基于案例研究的《理論力學》教學改革

毛東風

（中國石油大學（北京） 北京 102249）

中國石油大學（北京）是一所石油特色鮮明、以工為主、多學科協(xié)調發(fā)展的教育部直屬全國重點大學，是一所研究型大學。據(jù)ESI最新數(shù)據(jù)，學校有6個學科進入ESI排行前1%，分別是化學、工程學、材料科學、地球科學、計算機科學和環(huán)境/生態(tài)學，其中工程學進入ESI全球前1‰。理論力學是機械設計制造及其自動化等工程專業(yè)重要的專業(yè)理論基礎課，是通往后續(xù)知識的橋梁。課程內容既包含大量的基本概念、力學理論和原理，也包含大量的工程應用實例。將案例研究應用于理論力學課程教學，使學生未來工作無論是進行設計或是開展研究都能夠順利進入角色，并兼具開拓精神與創(chuàng)新意識，作為師者，認為將善莫大焉。

1 案例教學及其特點

案例教學由美國哈佛法學院前院長克里斯托弗.哥倫布.朗代爾于1870年首創(chuàng)，后經哈佛企管研究所所長鄭漢姆推廣，并從美國迅速傳播到世界許多地方，被認為是代表未來教育方向的一種成功教育方法。中國于20世紀80年代開始關注，在1990年代引入案例教學。

案例教學最早用于醫(yī)學教學中，為啟發(fā)學生掌握對病癥的診斷及治療，醫(yī)學院的教授將不同病癥的診斷及治療過程記錄下來做成案例，用于課堂分析，以培養(yǎng)學生的診斷推理能力。后來，法學院的教授將各種不同的判例記錄整理成為法學案例，包括其中的辯護和裁決過程，以培養(yǎng)學生的判案推理能力。20世紀初，哈佛商學院出現(xiàn)了工商管理案例，教授們將包括各種不確定信息、相關意見和實施過程的商業(yè)管理及其決策過程記錄下來，編寫成為案例用于課堂教學，以培養(yǎng)學生的管理推理能力。類似的方法后來也在其他工程專業(yè)領域的教學中出現(xiàn)，用以培養(yǎng)學生的工程設計分析與推理能力，提高學習興趣和與工程素養(yǎng)。

案例教學法具有明確目的性、客觀真實性、復雜綜合性、深刻啟發(fā)性及學生主體性等特點。案例來自具有獨特代表性的典型真實事件，而且較之一般示例，內涵更加豐富，分析、解決過程也較為復雜。學生在案例的學習、討論與研究的過程中，需要依據(jù)所學知識，經思考、分析、討論、綜合、判斷得出他們自己的結論，學生的智慧與思維得到啟發(fā)。學生在教師指導下，從參與到深入，體驗過程，在學習熱情高漲的同時，逐步建立起一套適合自己的完整而又嚴密的邏輯思維方法和思考問題的方式，最終達到提高分析問題、解決問題的能力、進而提高素質的目的。

2 案例教學法的應用過程

2.1 案例選擇

有關案例研究，其實在創(chuàng)新型的力學教學實踐中有過很多嘗試。曾經設計很多相對小的研究計劃供學生在不同的學習階段進行研究討論，也取得很好的反響與效果[1][2]。現(xiàn)在作者思考的是，理論力學內容涵蓋了靜力學、運動學與動力學，能否選擇相對比較復雜的案例，使之能夠貫穿整個的教學過程，讓學生邊學習、邊探討、邊實踐、邊總結、邊提高，即可促進課程的學習，又能體驗創(chuàng)新開拓的快樂？結合筆者的科研實踐，選擇典型的體現(xiàn)整體理論力學課程內容應用的、相對復雜的、依據(jù)本科階段知識或稍加擴展的、石油工業(yè)又廣泛使用的游梁式抽油機（圖1）作為典型的案例。

圖1：游梁式抽油機現(xiàn)場圖

抽油機是油田生產的第二大耗能因素，提高抽油機的效率可以極大地降低油田開發(fā)成本。目前抽油機應用較廣的是游梁式的，執(zhí)行機構采用四連桿機構（圖2）。主要部件有：提供動力的動力機；傳遞動力并降低速度的減速器；傳遞動力并將旋轉運動變成往復運動的四桿機構（曲柄、連桿、游梁、支架及橫梁和底座）；傳遞動力并保證光桿做往復直線運動的驢頭及懸繩器總成；使抽油機能停留在任意位置的剎車裝置以及為使動力機能在一個較小的負載變化范圍內工作的平衡裝置等。

圖2：游梁式抽油機機構簡圖

四連桿機構可以實現(xiàn)上沖程抽提慢速度、下沖程下放快速度的運動，結合平衡裝置使得作業(yè)功率波動降低。從而可以選擇低功率的發(fā)動機驅動抽油機進行作業(yè)，達到降低能耗與成本、提高經濟效益的目的。

2.2 問題設置

（1）抽油機在上、下兩個沖程中哪個沖程負載大？

（2）上下兩個沖程如果抽油桿速度一樣，功率波動如何？如何選擇電動機功率？

（3）如果改變上、下沖程抽油桿的速度，可否使功率波動減小？

（4）使用合適的四連桿機構，是否可以解決問題（3）？

（5）如果游梁與抽油桿為鉸接形式，抽油桿運動中處于何種方位？“驢頭”部分設計成圓柱面可否減少抽油桿與井口的磨損？

（6）游梁式抽油機的動力性能分析如何進行？動靜法方便否？

（7）除了上下沖程速度不同，有否其它方式降低動力負載？

（8）平衡裝置的作用？位置？

（9）進一步節(jié)能優(yōu)化的可能性？

2.3 案例研究涉及的理論力學知識

抽油機的設計研究首先涉及結構與機構的受力及機構的運動特性分析。分析方法恰恰用到“理論力學”課程中靜力學知識、運動學知識──點的合成運動、剛體基本運動與剛體平面運動。對抽油機動力性能的分析，也剛好需要課程的動力學知識，如功、功率的計算，動能、動量矩的計算，動靜法的應用等等。對于抽油機動力源的選擇，正體現(xiàn)功率波動抑制與節(jié)能的特點。對于不同優(yōu)化目標的抽油機優(yōu)化設計，不僅處處體現(xiàn)力學的知識應用，還將拓展部分知識領域方可開展。而抽油機的結構設計，又會用到材料力學的知識。這為后續(xù)課程的學習埋下很好的伏筆。可以說，抽油機的基本設計特別能夠體現(xiàn)理論力學和材料力學各方面知識的應用。

2.4 開展形式

教師在課程教學過程中將案例研究任務布置給學生，引導學生查閱相關文獻，讓學生帶著相關問題進行學習。以課程前述內容理論為基礎，學生以研究小組為單位，將每一步的研究結果在指定時間以報告形式向教師匯報，并以課堂討論形式進行全班講解，回答其他同學和老師的提問，教師根據(jù)學生的表現(xiàn)給出評判。最后，在課程考試結束后的假期完成最后的整體報告。

2.5 效果評價

中國石油大學（北京）的《理論力學》課程多年來一直堅持教學內容與教學方法的改革。在教學過程中將力學知識傳播放在首位，培養(yǎng)學生的問—知能力、探索能力、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，提高他們的力學素養(yǎng)和工程意識。講授以力學知識本身在工程領域的廣泛應用與突出貢獻所獨有的魅力帶動與激發(fā)學生的學習與探究的興趣，將理論學習與實踐相結合。這正是為何開展相關案例教學的初衷。學生學習熱情普遍高漲，學習效果優(yōu)良，力學基礎扎實，得到后續(xù)課程任教老師的普遍好評。在案例研究活動中，學生不僅提高主觀能動性，研究能力得到鍛煉，同時做報告與思辨的能力也大有提高。有興趣做引導，那就是最好的老師。

圖3：抽油機優(yōu)化模型：視頻截圖（可在電機驅動下運轉）

圖4：理論力學案例教學活動關聯(lián)框圖

此外，學生在教師指導下依據(jù)力學基本原理完成國家級的大學生科技創(chuàng)新活動：游梁式抽油機模型建立與節(jié)能優(yōu)化，北京市級的大學生科技創(chuàng)新活動：海洋溢油追蹤技術，結合（水）動力學、控制與通信技術、機械設計等知識。首次應用的1個班級有4人經筆者推薦免推985院校直博。教師獲得學校教學卓越獎，學生評教全校第一名。

3 總結

對于理論力學課程的案例法教學的應用實踐，可以概括為教師與學生兩條主線。教師應在事前精選案例，其研究以能夠充分體現(xiàn)理論力學知識的使用精妙與復雜全面為好。而后針對案例提出研究可能遇到的關鍵問題，引導學生對問題的難點和重點予以關注，組織介紹他們對案例及相關資料進行收集整理，開展對策與應用研究。在可能的情況下拓展研究內容，讓學習者在不斷解決問題的過程中，發(fā)現(xiàn)新的問題，繼續(xù)保有學習的動力。學生在得到案例后產生濃烈興趣，明確問題后，將有明確目的地學習。通過邊學習，邊實踐，學以致用，不斷提高。期間，教師與學生保持頻繁互動，最好共同完成教學評價活動。