學(xué)生有的來(lái)源于提前自主招生和對(duì)口單招，有一部分通過(guò)高考錄取，另外有不少工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生在高中時(shí)學(xué)的文科，在數(shù)學(xué)計(jì)算方面能力都比較弱。這就制約了工程力學(xué)課程的教學(xué)效果，任課教師往往采取講清楚要求解什么和求解思路，只求解一些簡(jiǎn)單的計(jì)算問(wèn)題，放棄那些稍有復(fù)雜度的計(jì)算問(wèn)題的策略。這符合針對(duì)學(xué)生情況采取“理論夠用為度”的高職高專(zhuān)教學(xué)原則，但仍需探索更好的解決辦法。

動(dòng)態(tài)過(guò)程思維弱 工程力學(xué)中材料受力變形到破壞是有一個(gè)過(guò)程的，對(duì)這個(gè)過(guò)程的分析能找到材料將如何破壞、哪里首先破壞，從而優(yōu)化對(duì)材料結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)。由于學(xué)生見(jiàn)過(guò)的工程案例少，只通過(guò)教師的口頭描述，只能對(duì)一些簡(jiǎn)單的受力變形情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程思考，對(duì)于較為復(fù)雜的受力變形過(guò)程就難以想象其過(guò)程。這就需要有直觀反映受力變形的圖片或視頻資料，幫助學(xué)生提高對(duì)受力變形過(guò)程的動(dòng)態(tài)思考能力。

實(shí)驗(yàn)條件不夠全 高職高專(zhuān)院校開(kāi)設(shè)的工程力學(xué)課程一般在40～120學(xué)時(shí)不等，而對(duì)于拉力試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)等通用實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般是有的，但還有很多專(zhuān)業(yè)方向的力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備購(gòu)置的多少，就差別較大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以讓學(xué)生深刻理解不同材料的各種性能，而對(duì)于缺乏實(shí)驗(yàn)條件的情況，可以通過(guò)軟件模擬的辦法做一些彌補(bǔ)。

3 UG軟件的應(yīng)用對(duì)工程力學(xué)教學(xué)的輔助作用

UG軟件是一個(gè)集成化的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)軟件，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)控程序編制等，在機(jī)械、航空、汽車(chē)、船舶、電子等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[2]。UG軟件的三維建模功能和有限元分析功能可以為工程力學(xué)教學(xué)提供幫助。

提高講課的直觀性和效率 在工程力學(xué)講課過(guò)程中，遇到計(jì)算較為復(fù)雜的例題或是不方便去做實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)事先在UG軟件里制作好的模型，進(jìn)行力學(xué)問(wèn)題求解，并以動(dòng)畫(huà)、圖片、微課等形式展現(xiàn)出來(lái)?？梢宰寣W(xué)生直觀地看到其受力變形情況，并且這個(gè)演示過(guò)程所花的時(shí)間也不多。對(duì)于做過(guò)一些工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，就更能理解UG軟件里呈現(xiàn)的受力變形等分析內(nèi)容。endprint

拓寬演示各種案例的能力 通過(guò)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)深刻掌握的案例畢竟是不多的。如果需要直觀演示工程力學(xué)中的其他案例或者是來(lái)源于實(shí)際生產(chǎn)、研發(fā)中的案例，教師就可以事先通過(guò)UG軟件來(lái)制作，在課上使用即可。只要多花工夫制作案例，案例的數(shù)量和內(nèi)容都不再受到實(shí)驗(yàn)條件的限制。

激發(fā)學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程的興趣 高職高專(zhuān)教育是以就業(yè)為導(dǎo)向的，學(xué)生對(duì)職業(yè)技能的掌握和解決問(wèn)題能力的學(xué)習(xí)更感興趣。原本在工程力學(xué)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，理論的講解和大量的計(jì)算都容易使學(xué)生覺(jué)得這門(mén)課程難學(xué)，但是在教師演示用UG軟件求解工程力學(xué)問(wèn)題后，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)計(jì)算的事情可以交給計(jì)算機(jī)去做，懂得工程力學(xué)知識(shí)和UG軟件的使用，就可以快速地解決實(shí)際的工程問(wèn)題。逐漸地，學(xué)生會(huì)認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)工程力學(xué)課程有用，并且可以不是那么難學(xué)，進(jìn)而對(duì)工程力學(xué)課程以及后續(xù)的專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣。

4 適于應(yīng)用UG軟件輔助工程力學(xué)教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)

工程力學(xué)包含理論力學(xué)和材料力學(xué)兩部分。理論力學(xué)中的靜力學(xué)主要是受力平衡問(wèn)題，一般是只講平面力系且桿件較少的情況，計(jì)算量不大，不需要也不適合通過(guò)UG軟件輔助講解；而運(yùn)動(dòng)學(xué)部分和動(dòng)力學(xué)部分，多數(shù)開(kāi)設(shè)工程力學(xué)課程的專(zhuān)業(yè)都不講這部分內(nèi)容，如果講動(dòng)力學(xué)部分，也可以通過(guò)UG軟件輔助講解。材料力學(xué)中的拉伸、壓縮、剪切、擠壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等變形問(wèn)題的分析，都適合通過(guò)UG軟件輔助講解。另外，引入實(shí)際生產(chǎn)、教師科研中的案例講解時(shí)，大多適合通過(guò)UG軟件輔助講解。工程力學(xué)中適合通過(guò)UG軟件輔助講解的知識(shí)點(diǎn)的具體情況見(jiàn)表1。

5 應(yīng)用UG軟件輔助工程力學(xué)教學(xué)的操作方法

使用UG軟件講解工程力學(xué)問(wèn)題的方法 選取工程力學(xué)課程中需要通過(guò)UG軟件輔助講解的案例，教師事先在UG軟件的三維建模環(huán)境下創(chuàng)建好案例的模型，然后切換到高級(jí)仿真環(huán)境，做好案例的力學(xué)分析；再通過(guò)截圖制作圖片資料，或者通過(guò)錄屏軟件制作力學(xué)分析動(dòng)畫(huà)；最后，通過(guò)制作PPT或微課等，將應(yīng)用UG軟件輔助分析工程力學(xué)問(wèn)題的案例制作成講課資料。

在上課時(shí)，教師在需要用到輔助案例時(shí)，可以對(duì)照PPT上的例子一邊講解一邊讓學(xué)生看圖，伴隨講解的過(guò)程逐步給出分析結(jié)果的圖，并做必要的解釋?zhuān)换蛘呖梢圆シ乓欢挝⒄n，結(jié)束后與學(xué)生進(jìn)行交流討論；有時(shí)也可以打開(kāi)UG軟

件，實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)備好的分析模型做一些查看分析結(jié)果的操作。

應(yīng)用UG軟件制作工程力學(xué)教學(xué)案例的例子 如應(yīng)力集中問(wèn)題是工程力學(xué)中一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，是講解受力構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸的突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象，對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用。但是僅僅作一些理論講解，學(xué)生對(duì)應(yīng)力集中的感性認(rèn)識(shí)會(huì)不太深刻[3]，因此可以通過(guò)UG軟件制作一個(gè)應(yīng)力集中問(wèn)題的分析案例來(lái)輔助講解。

如果一塊長(zhǎng)度160 mm、高度380 mm、厚度20 mm的鋼板，中間位置有一個(gè)直徑40 mm的通孔，當(dāng)鋼板下部固定、上部受到10 N/mm的均布載荷，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，不計(jì)鋼板自重，要分析鋼板受拉時(shí)的應(yīng)力集中問(wèn)題。

首先，用UG軟件創(chuàng)建此鋼板的三維模型，如圖1（a）所示；進(jìn)入U(xiǎn)G軟件的高級(jí)仿真模塊，新建FEM文件，設(shè)置材料屬性為“steel”，并指派給鋼板模型；對(duì)模型按“10節(jié)點(diǎn)四面體單元”、自動(dòng)計(jì)算單元格大小的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1（b）所示；新建sim文件，設(shè)置鋼板下平面為固定端，如圖1（c）所示；設(shè)置鋼板上平表面上受到法向朝外的均布載荷，如圖1（d）所示；經(jīng)過(guò)模型檢查后，進(jìn)行分析解算；最后，通過(guò)對(duì)求解結(jié)果的查看，鋼板在豎直方向變形的位移云圖如圖1（e）所示，鋼板內(nèi)部應(yīng)力分布的應(yīng)力云圖如圖1（f）所示。通過(guò)UG軟件對(duì)應(yīng)力集中問(wèn)題的分析，可以讓學(xué)生直觀地看出鋼板中小孔附近區(qū)域受到的應(yīng)力明顯增大。

又如指導(dǎo)學(xué)生做過(guò)的一個(gè)實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目，要設(shè)計(jì)一臺(tái)手扶式茶樹(shù)修剪機(jī)[4]，在整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析優(yōu)化，在之后的工程力學(xué)教學(xué)中可以簡(jiǎn)述給學(xué)生聽(tīng)。手扶式茶樹(shù)修剪機(jī)采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力源，動(dòng)力被分配傳遞給驅(qū)動(dòng)輪以及兩個(gè)修剪刀具，修剪刀具布置在機(jī)身兩側(cè)，當(dāng)?shù)毒叨继幱谪Q直或水平位置時(shí)，就可以修剪過(guò)道兩側(cè)茶樹(shù)、壟上茶樹(shù)的側(cè)面或上平面。

在茶樹(shù)修剪機(jī)工作時(shí)，受到樹(shù)枝的阻力，對(duì)修剪機(jī)的主要工作部件進(jìn)行UG有限元分析，如圖2所示，根據(jù)分析結(jié)果就可以?xún)?yōu)化修剪機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸。

6 在工程力學(xué)教學(xué)中應(yīng)用UG軟件時(shí)的注意點(diǎn)

以講解工程力學(xué)知識(shí)為主 在工程力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中要堅(jiān)持以講解工程力學(xué)知識(shí)為主，能夠通過(guò)理論講解、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等形式讓學(xué)生掌握的知識(shí)點(diǎn)，就要堅(jiān)持采用原先的方法講解。在確有必要通過(guò)UG軟件來(lái)輔助講解時(shí)，一定要在課前做好充分的資源制作工作，并進(jìn)行信息化教學(xué)設(shè)計(jì)，讓通過(guò)UG軟件來(lái)輔助講解的內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合到工程力學(xué)的課程教學(xué)安排中來(lái)。不要因?yàn)橥ㄟ^(guò)UG軟件進(jìn)行力學(xué)問(wèn)題分析的案例多，就過(guò)多地講解UG力學(xué)分析內(nèi)容。

盡量減少操作UG軟件的時(shí)間 課堂教學(xué)的時(shí)間有限，要珍惜課堂時(shí)間，合理地安排教學(xué)活動(dòng)。在使用UG軟件講解工程力學(xué)問(wèn)題時(shí)，是為了直觀、高效地講清楚工程力學(xué)知識(shí)，而不是講解UG軟件的應(yīng)用，所以要通過(guò)事先的準(zhǔn)備工作，減少在課堂上對(duì)UG軟件進(jìn)行操作。另外，UG軟件的學(xué)習(xí)是有很多內(nèi)容的，對(duì)于低年級(jí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，突然地講UG軟件的力學(xué)分析操作應(yīng)用，會(huì)有難度和引起思維混亂。故在課堂上，教師重在利用UG軟件來(lái)展現(xiàn)對(duì)工程力學(xué)問(wèn)題的分析結(jié)果，加深學(xué)生對(duì)工程力學(xué)知識(shí)的理解。

7 結(jié)論

將UG軟件的力學(xué)分析功能應(yīng)用到輔助工程力學(xué)課程的講解中去，有助于解決當(dāng)前工程力學(xué)教學(xué)理論性強(qiáng)、課時(shí)緊、實(shí)驗(yàn)不夠多的問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)選適合UG軟件輔助工程力學(xué)教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，精心制作大量的UG力學(xué)分析資源，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)工程力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，提高工程力學(xué)課程的信息化教學(xué)水平，并可為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)做好引導(dǎo)，提高學(xué)生利用工程力學(xué)知識(shí)和先進(jìn)工具軟件解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

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