新工科背景下理論力學教學內(nèi)容信息化改革
——以振動篩運動分析為例

馬靜敏，付彥坤，李龍飛，文志杰

（1.山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院 山東 青島 266590；2.貴州大學礦業(yè)學院 貴州 貴陽 550000）

2017 年2 月以來，教育部為適應(yīng)科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的需要，積極推進新工科建設(shè)。需要明確的是：“新工科”的“新”不僅僅針對人工智能、智能制造等新型產(chǎn)業(yè)，同時也包括對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級和改造[1]。新興產(chǎn)業(yè)并不是橫空出世，很多時候是對傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展和延續(xù)。互聯(lián)網(wǎng)時代對于專業(yè)和行業(yè)來說，提出了“信息化復(fù)合”的要求，即將傳統(tǒng)工業(yè)變得智能，所以“舊工科”并不會沒落，而是在互聯(lián)網(wǎng)等新科技的融入中煥發(fā)新的活力，培養(yǎng)出更多的復(fù)合型人才[2]。

理論力學是機械、采礦、土木等傳統(tǒng)工科專業(yè)的一門必修課程。該課程通常在大一下學期或者大二上學期開設(shè)。在該課程中，學生首次將學到的數(shù)學和物理知識用于解決工程問題，是橫跨理工的橋梁，同時它還是后續(xù)課程如材料力學、結(jié)構(gòu)力學、流體力學、機械原理等的基礎(chǔ)，在整個課程體系中的地位是非常重要和突出的。目前理論力學課程的教學存在下述問題：大部分學校仍沿用舊的教學內(nèi)容[3]，與當今的信息技術(shù)脫節(jié)嚴重，既不能為后續(xù)專業(yè)課程的學習打開信息化力學教學的大門，也不能滿足當今新工科背景下學生知識獲取途徑的需求，所以非常有必要重構(gòu)一些核心知識，將老知識升級換代，適應(yīng)傳統(tǒng)學科建設(shè)與信息技術(shù)相融合的發(fā)展需要，為后續(xù)專業(yè)課程的智能化建設(shè)奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 知識重構(gòu)策略

在新工科背景下，理論力學信息化教學的知識重構(gòu)策略如圖1 所示。先修課程在高等數(shù)學和大學物理的基礎(chǔ)上增加計算機文化基礎(chǔ)，即需要學生掌握計算機操作、數(shù)據(jù)存儲、程序編寫等基本的信息技術(shù)知識。在理論力學課程教學中，增加ADAMS、MTALAB的基礎(chǔ)知識，再結(jié)合靜力學、運動學和動力學的精選案例，可實現(xiàn)基于ADAMS和MATLAB 的信息化教學改革[4-5]?；贏DAMS 的信息化教學具有形象、直觀、便于理解和掌握的特點，適合于機械、交通、采礦、土木等工科專業(yè)的學生進行學習?；贛ATLAB的信息化教學更加偏向于理論的計算分析，適合力學或者偏向于基礎(chǔ)理論研究的專業(yè)進行學習。不同的院校可以根據(jù)自己學校培養(yǎng)學生的特點和需求進行有針對性的選擇。

圖1 理論力學信息化技術(shù)知識重構(gòu)策略圖

目前，響應(yīng)教育部注重學生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的要求，很多院校的理論力學學時被或多或少地壓縮。在學時減少的背景下，增加信息技術(shù)的教學內(nèi)容將會面臨學時不足的困難。令人欣喜的是，在線教育技術(shù)快速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)教學資源的極大豐富，為理論力學信息化教學改革提供了強大的助力。

2 振動篩運動分析案例

2.1 問題描述

本文以哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室主編的《理論力學（I）》（第8 版）課后習題8—5 為例，說明新工科背景下理論力學信息化教學改革的實施過程、對傳統(tǒng)教學內(nèi)容的拓展及對新工科背景下課程改革的適應(yīng)性。

如圖2所示，在篩動機構(gòu)中，篩子的擺動是由曲柄連桿機構(gòu)所帶動。已知曲柄OA 的轉(zhuǎn)速nOA=4or/min，OA=0.3m。當篩子BC 運動到與點O 在同一水平線上時，∠BAO=90°。求此瞬時篩子BC 的速度。

圖2 課后習題8—5 振動篩示意圖

按照題目的要求求解，滿足傳統(tǒng)教學的要求，使學生明確該瞬時振動篩BC 的速度和加速度。對教學內(nèi)容進行深度挖掘，便不難得到下列問題：在整個振動篩工作的過程中，其速度何時取得極值、極值是多大、振動篩振動的幅值是多少、各桿尺寸對于振動篩振動的影響又是怎樣的呢？這些問題在傳統(tǒng)的理論力學教學中是沒有涉及的，然而對于后續(xù)專業(yè)課程的學習、學生工程能力的培養(yǎng)、科學嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度的培養(yǎng)非常重要。通過引入計算機信息技術(shù)，借助于計算機軟件進行仿真可以較容易得到形象、直觀的解答。計算機仿真技術(shù)的引入從基礎(chǔ)課程階段將信息技術(shù)與課程相結(jié)合，對教學內(nèi)容是一項創(chuàng)新并為新工科背景下的復(fù)合型人才培養(yǎng)打下堅實基礎(chǔ)。

2.2 基于MATLAB 的信息化教學

圖2 的問題可以在MATLAB中描述4 個約束方程（為了使問題簡化，令B 和B1點重合），分別為：

在MATLAB 中以時間t 為自變量，將上述方程聯(lián)立，進行符號方程組求解可以對整個振動的全過程進行分析。

經(jīng)分析，按照圖2 中的位形尺寸得到的是虛數(shù)解，說明該尺寸不合理，OA 桿不可能完成360o 的轉(zhuǎn)動，因此后續(xù)分析中采用圖3 所示的位形尺寸進行分析。

圖3 本文分析的振動篩示意圖

圖4 給出了O1B1桿取不同長度時振動篩上C1點的運動軌跡。在圖4 中，曲線軌跡有兩條，說明理論上滿足4 個約束條件的解有兩組。根據(jù)初始條件易知，真實發(fā)生的運動是軌跡1。由圖5 和圖6 可知，O1B1的尺寸變化對振動篩水平方向的振動影響不明顯，但是豎直方向的振幅會明顯增加，篩動效果更好。如果設(shè)計時選用軌跡2，則由圖6 可知，y方向的振動少一個波峰和波谷，篩子y方向振動幅值增大，但是振動上下轉(zhuǎn)換的頻率會降低。針對不同的篩選物質(zhì)的特點，可以選擇不同的初始位置，產(chǎn)生不同振動效果。

圖4 O1B1 尺寸變化時振動篩運動軌跡

圖5 軌跡1 在x 和y 方向振動位移

圖6 軌跡2 在x 和y 方向振動位移

教師可以進一步引導(dǎo)學生分析，O1B1、AB、OA 選取不同尺寸時，振動篩上一點的x 和y 方向的速度、合成速度、x 和y 方向的加速度、全加速度等的變化情況，將問題進一步擴展，訓(xùn)練學生的計算機仿真能力?；贛ATLAB 的仿真分析的優(yōu)點是可以使學生了獲得瞬時分析結(jié)果的同時對整個運動過程有清晰的認識，并且深入分析各桿尺寸對運動的影響。這些對于后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)、專業(yè)課程的學習都具有重要的指導(dǎo)意義。

2.3 基于ADAMS 的理論力學信息化教學

ADAMS軟件基于交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，使用多剛體系統(tǒng)動力學的拉格朗日方程，建立整個系統(tǒng)的動力學方程，進而對虛擬系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學模擬分析，計算輸出位移、速度、加速度和作用力的數(shù)值計算曲線結(jié)果。在理論力學教學過程中，引入ADAMS 計算機仿真的內(nèi)容，將會使學生更加形象地理解現(xiàn)有的問題模型，并能根據(jù)模型選擇約束與施加載荷建立計算機仿真模型，較早涉獵計算機仿真技術(shù)，為后面的專業(yè)課程的學習奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

本問題的ADAMS 仿真模型如圖7 所示。在模型中，將振動篩BC 進行簡化，讓B 和B1、C 和C2 重合。在O、A、B、C、O1、O2 處添加鉸鏈約束，并在曲柄OA 上施加的轉(zhuǎn)動。在ADAMS 中可以模擬振動篩工作過程的動畫。圖8 給出了振動篩工作過程中，振動篩上任一點的位移變化規(guī)律，其結(jié)果與圖5 是一致的，區(qū)別在于初相位不同。在ADAMS中可以非常方便地模擬振動篩機構(gòu)在軌跡2 上工作時不同時刻系統(tǒng)的位形、運動軌跡、位移、速度和加速度的變化情況。這個模擬工作可以作為作業(yè)布置給學生，由他們完成軌跡2 上的所有分析。

圖7 ADAMS 環(huán)境下，軌跡1 的仿真模型

圖8 軌跡1 時x 和y 方向位移振動圖

3 結(jié)論

本文對新工科背景下，傳統(tǒng)理論力學課程的知識進行重構(gòu)，適應(yīng)課程信息化復(fù)合改革的需要，引入MATLAB 和ADAMS兩種仿真分析軟件，以振動篩運動分析為例，給出了將它們用于理論力學課程信息化教學的方法。該方法能夠適應(yīng)新工科教學改革的需要，為后續(xù)專業(yè)課程的學習和專業(yè)人才的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)理論的同時進行信息技術(shù)內(nèi)容的擴展，提高學生學習的興趣和專業(yè)認同感。不同的高?？梢愿鶕?jù)本校培養(yǎng)學生的定位，選擇不同的計算機仿真方案，進行信息化的理論力學課程教學改革。