面向輪機工程專業(yè)的“理論力學(xué)”課程教學(xué)改革

2024-04-29 00:00:00邱爰超田哲謝迎春

黑龍江教育·理論與實踐 2024年3期

收稿日期：2023-06-20" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 修回日期：2023-09-05

作者簡介：邱爰超，男，講師，博士，研究方向為船舶新能源發(fā)電技術(shù)；田哲，男，副教授，博士，研究方向為海工裝備結(jié)構(gòu)動力特性；謝迎春，女，教授，博士，研究方向為海洋平臺環(huán)境適應(yīng)性。

基金項目：2022年中國海洋大學(xué)本科教育教學(xué)研究一般項目“面向輪機專業(yè)的‘理論力學(xué)’教學(xué)方法改革研究”（2022

JY099）

摘" " 要：針對“理論力學(xué)”課程與輪機工程專業(yè)結(jié)合度低，教材知識點與中學(xué)力學(xué)、“大學(xué)物理”課程重復(fù)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問題，文章通過深入分析中國海洋大學(xué)輪機工程專業(yè)培養(yǎng)計劃、專業(yè)需求和學(xué)生自身情況，提出了一種面向輪機工程專業(yè)的“理論力學(xué)”教學(xué)方案，即將理論知識與專業(yè)實際應(yīng)用有機結(jié)合，并提煉重要知識點，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，為“理論力學(xué)”課程改革提供了一種思路。

關(guān)鍵詞：“理論力學(xué)”課程；輪機工程專業(yè)；教學(xué)方法；改革

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1002-4107（2024）03-0033-03

一、引言

“理論力學(xué)”是輪機工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)

課，具有知識點抽象、內(nèi)在聯(lián)系緊密、理論性強的特點，要求學(xué)生熟練掌握教材中的定理定律、理解其原理在工程上的應(yīng)用，以及能夠運用所學(xué)知識解決實際工程問題[1]。在中國海洋大學(xué)輪機工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，“理論力學(xué)”是本科生第一門專業(yè)必修課，共48學(xué)時，3學(xué)分，該課程是后續(xù)學(xué)習(xí)“材料力學(xué)”等力學(xué)課程和“機械設(shè)計原理”“柴油發(fā)電機”“船舶輔機”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。然而，目前該課程存在教學(xué)實例多為土木工程、機械工程方向的工程應(yīng)用，與輪機工程專業(yè)實際案例結(jié)合較少，與后續(xù)專業(yè)課程聯(lián)系不夠緊密，教學(xué)內(nèi)容與中學(xué)力學(xué)、“大學(xué)物理”課程存在重合，定理公式復(fù)雜化，學(xué)習(xí)重點區(qū)別不清，學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣不高等問題[2]。因此，如何解決上述問題，提高教學(xué)質(zhì)量，開展面向輪機工程專業(yè)的“理論力學(xué)”課程教學(xué)改革研究是當務(wù)之急。

二、“理論力學(xué)”課程教學(xué)存在的問題

（一）所用教材與輪機工程專業(yè)聯(lián)系不夠緊密

“理論力學(xué)”是輪機工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。目前，中國海洋大學(xué)輪機工程專業(yè)所選用的教材為哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編纂的第八版《理論力學(xué)》。該教材主要圍繞牛頓第二定律，從靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)3個方面對剛體、質(zhì)點、質(zhì)點系開展古典力學(xué)研究。教材中所涉及的計算案例多為土木工程、機械工程方向的工程應(yīng)用，幾乎沒有涉及輪機工程專業(yè)背景，與后續(xù)專業(yè)課程聯(lián)系不夠緊密[3]。

（二）主要教學(xué)內(nèi)容與輪機工程專業(yè)需求存在偏差

目前，“理論力學(xué)”課程主要教學(xué)內(nèi)容的編排沒有考

慮輪機工程專業(yè)的需求，對學(xué)生應(yīng)掌握的知識點沒有做到重點介紹。例如，靜力學(xué)部分，對于輪機工程專業(yè)學(xué)生來說，應(yīng)重點講解軸承、鉸鏈間的受力分析和靜力學(xué)平衡問題，對于桁架結(jié)構(gòu)、約束力與反約束力可以略講；運動學(xué)部分，輪機工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)注重專業(yè)工程應(yīng)用。

（三）教材中對基礎(chǔ)知識、難點、要點區(qū)分度較低

教材在靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)3個方面均采用由淺入深、層次遞進的方法進行編排，3個內(nèi)容間又利用牛頓第二定律有機關(guān)聯(lián)在一起，編排結(jié)構(gòu)層次有序[4]。但教材忽略了與高中物理基礎(chǔ)相結(jié)合，使得教材內(nèi)容與學(xué)生高中所學(xué)知識重疊較多，沒有凸顯出理論力學(xué)的要點；另外，教材中過分強調(diào)定理的微分形式，將簡單關(guān)系復(fù)雜化，增加了學(xué)習(xí)的難度，不利于學(xué)生對知識點的掌握。

（四）教學(xué)手段單一，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

“理論力學(xué)”是一門純理論課程，公式定理較多，且缺少實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，教師在教學(xué)過程中，基本采用“板書+多媒體課件”的教學(xué)手段進行講授，學(xué)生參與度低，學(xué)習(xí)積極性差，教學(xué)效果不佳[5]。因此，如何豐富教學(xué)手段，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性是教學(xué)方法改革的目標之一。

三、教學(xué)方案分析及改革思路

以中國海洋大學(xué)輪機工程專業(yè)“理論力學(xué)”課程教學(xué)為例，基于本專業(yè)培養(yǎng)計劃、專業(yè)需求下的教學(xué)方案分析如下。

1.培養(yǎng)計劃：輪機工程專業(yè)屬于船舶與海洋工程學(xué)科下的二級學(xué)科，主要培養(yǎng)船舶生活和工作所用的各類機電設(shè)備和動力裝置的應(yīng)用及設(shè)計專業(yè)人才，輪機工程專業(yè)培養(yǎng)計劃包含“大學(xué)物理”課程。該課程授課時間為大一的2個學(xué)期，而“理論力學(xué)”課程的授課時間在大一的下學(xué)期。“大學(xué)物理”課程授課內(nèi)容與“理論力學(xué)”課程授課內(nèi)容存在部分重復(fù)，且“大學(xué)物理”課程授課在前，“理論力學(xué)”課程授課在后。

2.專業(yè)需求：輪機工程專業(yè)根據(jù)學(xué)生的培養(yǎng)方向可分為海上應(yīng)用型輪機工程和陸上設(shè)計型輪機工程，學(xué)校輪機工程專業(yè)屬于陸上設(shè)計型專業(yè)，因此，專業(yè)需求上在充分參考《中華人民共和國海船船員適任評估大綱和規(guī)范》和《STCW公約馬尼拉修正案》對專業(yè)人才的要求以外[6]，更應(yīng)注重對學(xué)生在機電設(shè)備及動力裝置的設(shè)計思路和方法上的培養(yǎng)。

基于以上分析，制定中國海洋大學(xué)輪機工程專業(yè)“理論力學(xué)”課程教學(xué)方案，如表1所示。

基于目前的培養(yǎng)計劃，上述授課內(nèi)容中部分知識點與中學(xué)力學(xué)和“大學(xué)物理”課程內(nèi)容存在重復(fù)，其中，與中學(xué)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容相重合的部分有：靜力學(xué)公理和物體的受力分析、摩擦、質(zhì)點運動學(xué)基本方程、動能定理等；與“大學(xué)物理”課程授課內(nèi)容相重合的部分有：點的運動學(xué)、剛體的簡單運動、點的合成運動、質(zhì)點運動學(xué)基本方程、動能定理、動量矩定理等。

一方面，考慮到中學(xué)力學(xué)、“大學(xué)物理”課程均以理論教學(xué)為主，存在缺少專業(yè)應(yīng)用案例分析研究的教學(xué)缺陷；另一方面，中國海洋大學(xué)為“雙一流”建設(shè)高校，學(xué)生高考成績普遍較高，中學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)相對比較牢固，多數(shù)學(xué)生具有較好的學(xué)習(xí)能力和自律能力。因此，對于與中學(xué)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容和“大學(xué)物理”課程授課內(nèi)容相重合的部分，可結(jié)合船舶柴油機/輔機拆裝實習(xí)及各設(shè)備構(gòu)件的工作原理等實際專業(yè)應(yīng)用問題，構(gòu)建貼合輪機工程專業(yè)的模塊化教學(xué)案例，將理論知識與專業(yè)應(yīng)用有機結(jié)合起來，進行有針對性的應(yīng)用教學(xué)。該方案的實施既能加深學(xué)生對理論知識的掌握，又能使學(xué)生學(xué)習(xí)到本專業(yè)機電設(shè)備及動能裝置等設(shè)備部件工作原理中的力學(xué)知識的實際應(yīng)用，增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對本專業(yè)的認識，有利于后期諸多專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

對于平面力系、空間力系、剛體的平面運動等新知識點，則可列入學(xué)習(xí)重點，既要采用適當?shù)慕虒W(xué)手段對理論知識進行重點講解，也要注重理論與專業(yè)應(yīng)用案例的有機結(jié)合，構(gòu)建出相應(yīng)的模塊化專業(yè)教學(xué)案例。

四、多元教學(xué)手段改革方案構(gòu)建

針對“理論力學(xué)”課程教學(xué)中凸顯的教學(xué)手段單一問題，文章結(jié)合本專業(yè)的專業(yè)特色和融媒體技術(shù)，面向輪機工程專業(yè)“理論力學(xué)”課程教學(xué)手段的改革，從模塊化專業(yè)案例的構(gòu)建和“課中+課間+課后”沉浸式教學(xué)手段出發(fā)，制定符合專業(yè)、學(xué)生實際需求的系統(tǒng)性教學(xué)模式。

（一）模塊化教學(xué)案例構(gòu)建

模塊化教學(xué)案例是指將一個本專業(yè)實際應(yīng)用案例分解為若干個子模塊，每個模塊針對一個授課內(nèi)容，各模塊可獨立建立針對性的教學(xué)案例，也可相互組合，建立相應(yīng)的綜合應(yīng)用教學(xué)案例，所有的模塊按照一個特殊的邏輯關(guān)系組合為一個整體，即為一個專業(yè)綜合應(yīng)用問題，如圖1所示。

基于上述理論，可構(gòu)建輪機工程專業(yè)模塊化教學(xué)案例。文章以船舶主機曲柄連桿活塞機構(gòu)專業(yè)實際應(yīng)用案例構(gòu)建模塊化教學(xué)案例為例展開說明。

專業(yè)實際應(yīng)用案例：如圖2所示是船舶二沖程十字頭式柴油機的曲柄連桿機構(gòu)。該機構(gòu)工作原理為氣缸內(nèi)油氣燃燒，在氣缸中產(chǎn)生高氣壓，推動活塞向下運動，經(jīng)連桿機構(gòu)帶動曲軸轉(zhuǎn)動，活塞上行壓縮氣缸油氣，壓燃油氣，再次產(chǎn)生高氣壓，推動活塞下行。該實際應(yīng)用案例可分解為靜力學(xué)教學(xué)案例模塊、運動學(xué)教學(xué)案例模塊和動力學(xué)教學(xué)案例模塊，也可以牛頓第二定律為邏輯關(guān)系，構(gòu)建綜合應(yīng)用問題。

靜力學(xué)教學(xué)案例：船舶啟動前需要進行柴油機盤機操作，已知各構(gòu)件為均質(zhì)剛體，并給出各構(gòu)件的重力和氣缸內(nèi)氣壓及活塞頂?shù)谋砻娣e，試求至少要在O軸加多大的力矩，才能實現(xiàn)盤車操作。該題的求解過程采用了平面受力分析和平衡力系下力與力矩的平衡方程等知識點，通過分析機構(gòu)受力情況，確定未知約束，建立力矩、力矢平衡方程，求解所有力矩。

運動學(xué)教學(xué)案例：船舶主機在正常運行過程中，已知活塞從上止點向下運動時的速度和加速度，給出連桿AB的長和曲軸AO間距離，求當AO處于水平時，曲軸角速度和角加速度。在該案例求解過程中，可用到剛體的平面運動和點的復(fù)雜運動知識，須以BC固連動系，以A為動點進行求解，求出A點的運動方程，再以O(shè)為基點，以A的運動關(guān)系，求解曲軸O的角速度和角加速度。

動力學(xué)教學(xué)案例：在船舶曲軸連桿活塞機構(gòu)中，連桿AB、BC為均值桿，已知桿AB、BC的質(zhì)量和活塞的質(zhì)量，給出活塞的運動方程，忽略摩擦，求活塞連桿機構(gòu)在任意時刻的動量及動量矩。該案例的求解過程用到了動量定理和動量矩定理。將活塞連桿機構(gòu)看成一個由3個質(zhì)點組成的質(zhì)點系，分別求解，最后再求質(zhì)點系的動量及動量矩。

綜合應(yīng)用教學(xué)案例：船舶主機停機工況中，已知曲軸O中的運動方程、連桿BC的長度、活塞的重量，忽略摩擦，已知活塞在圖2時刻停止運動，求此刻活塞所受來自氣缸的壓力。該案例的求解用到了靜力學(xué)力的平衡關(guān)系、運動學(xué)點的復(fù)雜運動和剛體的平面運動及動力學(xué)質(zhì)點的動力學(xué)基本方程。根據(jù)曲軸O的運動方程求解A點的運動方程，再以A為基點求B點的運動方程，運用動力學(xué)基本方程求解活塞所受的附加動約束力，最后運用靜力學(xué)力的平衡關(guān)系，求出活塞所受的壓力。

（二）“課中+課間+課后”沉浸式教學(xué)手段構(gòu)建

圖3為“課中+課間+課后”沉浸式教學(xué)手段結(jié)構(gòu)。教學(xué)手段在常規(guī)的“板書+PPT”之外，添加了微信公眾號和播放本專業(yè)背景的相關(guān)視頻教學(xué)方式。課中采用“板書+

PPT”的形式，重點講解理論知識和模塊化教學(xué)案例，將理論與專業(yè)實際應(yīng)用結(jié)合起來，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；課間播放本專業(yè)相關(guān)視頻，如大國重器紀錄片、輪機設(shè)備機構(gòu)工作原理動畫等，拓展學(xué)生的專業(yè)知識面，了解本專業(yè)的科技前沿，勞逸結(jié)合，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；課后通過建立“海大輪機理論力學(xué)”微信公眾號，日常撰寫章節(jié)重點知識歸納、文章和課后題答案解析，使學(xué)生在課后能夠隨時隨地進行學(xué)習(xí)和思考，鞏固所學(xué)知識點。

五、結(jié)束語

“理論力學(xué)”是以牛頓第二定律為中心，從靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)3個方面對輪機設(shè)備構(gòu)建進行受力、運動規(guī)律和動力分析的課程，是本專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。文章通過分析目前在“理論力學(xué)”課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的4個問題，結(jié)合對中國海洋大學(xué)輪機工程專業(yè)和學(xué)生自身情況的深入分析，提出了適用于輪機工程專業(yè)的“理論力學(xué)”課程教學(xué)方案和教學(xué)手段，以增強理論知識與專業(yè)實際應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián)性，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該方案的有效實施改善了本專業(yè)“理論力學(xué)”課程的教學(xué)效果，并為各專業(yè)“理論力學(xué)”課程的教學(xué)改革提供了一種思路。

參考文獻：

[1]" 高忠虎，王曉琴，吳云，等.基于學(xué)習(xí)通和雨課堂的混

合式教學(xué)研究：以理論力學(xué)課程為例[J].中國現(xiàn)代

教育裝備，2023（5）：67-69；75.

[2]" 胡緒照，王玉勤，陳宇.應(yīng)用型本科院校理論力學(xué)課

程教學(xué)探討[J].黑龍江教育（理論與實踐），2019，73

（6）：71-72.

[3]" 馮昭君.土木工程專業(yè)理論力學(xué)線下教學(xué)改革探索

研究[J].四川文理學(xué)院學(xué)報，2022，32（2）：89-93.

[4]" 羅國宇.基于核心公式誘導(dǎo)思維的理論力學(xué)知識網(wǎng)

絡(luò)圖構(gòu)建與應(yīng)用[J].高教學(xué)刊，2023，9（7）：86-91；95.

[5]" 鄒君，解江.理論力學(xué)混合式教學(xué)改革與實踐[J].大