《工程力學》教學改革探索

劉升貴,李惠芳,王修棟

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京100083)

《工程力學》課程既具有較強的理論性,又與生產實踐密切聯系。傳統的 《工程力學》教學注重該學科理論的系統性,但對培養學生解決工程實際問題的能力重視不足。為此,筆者開展了 《工程力學》教學改革探索。

1 優化教學內容

為了優化教學內容,對傳統的教學內容進行重新整合,整合后的工科專業 《工程力學》課程包括 《靜力學》、《運動學和動力學》和 《材料力學》,其教學目標如下:①通過 《靜力學》的學習使學生掌握物體的受力分析和平衡方程的應用等內容。首先介紹力和力偶的基本概念與原理,然后從平面一般力系入手,討論平面力系的簡化,把平面匯交力系、平行力系和力偶系等作為平面一般力系的特殊情況來處理。②通過《運動學和動力學》的學習使學生了解和掌握物體機械運動的一般規律,并能運用這些規律分析和解決簡單的工程實際問題。③通過 《材料力學》的學習使學生了解工程中的基本概念,掌握構件在載荷作用下受力、變形的規律及其實用計算方法。在教學中注重工程實際問題的應用,強化學生依托工程背景尋找危險點、計算極值應力的實踐能力。同時,針對工程特點在強度理論教學內容中加入斷裂破壞準則介紹。這樣的教學內容安排既突出了重點,弱化了教學難點,同時又滿足了礦業類工科專業的特點[1]。此外,為了擴大學生知識面,還可以將國內外采礦行業出現的新材料、新工藝、新技術等滲透到教學中。

2 強化工程概念

在教學中強化工程概念對于培養學生的專業素質和創新精神非常重要。首先向學生展現綜合實例的工程背景,然后通過分析建立力學模型,最后再回到實踐中去解決工程實際問題。以貫穿 《靜力學》、《運動學和動力學》和 《材料力學》整過教學過程的礦井罐籠提升系統為例,該綜合實例的工程背景如下:豎井提升即通過安裝在豎井井口、井筒和井底的設備、裝置進行提升運輸工作。豎井罐籠提升系統使用的主要設備和裝置包括提升機、井架、天輪、鋼絲繩、連接裝置、提升容器、井筒導向裝置、井口和井底的承接裝置、阻車器、安全門以及信號裝置等 (見圖1)。通過該工程實例拓展出下列教學問題。

圖1 普通罐籠提升系統示意圖

問題2 礦井提升機的主要數據如下:提升高度為 876m,開始提升時罐籠的加速度為0.7m/s2,速度達到7.84m/s后,即以該速度勻速提升,最后再以減速度0.7m/s2減速提升,直至最后停止 (見圖3)。求提升1次需要的時間。

圖2 罐籠簡化圖

圖3 提升機啟動、停機時間

圖4 礦井提升機簡化圖

圖5 罐籠運動簡化圖

問題3 礦井提升機如圖 4所示,已知被提升重物的質量為m1,鼓輪的半徑為R、質量為m2。起動時,電動機給鼓輪的驅動力矩為M。求起動時重物上升的加速度,鋼繩的拉力和軸承O的約束力 (鼓輪視為均質圓柱)。

問題4 罐籠質量為m的物體以速度v 0勻速下降(見圖5),若出現緊急情況突然剎車,試求鋼繩的最大拉力T max。設鋼繩的彈簧常量為c,鋼繩的質量略去不計。

通過上述工程實例教學,使學生認識到工程力學在工程實際中的重要作用,從而激發學生學習工程力學課程的熱情,進而運用所學的理論知識來分析和解決工程實際問題。

3 重視教學方法改革

改革教學內容的同時,還需重視教學方法的改革。在課堂講授時以工程實例引入,通過展示反映工程第一線的掛圖、力學模型、工程實物、視頻等,使學生初步了解工程實際問題,從而激發學生的學習興趣。在教學過程中對具體定理、推論的數學推導過程注重講思路、講方法和講要點。此外,應充分利用多媒體等現代教學手段增加學生的感知能力,從而加深對基本理論的理解和掌握,培養其觀察思考能力。

4 加強實驗教學環節

在實驗開始前應指導學生進行認真準備并設計實驗方案,實驗過程中應指導學生認真觀察實驗現象,分析總結實驗結果,實驗完成后,由學生按實驗規范自行設計并完成一份科學合理的實驗報告。此外,在實驗教學中應充分利用萬能試驗機、多功能振動臺、沖擊試驗機、純彎曲疲勞試驗機、電子式扭轉試驗機等傳統試驗設備開設基本力學試驗,還可以針對礦井支護及巖體變形破壞特點,利用多點彎曲試驗臺開展巖石材料3點彎曲、4點彎曲試驗。通過實驗教學,可以幫助學生更好地理解理論知識并培養學生動手實踐的能力,這對于提高學生的綜合素質有重要作用。

5 完善考核方式

在考核形式上,采用多種形式評定學生學習情況,以加強對學生平時學習的考核與督促。對學生成績的評定可采取平時成績 (包括上課考勤及認真態度、提問回答情況、作業情況、讀書報告、階段性測驗、大作業和實驗成績等)占40%、期末考試成績占60%的分階段全程性考核方法。期末考試則注重考核學生綜合性、創造性地應用知識的能力,如給定工程受力結構,讓學生為各構件選取材料及截面形狀和尺寸,并對該結構存在的問題談自己的看法等。通過完善考核方式,可以減少學生學習的功利性,也可分散學生的學習壓力,并能全方位、多角度地反映出學生的真實成績和綜合能力[2]。

6 結 語

針對 《工程力學》教學過程中對培養學生解決工程實際問題的能力重視不足 的問題,開展了重視工程實例的 《工程力學》教學改革探索。教學實踐表明,通過該課程教學改革,讓學生掌握了扎實的理論知識,同時具備了較強的工程實踐能力,受到學生的歡迎。由于工科專業 《工程力學》課程教學涉及面廣,因而該課程改革是一個長期而又艱巨的過程,需要不斷努力探索。

[1]劉超英.高等工程專科學校工程力學教學改革探討 [J].中州大學學報,1999(3):72-73.

[2]楊浩泉,周平.在工程力學教學改革中加強對學生綜合能力的培養[J].杭州電子工業學院學報,2001,21(2):69-71.