工程案例教學(xué)在理論力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

張應(yīng)遷+付磊+文華斌+李良+羅云蓉

摘要：理論力學(xué)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、公式推導(dǎo)演繹較多，學(xué)生學(xué)習(xí)理解存在一定難度。根據(jù)理論力學(xué)的這一特點(diǎn)，本文提出將工程案例引入到理論教學(xué)中，這樣既能使理論力學(xué)教學(xué)更生動(dòng)，又能提高學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。教學(xué)實(shí)踐證明這一方法確實(shí)能收到較好的效果。

關(guān)鍵詞：理論力學(xué);公式推導(dǎo);工程案例教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）20-0169-02

一、引言

理論力學(xué)是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的科學(xué)。這門課程研究的內(nèi)容是速度遠(yuǎn)小于光速的宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，它以伽利略和牛頓總結(jié)的基本定律為基礎(chǔ)，屬于古典力學(xué)范疇。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐證明，一般工程中所遇到的大量動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，用古典力學(xué)來(lái)解決，既方便又能夠保證足夠的精確性。力學(xué)是從物理學(xué)中分離出來(lái)的，與“數(shù)、理、化、天、地、生”并列為七大基礎(chǔ)學(xué)科。物理學(xué)是研究一切自然現(xiàn)象的科學(xué)，而研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是力學(xué)的定義。因此，力學(xué)從物理學(xué)中分離出來(lái)已是很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期了。理論力學(xué)與電動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、量子力學(xué)在力學(xué)界稱為四大力學(xué)。理論力學(xué)是牛頓力學(xué)，即所謂經(jīng)典力學(xué)，現(xiàn)代力學(xué)包括經(jīng)典力學(xué)、量子力學(xué)和相對(duì)論力學(xué)。力學(xué)是一門應(yīng)用性極強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科，又是一門理論性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課。[1]

國(guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)學(xué)會(huì)把力學(xué)分成基礎(chǔ)力學(xué)和應(yīng)用力學(xué)。上世紀(jì)30年代蘇聯(lián)建立了突出基礎(chǔ)力學(xué)教育的教育體系。同時(shí)期，歐美建立了強(qiáng)調(diào)應(yīng)用力學(xué)教育的教育體系。我國(guó)力學(xué)教育在解放后的十年間，受蘇聯(lián)力學(xué)教育體系的影響比較大，多數(shù)高等學(xué)校使用的理論力學(xué)教材都是從俄文翻譯過(guò)來(lái)的。70年代末，歐美的理論力學(xué)教材進(jìn)入我國(guó)高等教育界。直到80年代，理論力學(xué)還以120學(xué)時(shí)作為四年制機(jī)械類等專業(yè)課程的設(shè)置原則。

1980年5月，在南京召開(kāi)高等學(xué)校工科力學(xué)教材編審委員擴(kuò)大會(huì)，通過(guò)了教育部委托西北工業(yè)大學(xué)等高校提出的120學(xué)時(shí)機(jī)械類專業(yè)試用的“理論力學(xué)教學(xué)大綱”。二十多年來(lái)，隨著高等教育教學(xué)體制改革的深化，理論力學(xué)課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)思想和觀念上都發(fā)生了很大變化。現(xiàn)在我院為機(jī)械類設(shè)置的理論力學(xué)課程只有70學(xué)時(shí)，而教學(xué)基本要求與20年前的差別不大。由于學(xué)時(shí)急劇減少，迫使教師采用多媒體現(xiàn)代化教學(xué)手段，增大信息量，強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)精講多練，使學(xué)生能夠比較牢固地掌握理論力學(xué)的基本知識(shí)。建設(shè)理論力學(xué)精品課程的要求正是在這樣的教學(xué)改革背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

理論力學(xué)是理工科院校的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課。但對(duì)許多理工科學(xué)校的學(xué)生來(lái)講，學(xué)習(xí)理論力學(xué)并不是一個(gè)輕松的過(guò)程。普遍反映“課堂能聽(tīng)懂，一做作業(yè)就無(wú)從下手”，甚至有人將之稱為“頭疼力學(xué)、煩人力學(xué)”。究其原因，主要還是由于很多學(xué)生對(duì)于理論力學(xué)的基本概念、基本理論和分析方法等總是處于一種似懂非懂的狀態(tài)，沒(méi)有對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深刻理解。理論力學(xué)的學(xué)習(xí)具有很強(qiáng)的邏輯性，前后章節(jié)的關(guān)系環(huán)環(huán)相扣。前面章節(jié)沒(méi)學(xué)好，后面章節(jié)自然就學(xué)不好，越到后面越是緊密聯(lián)系前面章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)。再者，理論力學(xué)的定理、公式往往是“非構(gòu)造性”的，不能用簡(jiǎn)單代公式的方法來(lái)計(jì)算，而是必須要有分析的過(guò)程，沒(méi)有清晰的概念就無(wú)從下手[2]。可以說(shuō)，對(duì)理論力學(xué)問(wèn)題的求解非常鍛煉人的宏觀把握能力。因此，迫切需要對(duì)現(xiàn)行的理論力學(xué)教學(xué)方法及內(nèi)容進(jìn)行改革。基于此，工程案例教學(xué)方法應(yīng)用而生。

二、工程案例教學(xué)

伴隨著擴(kuò)招，生源質(zhì)量也有所下降，顯得參差不齊。上同一門課，有些學(xué)生學(xué)習(xí)能力比較強(qiáng)，課堂不能滿足需求，顯得“吃不飽”;另外有些學(xué)生又不能跟上課堂教學(xué)的進(jìn)度，學(xué)習(xí)比較吃力。因此，理論力學(xué)課堂改革就顯得很有必要。學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)，第一印象——感性認(rèn)識(shí)是很重要的。只有通過(guò)感性認(rèn)識(shí)抓住學(xué)生的好奇心，才能有興趣把相關(guān)的內(nèi)容學(xué)習(xí)好，甚至于通過(guò)自學(xué)來(lái)滿足自身對(duì)知識(shí)的渴望。而通過(guò)工程案例教學(xué)不但可以激發(fā)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較差的學(xué)生的積極性，還可以通過(guò)大量工程案例的引入滿足學(xué)有余力的學(xué)生對(duì)課堂外知識(shí)的渴求。工程案例的教學(xué)主要通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.工程案例的整理及提煉。和力學(xué)相關(guān)的案例可以說(shuō)是隨處可見(jiàn)，小到日常生活，大到航空航天。怎樣選擇合適的工程案例就顯得比較關(guān)鍵。好的工程案例既能引導(dǎo)學(xué)生快速理解工程背景，又能提煉工程當(dāng)中的力學(xué)原理，達(dá)到實(shí)踐和理論有機(jī)結(jié)合的效果。因此，工程案例的收集整理就很有必要了。比如理論力學(xué)當(dāng)中的力矩問(wèn)題，就可以用常見(jiàn)的吊車起吊重物來(lái)舉例說(shuō)明：某事故現(xiàn)場(chǎng)，吊車起吊出事的卡車，結(jié)果卡車沒(méi)吊上來(lái)，吊車反而由于起吊位置選擇的不合適而翻倒了。這個(gè)實(shí)例可以很好的說(shuō)明力矩，通過(guò)這個(gè)實(shí)例學(xué)生也能快速的將力矩理論與工程實(shí)際結(jié)合起來(lái)。又比如裂紋和斷裂，這兩個(gè)概念相對(duì)而言比較抽象。只有比較專業(yè)的課程才會(huì)談到與裂紋有關(guān)的斷裂問(wèn)題。裂紋和斷裂也可以通過(guò)生活當(dāng)中的實(shí)例來(lái)說(shuō)明：乘坐公交車應(yīng)該是很多人都有過(guò)的生活經(jīng)歷，而公交車的安全錘就可以很好的說(shuō)明裂紋和斷裂。公交車上的紅色安全錘是為了在緊急情況下讓乘客逃生用的。當(dāng)公交車出現(xiàn)緊急情況時(shí)，乘客只需要用安全錘敲擊鋼化玻璃的四個(gè)角。由于安全錘錘頭很尖，接觸面積小，手握安全錘大約用兩千克的力就可以砸開(kāi)玻璃的邊角。對(duì)鋼化玻璃而言，一點(diǎn)點(diǎn)的開(kāi)裂就意味著玻璃內(nèi)部的應(yīng)力分布受到了破壞，從而在瞬間產(chǎn)生無(wú)數(shù)蜘蛛網(wǎng)狀裂紋，此時(shí)只需用錘子輕輕的再砸?guī)紫戮湍軐⒄娌Ａг议_(kāi)。用這個(gè)實(shí)例不但可以講清楚裂紋和斷裂，還可以闡明應(yīng)力和應(yīng)力集中，可以將學(xué)生的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐緊密相連。

2.工程案例的講授。有了好的工程案例，還需要有好的教師在合適的章節(jié)恰如其分的引入。這就對(duì)教師的綜合素質(zhì)提出了較高的要求[3]。毋庸諱言，力學(xué)尤其是基礎(chǔ)力學(xué)，上課教師的數(shù)量偏少，質(zhì)量也略顯不足。針對(duì)很多二本院校，基礎(chǔ)力學(xué)的上課學(xué)生比較多，教師的教學(xué)任務(wù)相對(duì)較重，這也使得很多教師沒(méi)法精心研究工程案例在教學(xué)當(dāng)中的運(yùn)用。另外，有些高校的基礎(chǔ)力學(xué)教師并非“科班”出身，這也使得教師自身對(duì)有些課程的理解還不是特別深刻，當(dāng)然也就不能更好的促進(jìn)課堂教學(xué)的完善和發(fā)展。

三、工程案例教學(xué)的實(shí)踐

從工程實(shí)踐以及日常生活當(dāng)中整理提煉了大量典型的工程案例，通過(guò)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師進(jìn)行課堂教學(xué)，能否達(dá)到預(yù)期的效果，這也是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。為了驗(yàn)證工程案例教學(xué)的實(shí)際教學(xué)效果，本文選擇機(jī)電一體化及車輛工程兩個(gè)專業(yè)進(jìn)行對(duì)比。機(jī)電一體化4個(gè)班進(jìn)行工程案例教學(xué)，而車輛工程3個(gè)班采用常規(guī)教學(xué)。經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，從平時(shí)的課堂問(wèn)答到期末考試都反映出，工程案例教學(xué)要優(yōu)于常規(guī)教學(xué)。采用工程案例教學(xué)的機(jī)電一體化班最高分比車輛班高出10分，最低分高出15分，平均分高出12分。

四、結(jié)語(yǔ)

基礎(chǔ)力學(xué)特別是理論力學(xué)課程的工程案例教學(xué)是一項(xiàng)長(zhǎng)期、艱巨的任務(wù)，需要投入大量的人力、物力和時(shí)間。學(xué)生通過(guò)案例教學(xué)的學(xué)習(xí)可以快速地掌握理論知識(shí)在實(shí)際工程中的運(yùn)用，從而更好的將理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)。案例教學(xué)還可以培養(yǎng)、訓(xùn)練學(xué)生從工程實(shí)踐中抽象力學(xué)模型繼而求解優(yōu)化工程問(wèn)題的能力，因此從該意義上來(lái)說(shuō)，工程案例教學(xué)的作用可以說(shuō)絲毫不亞于數(shù)學(xué)建模的功效[4]。再者，工程案例教學(xué)還可以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手和動(dòng)腦的能力。比如講到桁架部分，通過(guò)桁架橋梁的案例講解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。人們常說(shuō)“興趣是最好的老師”，一旦學(xué)生對(duì)桁架充滿興趣，就會(huì)在課堂外富有興趣的動(dòng)手制木制桁架，還會(huì)通過(guò)傳感器等來(lái)測(cè)量桁架中的桿件是否為二力桿等。這樣一來(lái)，學(xué)生對(duì)桁架的理解就會(huì)相當(dāng)深刻。另外，工程案例教學(xué)還可以促進(jìn)計(jì)算機(jī)軟件如MATLAB、ANSYS等在教學(xué)中的應(yīng)用。通過(guò)工程案例教學(xué)還可以培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，從學(xué)習(xí)階段開(kāi)始就以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待工程實(shí)際。最后，工程案例教學(xué)也可以提高教師的綜合素質(zhì)，豐富教師的課堂教學(xué)素材，使原本相對(duì)枯燥的課堂教學(xué)一下變得豐富有趣起來(lái)[5]。

工程案例教學(xué)使得師生都能很好的將理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的最初目的：從實(shí)踐中來(lái)，到實(shí)踐中去。

參考文獻(xiàn)：

[1]閔磊.《理論力學(xué)》課程教學(xué)的探討[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2014，（10）：119.

[2]楊衛(wèi).案例式教學(xué)：固體力學(xué)的前沿應(yīng)用[J].力學(xué)課程報(bào)告論壇，2007：3-5.

[3]陳紅明.理論力學(xué)教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題及對(duì)策分析[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2014，（4）：66.

[4]王瑾.工程力學(xué)課程新型教學(xué)法的探討與實(shí)踐[J].力學(xué)課程報(bào)告論壇，2009：164-166.

[5]李梅.基于工程案例研究的材料力學(xué)教學(xué)探索[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，（9）：100-103.