平面匯交力系課堂教學(xué)改革探索與實(shí)踐

王 濤

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口570228）

0 引言

工程力學(xué)是機(jī)械類專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)感覺枯燥無味，興趣不濃。很多學(xué)者從多方面進(jìn)行教學(xué)改革[1-4]，有的學(xué)生反映課程理論簡(jiǎn)單題難做，尤其是學(xué)完基礎(chǔ)理論對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力比較欠缺，更是缺乏解決問題的意識(shí)，因此，提高學(xué)生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)質(zhì)量尤其重要[5-8]。筆者結(jié)合多年的工程力學(xué)教學(xué)實(shí)踐提出通過課堂教學(xué)進(jìn)行改革的措施，提高工程力學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量。本文以平面匯交力系的教學(xué)內(nèi)容為例，說明工程力學(xué)教學(xué)課堂的教學(xué)思路和模式，供同行參考。

1 教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生分析

本節(jié)課進(jìn)入具體力學(xué)理論計(jì)算內(nèi)容的第一節(jié)，即平面匯交力系。首先對(duì)整個(gè)靜力學(xué)將要計(jì)算的問題進(jìn)行分類，讓學(xué)生從宏觀上了解靜力學(xué)將要研究的主要問題和對(duì)象，通過引入工程案例讓學(xué)生認(rèn)識(shí)力學(xué)計(jì)算的意義和價(jià)值。同時(shí)掌握本節(jié)課教材中對(duì)于平面匯交力系進(jìn)行計(jì)算的幾何法和解析法的基本原理及操作過程，以便在匯交力系的結(jié)構(gòu)計(jì)算與創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面對(duì)該方法的理解運(yùn)用更為深刻。掌握平面匯交力系的力學(xué)計(jì)算方法對(duì)于學(xué)習(xí)平面及空間任意力系的力學(xué)計(jì)算也起到基礎(chǔ)性作用。

本節(jié)課授課的學(xué)生是剛學(xué)習(xí)完物體的受力分析基本內(nèi)容，對(duì)力學(xué)的具體數(shù)值計(jì)算還未系統(tǒng)深入了解，通過本次課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步掌握平面匯交力系的典型計(jì)算方法。對(duì)于典型結(jié)構(gòu)的具體計(jì)算思路有深刻認(rèn)識(shí)。通過對(duì)比幾何法和解析法的解題技巧分析能夠給學(xué)生建立起解決復(fù)雜問題如何能進(jìn)行等效簡(jiǎn)單化的基本思路，讓學(xué)生體會(huì)化繁為簡(jiǎn)的等效處理方法，能夠使學(xué)生感受到力學(xué)計(jì)算的魅力的同時(shí)，提高對(duì)匯交力系學(xué)習(xí)的興趣，并體會(huì)到力學(xué)計(jì)算方法的魅力，最后再通過課堂討論和分析結(jié)果規(guī)律擴(kuò)展應(yīng)用設(shè)計(jì)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。

2 教學(xué)策略的選擇與設(shè)計(jì)

2.1 創(chuàng)設(shè)情境、導(dǎo)入新課：提出問題

提出為什么要進(jìn)行力學(xué)計(jì)算工作，力學(xué)計(jì)算工作的意義及價(jià)值，利用工程中的實(shí)際案例進(jìn)行話題激趣，使學(xué)生整堂課都能保持積極的心態(tài)去分析工程案例并解決實(shí)際問題，探索新知識(shí)[9-12]。通過課堂展示實(shí)際事故案例，例如通過起重機(jī)吊起重物鋼絲繩斷裂的事故視頻錄像進(jìn)行案例展示，引導(dǎo)學(xué)生思考為什么斷裂，提出問題的根源在哪里，同時(shí)分析如果不進(jìn)行力學(xué)計(jì)算或者計(jì)算的不精細(xì)，就會(huì)產(chǎn)生意想不到的事故，引起學(xué)生思想上足夠的重視，同時(shí)也對(duì)將要學(xué)習(xí)的課程的重要性有了認(rèn)識(shí)。

2.2 提出平面匯交力系的基本概念和計(jì)算方法

分析問題：對(duì)于剛才鋼絲繩斷裂的的工程案例事故，對(duì)吊鉤進(jìn)行受力分析，劃歸為平面匯交力系模型進(jìn)行分析，同時(shí)自然過渡到本節(jié)課課程介紹工程上力學(xué)計(jì)算采用的有兩種方法，首先對(duì)幾何法研究平面匯交力系的合成問題的思想和愿景進(jìn)行分析，并提出幾何法的操作思想和過程，同時(shí)闡述幾何法的計(jì)算結(jié)果分析，對(duì)于計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行物理意義的討論，從靜態(tài)力參數(shù)變化過渡到影響動(dòng)態(tài)的結(jié)果分析，指出當(dāng)分力與主動(dòng)力夾角的變化引起分力大小的規(guī)律。并引出平面匯交力系平衡的充分必要條件。

2.3 通過工程實(shí)際的案例進(jìn)行幾何法的應(yīng)用力學(xué)計(jì)算

解決問題：針對(duì)鋼絲繩吊重物斷裂事故的其他類似案例的工程問題，運(yùn)用幾何法進(jìn)行受力分析并計(jì)算，受力分析及運(yùn)用封閉的幾何圖形進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。完成計(jì)算結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。提出當(dāng)桿件從兩根增加到三根四根的時(shí)候，給學(xué)生提出新問題，將如何計(jì)算，能否用剛才所講的知識(shí)解決，提高師生的互動(dòng)與討論?？偨Y(jié)運(yùn)用幾何法計(jì)算所面臨的缺點(diǎn)。得出幾何法在實(shí)際中尤其解復(fù)雜問題有作圖精度要求高，容易引起誤差的缺點(diǎn)。進(jìn)一步提出問題尋找解決問題的方法。

2.4 針對(duì)以上的幾何法的缺點(diǎn)、導(dǎo)入解析法的講解

介紹解析法的力在坐標(biāo)軸上投影的基本概念以及合力矩定理的基本概念和應(yīng)用。推導(dǎo)出運(yùn)用力學(xué)投影合成來計(jì)算力的基本思想，并引出解決平面匯交力系的解析法解決問題的操作過程。

2.5 通過工程實(shí)際的案例應(yīng)用解析法的力學(xué)計(jì)算

解決問題：針對(duì)剛才同樣實(shí)際的工程問題，運(yùn)用解析法進(jìn)行計(jì)算，受力分析及運(yùn)用投影平衡方程進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。完成計(jì)算結(jié)果，并與幾何法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，說明幾何法與解析法都是能夠計(jì)算出平面匯交力系的平衡問題。同時(shí)進(jìn)行更深一步的討論，因?yàn)榍蠼夥匠探M往往比較麻煩，而且容易出錯(cuò)，能否不列方程組，實(shí)現(xiàn)列一個(gè)方程解決一個(gè)未知量的目的，從而簡(jiǎn)化力學(xué)計(jì)算過程。方法和措施就是采用靈活建立坐標(biāo)系的方法，列寫平衡方程，使解決問題的方程簡(jiǎn)化。并對(duì)比兩種方法的優(yōu)劣，總結(jié)解題的基本步驟原則和技巧，為今后的快速計(jì)算提供原則思路。

2.6 總結(jié)并擴(kuò)展提供研究的案例，再擴(kuò)展學(xué)生思維

在學(xué)習(xí)完了基本計(jì)算方法之后，通過解析法對(duì)匯交力系的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行深入分析，討論當(dāng)角度在變化時(shí)對(duì)匯交力系中力值的影響，從靜態(tài)規(guī)律歸納總結(jié)到動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。提出在工程應(yīng)用中需要設(shè)計(jì)力學(xué)放大裝置，結(jié)合科研實(shí)際課題討論，比如壓榨機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，海南拉拔式木薯收獲裝置方案設(shè)計(jì)等。在對(duì)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)，引導(dǎo)學(xué)生提出在工程中還有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)和分析，例如，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，串聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人展示等，開拓學(xué)生思維，啟發(fā)創(chuàng)新思想。從平面到空間過渡提出桁架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何計(jì)算，如何采用所學(xué)習(xí)的解析法來進(jìn)行平面桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算，讓學(xué)生運(yùn)用今天所學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行深入探索。提出對(duì)于空間匯交力系又如何進(jìn)行計(jì)算，可讓學(xué)生試探提出設(shè)想。再擴(kuò)展到空間匯交力系結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

3 教學(xué)反思

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)主要有3個(gè)特點(diǎn)：

（1）教學(xué)流程設(shè)計(jì)上符合認(rèn)知規(guī)律，采用結(jié)合工程實(shí)際案例的說明提出力學(xué)計(jì)算的必要性，使學(xué)生盡快進(jìn)入狀態(tài)。遵循科學(xué)研究的基本思路，按照提出問題，分析問題，解決問題，應(yīng)用擴(kuò)展的基本思路進(jìn)行。

（2）提高學(xué)生運(yùn)用解析法解決力學(xué)計(jì)算的能力，通過師生的討論并啟發(fā)對(duì)比，提高學(xué)生的力學(xué)計(jì)算能力。

（3）引入實(shí)際課題進(jìn)行案例討論，并擴(kuò)展學(xué)生思維。這樣做的好處是使枯燥的知識(shí)易于理解、掌握而且直觀，通過案例與教學(xué)課件的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生對(duì)內(nèi)容有了更為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并從二維擴(kuò)展三維，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從簡(jiǎn)單擴(kuò)展到復(fù)雜，理論聯(lián)系身邊實(shí)際課題啟發(fā)思維提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)束語

提高工程力學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量是培養(yǎng)具有創(chuàng)新性人才的關(guān)鍵，以上是我針對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)課程質(zhì)量的一些嘗試，今后還要更進(jìn)一步結(jié)合學(xué)生的特點(diǎn)和實(shí)際情況，達(dá)到因材施教，進(jìn)一步深入探索提高工程力學(xué)課程的課堂教學(xué)質(zhì)量的方法和措施。