論力學教學中學生綜合能力的培養

摘要：力學是許多工科專業必修的課程，與許多后續課程關系密切。通過實例分析了力學與相關課程的聯系，并指出學生只有將所學知識融會貫通，從整體上把握知識結構，建立工程意識，才能提高分析和解決工程問題的能力。

關鍵詞：力學；課程聯系；工程意識

作者簡介：張麗（1970-），女，山西汾陽人，南京工程學院材料工程學院，講師。（江蘇#8194;南京#8194;211167）

中圖分類號：G642#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）01-0079-02

力學是許多工科專業必修的課程，有的是理論力學和材料力學分開講授的，有的是一門工程力學。力學課程是許多課程的先修課程，與許多后續課程有著聯系，所以，在力學課程講授過程中，應該聯系起來，與工程實踐相結合，在學生頭腦中形成知識網絡，并形成先導印象，當后續課程講授時能聯系起來，從而舉一反三，真正學以致用。

隨著科學技術的進步與發展，知識大爆炸，專業的劃分越來越細，卻割裂了課程之間的聯系，而且各門課程為了追求理論的完整性，補充完善內容，造成課程之間內容重復，標識不統一的現象，對學生而言，也容易困惑。目前教學中普遍存在的現象是：學生只會仿照例題做題，稍微變化便無從下手，知識結構零散片面，對所學的課程各知識點以及相關課程之間缺少必要的理解和認識。而知識結構不是各孤立的知識點，它是指學科各課程之間以及課程各知識點之間的相互聯系和規律性，學習課程的知識結構對把握學科各知識點間的內在聯系、培養學生自主式學習和發現式學習具有重要作用。[1]本文通過分析力學課程與機械原理、機械設計課程之間的內容相關性，提出在力學教學時重視課程聯系，加強工程意識，對于學生的實踐能力培養至關重要。下面從幾個具體例子來說明力學課程與工程實際和其他課程的聯系。

一、機構自由度與平衡方程的數量

靜力學中，對于一個研究對象，平面一般力系可以列三個平衡方程；空間力系可以列六個平衡方程。在研究物體系統時，需要適當選擇研究對象，再列方程，聯立求解未知量。學生在求解物體系統的靜力平衡題時，不知如何選擇研究對象，經常會每個構件列出方程，卻不知道方程之間的關系，也求解不出來。另外，靜力學中也簡單介紹了靜定和超靜定的概念，未知量的個數與方程個數相減，等于零就是靜定系統，大于零就是超靜定系統，但沒有詳細介紹自由度的計算。這部分與機械原理中機構的自由度計算有直接的聯系。平面運動的構件有三個自由度，兩個移動一個轉動，要想平衡，則三個自由度必須受限制，所以有三個平衡方程。平面特殊力系由于受力特殊，自由度減少，方程個數也相應減少。物體系統中如果有n個構件就能列出3n個獨立的平衡方程。機械原理中機構的自由度計算公式F=3n-2PL-PH，式中：

F—機構的自由度；

n—機構中的運動構件個數；

PL—機構中的低副個數；

PH—機構中的高副個數。

PL、PH即力學中存在未知約束力的約束個數，PL為平面低副約束，即面接觸的約束，力學中的鉸鏈就屬于平面低副約束；PH為平面高副約束，即點接觸或線接觸，力學中的可動輥軸支座就是高副約束。利用該公式，可以計算出靜定系統的自由度等于零，在機械原理中機構設計時，意味著設計的機構不能動，需要改進，而在力學中，就是靜定系統的平衡問題。利用機構自由度的計算公式可以對力學中的機構進行自由度的分析，也可以判斷系統的靜定性。在教學中，可以結合實際結構判斷靜定性，并進行方程個數的分析而并不求解，這樣對培養學生的整體概念、思維方法都有幫助。

二、速度瞬心

速度瞬心在理論力學和機械原理中都有介紹，內容有重復也有區別。在機械原理中把速度瞬心分成絕對瞬心和相對瞬心兩種，其中絕對瞬心就是理論力學中講到的速度瞬心。絕對速度瞬心是指絕對速度等于零的點，包括固定鉸鏈點和做平面運動的構件的瞬時絕對速度等于零的點，力學中就是利用絕對速度瞬心來解題的；相對速度瞬心是指相對速度等于零但絕對速度不為零的點，這里又分相鄰構件之間的相對速度瞬心和不相鄰構件之間的速度瞬心。在教學過程中，可以擴展速度瞬心的概念，讓學生有個總體概念，再結合工程實例分析速度瞬心法的用處，可以提高學生的應用能力。

三、軸的設計

軸是機器結構中重要的機械零件，軸的彎扭強度計算是力學教學中的重點內容。教學時可引入聯系工程實際的例題、習題，使學生了解到力學在實際工程中的應用，學習起來更有針對性。

在教學中可以通過介紹軸的設計過程來使學生了解工程設計過程：

（1）明確設計要求：功率，電動機轉速，總傳動比，各軸轉速及功率；

（2）由所要設計的軸的轉速和功率計算外力偶矩，選擇軸的材料；

（3）計算扭矩并畫出扭矩圖；

（4）按照扭轉強度設計和剛度設計，初定軸徑，一般情況下這是軸的最小直徑（如果有鍵槽還要增加軸徑），也是與軸承配合的地方，由于軸承是標準件，所以相應的軸徑要圓整成標準尺寸；

（5）根據設計要求進行結構設計，如軸肩、鍵槽等，并確定各部分尺寸；

（6）按照彎扭組合進行強度校核，如果強度不夠則增加軸徑或改用強度高的材料等方法重新計算；

（7）重要的軸進行疲勞強度校核。

通過介紹軸（還可以介紹機器）設計過程，可以使學生對軸的設計過程有一個整體意識，從而為學習機械設計課程做好了鋪墊，也真正了解了相關力學知識的工程應用。

另外，力學中介紹的是定軸輪系，在理論力學中進行了速度、加速度和傳動比的計算，這部分和機械原理中的輪系部分關系密切。機械原理中帶傳動的傳動比速度分析、齒輪傳動比計算都是理論力學中的內容，并進一步擴展，引入了周轉輪系，即有動軸的輪系。

四、剪切擠壓與聯接件

力學中學習了聯接件的剪切與擠壓工程近似計算，在機械設計中則對具體的聯接結構進一步進行分析和計算。在剪切強度校核時考慮到螺栓在聯接時都要擰緊而產生預緊力使螺栓受到扭轉作用，工程上為了計算方便乘了一個1.3的系數，這個系數是考慮組合變形按照第三強度理論計算出的近似系數。所以在工程中經常為了滿足工程需要進行一些計算的簡化，這些在力學中和機械原理等課程中都有相似的案例。

五、轉動慣量與飛輪的設計

在動力學中，轉動慣量是一個重要概念，其定義式為J=∑miri2。轉動慣量表征了物體轉動的難易程度，轉動慣量越大越不易轉動，轉動慣量與質量大小有關，還與質量分布有關系。飛輪是機器中調節速度的構件，在工程中由于外力的變化會引起速度波動，進而在運動副產生動壓力，引起振動和噪音，降低機械壽命、效率和可靠性。飛輪具有較大的轉動慣量，它的設計就是根據所要調節的速度波動計算出轉動慣量大小。飛輪在工程中很常用也很重要，當軸開始轉動時，飛輪儲存能量；在載荷發生變化影響軸的轉速時，飛輪由于較大的慣性帶動軸類零件繼續轉動，釋放能量，所以飛輪是一個調速機構，可以使轉軸近似勻速轉動，保證機器的平衡。在生活中有很多玩具也是利用飛輪的慣性來設計的。有一些精密儀表需要減小轉動慣量提高精度。介紹轉動慣量的工程應用，有助于學生對轉動慣量概念的理解和計算。

六、結語

力學與實際應用聯系密切，事實上力學在土木、機械、航空航天、車輛、船舶、材料、天文學、化學、生物學等領域都有著越來越廣泛的應用，本文主要討論了力學與機械專業后續課程的一些聯系，旨在起到拋磚引玉的目的。力學的教學應結合專業背景，不同的專業在教學時可以選用不同的工程實例，體現出本專業的特色，使學生加深對本專業的認識。授人以魚不如授人以漁，將力學與后續課程結合起來，不僅可提高學生學習力學的興趣，同時也促進了學生學習后續課程的興趣，更重要的是促進了學生多動腦筋，增強了學生對所學知識的融會貫通和運用，[2]體會了各學科之間的奇妙關系，從而開闊思維，培養創新和實踐應用能力。另一方面，也對教師提出更高的要求，要求教師在教學過程中，要明確哪些內容后續課程會用到，并有意識地強調與訓練，突出和強化與后續課程密切相聯以及聯系工程實際等方面的知識，引導學生運用所掌握的知識去分析和解決實際問題，逐步培養和加強學生的工程意識。

參考文獻：

[1]朱懷亮.現代教育理論在基礎力學教學中的滲透與應用[J].中國科教創新導刊，2010，(14):97-99．

[2]左建平，左明.談大學工程力學課程的教學思想[J].高教論壇，2010，

(4):18-21．

（責任編輯：劉麗娜）