平面匯交力系課堂教學改革探索與實踐

王 濤

（海南大學機電工程學院，海南 海口570228）

0 引言

工程力學是機械類專業的重要技術基礎課程，學生在學習時感覺枯燥無味，興趣不濃。很多學者從多方面進行教學改革[1-4]，有的學生反映課程理論簡單題難做，尤其是學完基礎理論對知識的應用能力比較欠缺，更是缺乏解決問題的意識，因此，提高學生創新性思維的培養質量尤其重要[5-8]。筆者結合多年的工程力學教學實踐提出通過課堂教學進行改革的措施，提高工程力學課堂教學質量。本文以平面匯交力系的教學內容為例，說明工程力學教學課堂的教學思路和模式，供同行參考。

1 教學內容與學生分析

本節課進入具體力學理論計算內容的第一節，即平面匯交力系。首先對整個靜力學將要計算的問題進行分類，讓學生從宏觀上了解靜力學將要研究的主要問題和對象，通過引入工程案例讓學生認識力學計算的意義和價值。同時掌握本節課教材中對于平面匯交力系進行計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構計算與創新設計方面對該方法的理解運用更為深刻。掌握平面匯交力系的力學計算方法對于學習平面及空間任意力系的力學計算也起到基礎性作用。

本節課授課的學生是剛學習完物體的受力分析基本內容，對力學的具體數值計算還未系統深入了解，通過本次課程的學習，學生初步掌握平面匯交力系的典型計算方法。對于典型結構的具體計算思路有深刻認識。通過對比幾何法和解析法的解題技巧分析能夠給學生建立起解決復雜問題如何能進行等效簡單化的基本思路，讓學生體會化繁為簡的等效處理方法，能夠使學生感受到力學計算的魅力的同時，提高對匯交力系學習的興趣，并體會到力學計算方法的魅力，最后再通過課堂討論和分析結果規律擴展應用設計創新結構。

2 教學策略的選擇與設計

2.1 創設情境、導入新課：提出問題

提出為什么要進行力學計算工作，力學計算工作的意義及價值，利用工程中的實際案例進行話題激趣，使學生整堂課都能保持積極的心態去分析工程案例并解決實際問題，探索新知識[9-12]。通過課堂展示實際事故案例，例如通過起重機吊起重物鋼絲繩斷裂的事故視頻錄像進行案例展示，引導學生思考為什么斷裂，提出問題的根源在哪里，同時分析如果不進行力學計算或者計算的不精細，就會產生意想不到的事故，引起學生思想上足夠的重視，同時也對將要學習的課程的重要性有了認識。

2.2 提出平面匯交力系的基本概念和計算方法

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

2.3 通過工程實際的案例進行幾何法的應用力學計算

解決問題：針對鋼絲繩吊重物斷裂事故的其他類似案例的工程問題，運用幾何法進行受力分析并計算，受力分析及運用封閉的幾何圖形進行力學計算。完成計算結果，并對結果進行分析。提出當桿件從兩根增加到三根四根的時候，給學生提出新問題，將如何計算，能否用剛才所講的知識解決，提高師生的互動與討論。總結運用幾何法計算所面臨的缺點。得出幾何法在實際中尤其解復雜問題有作圖精度要求高，容易引起誤差的缺點。進一步提出問題尋找解決問題的方法。

2.4 針對以上的幾何法的缺點、導入解析法的講解

介紹解析法的力在坐標軸上投影的基本概念以及合力矩定理的基本概念和應用。推導出運用力學投影合成來計算力的基本思想，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 通過工程實際的案例應用解析法的力學計算

解決問題：針對剛才同樣實際的工程問題，運用解析法進行計算，受力分析及運用投影平衡方程進行力學計算。完成計算結果，并與幾何法的計算結果進行對比分析，說明幾何法與解析法都是能夠計算出平面匯交力系的平衡問題。同時進行更深一步的討論，因為求解方程組往往比較麻煩，而且容易出錯，能否不列方程組，實現列一個方程解決一個未知量的目的，從而簡化力學計算過程。方法和措施就是采用靈活建立坐標系的方法，列寫平衡方程，使解決問題的方程簡化。并對比兩種方法的優劣，總結解題的基本步驟原則和技巧，為今后的快速計算提供原則思路。

2.6 總結并擴展提供研究的案例，再擴展學生思維

在學習完了基本計算方法之后，通過解析法對匯交力系的計算結果進行深入分析，討論當角度在變化時對匯交力系中力值的影響，從靜態規律歸納總結到動態變化規律。提出在工程應用中需要設計力學放大裝置，結合科研實際課題討論，比如壓榨機創新設計機構，海南拉拔式木薯收獲裝置方案設計等。在對基本結構的基礎上進行串聯和并聯，引導學生提出在工程中還有較為復雜的結構如何設計和分析，例如，并聯機構的設計，串聯機構的機器人展示等，開拓學生思維，啟發創新思想。從平面到空間過渡提出桁架系統結構如何計算，如何采用所學習的解析法來進行平面桁架結構的力學計算，讓學生運用今天所學習的知識進行深入探索。提出對于空間匯交力系又如何進行計算，可讓學生試探提出設想。再擴展到空間匯交力系結構的計算。

3 教學反思

本節課的教學設計主要有3個特點：

（1）教學流程設計上符合認知規律，采用結合工程實際案例的說明提出力學計算的必要性，使學生盡快進入狀態。遵循科學研究的基本思路，按照提出問題，分析問題，解決問題，應用擴展的基本思路進行。

（2）提高學生運用解析法解決力學計算的能力，通過師生的討論并啟發對比，提高學生的力學計算能力。

（3）引入實際課題進行案例討論，并擴展學生思維。這樣做的好處是使枯燥的知識易于理解、掌握而且直觀，通過案例與教學課件的有機結合，使學生對內容有了更為系統的認識，并從二維擴展三維，從靜態到動態，從簡單擴展到復雜，理論聯系身邊實際課題啟發思維提高學生的創新能力。

4 結束語

提高工程力學課堂教學質量是培養具有創新性人才的關鍵，以上是我針對提高學生學習工程力學課程質量的一些嘗試，今后還要更進一步結合學生的特點和實際情況，達到因材施教，進一步深入探索提高工程力學課程的課堂教學質量的方法和措施。