理論力學教學中加強應用性和實踐性的探討

王洪新 程東霽 皖西學院機械與電子工程學院，安徽 六安 237012

理論力學教學中加強應用性和實踐性的探討

王洪新 程東霽 皖西學院機械與電子工程學院，安徽 六安 237012

針對培養應用型人才的目標，結合自己的教學體會，就如何加強理論力學教學中的應用性和實踐性進行了探討，提出了一些措施，對于提高大學生分析問題、解決問題和清晰地表達問題的能力，以及提高大學生思維的靈活性和創造性具有一定的效果。

理論力學;應用性;實踐性

theoretical mechanics;applicability;practicality

前言

理論力學是理工科院校機械類專業的一門理論性很強且體系與內容已經相當完善的主干技術基礎課，也是一門與工程實際緊密聯系的課程，在整個教學過程中擔負著承前啟后的任務，對培養學生的工程素質起著非常重要的作用。

但是在理論力學的教學中,學生普遍反映該門課程不好學，大多數學生對理論力學的學習提不起興趣,學習積極性不高；學生學習了理論力學，腦子里充滿了概念、定義和定理，遇到實際問題又感到束手無策，不知道如何把實際問題轉化為理論力學問題，不知道如何把力學模型與工程實際問題聯系起來，學得比較僵化，不能靈活運用，并直接影響到后續專業課的學習。因此，本文就上述問題，對教學方法進行了認真的研究、探討和實踐，并取得了明顯的效果。

1.聯系實際講解基本概念、基本理論

教材由于受到自身特點的影響以及篇幅和學時的限制，概念的引出不能聯系實際，大多是直來直去，就事論事，對基本概念、基本理論引出的背景和來龍去脈交代不夠。授課教師在采用現有傳統教材的同時，若能適當地吸收和引入一些面向21世紀的新內容，突顯理論力學在現代科技上的應用性,使學生覺得理論力學廣泛地存在于自然界與工程實際中,內容非常豐富,這樣對激發學生學習理論力學的興趣將有很大的幫助。為此,我們在教學中可以引入有關現代科技和相關領域應用的例子，以豐富教學內容。

1.1 靜力學部分

除保留基本題型外,可以參照我國現在的高層建筑、大跨度橋梁、海洋平臺及大型水利工程等許多重要工程，分析其受載情況,如自重、風載、靜水側壓力等,研究結構力學模型和物體平穩力系,闡明其設計、制造都是在理論力學的指導下得以實現的[1]。

1.2 運動學部分

主要從幾何觀點研究物體的運動，為機構運動分析提供基本的理論、概念和方法。于是可聯系各種自動化生產線中各種機構運動間的關系，說明運動的實現離不開對機構運動的分析；計算機硬盤驅動器，若給定不變的角加速度，如何確定從啟動到正常運行所需時間及轉數；跟蹤目標的雷達，怎樣在不同的時間間隔內，通過測量目標與雷達間的距離和雷達的方位角，才能準確地測定目標的速度和加速度；人造地球衛星的運行軌跡等問題[2]。

1.3 動力學部分

主要研究物體上的作用力與其運動間的關系，是該門課程的重要篇章。隨著科學技術的發展,應加強分析力學的內容，重視一個自由度系統的靜力分析與動力分析，重視系統的運動微分方程的建立，以便和后續課程接軌。

現代工程可供應用的例子很多,如學生感興趣的艦載飛機，在飛機和彈射推動力作用下，從甲板上起飛，需要的初始速度或需多長跑道；跳高運動員過桿的姿勢選用跨越式、俯臥式還是背越式等都可應用動量定理給出答案。直升機尾槳的平衡作用；航天器實現姿態控制的反作用輪姿態控制系統等亦可用動量矩守恒原理來解決。同樣動量矩守恒原理在運動生物學上也有大量的應用，如體操運動員在作空翻動作中通過領臂動作可以在空中作出繞身體縱軸的旋轉；貓從四腳朝天的姿態下落，可以迅速翻身而四腳朝下安全著地；宇航員在失重飄浮狀態下控制自己的姿態等。用達朗伯原理可以解釋為什么殲擊機(或強擊機)爬高時，考察飛行員動脈血管中的血流質點為動點,飛機為動系,地面為定系,若其牽連加速度ae過大(一般ae＞5g, g為重力加速度的值)，飛行員出現眼睛失明現象，俗稱“黑視”,在俯沖時,ae過大(一般a e＞2g)也會出現視物變紅現象,俗稱“紅視”[3-5]。這些都是由于血流質點受到過大的牽連慣性力FIe引起的。還有賽車結構為什么前細，后粗，前輪小，后輪大等等。

所有這些內容對學生都很新鮮，又很實用，具有很強的吸引力。學生反映:“老師能密切聯系科學技術發展，由淺入深，新穎、生動的進行教學，對他們掌握課本知識，開闊視野及激發求知欲有較大的幫助”。通過這樣的教學實踐，使學生加深了對概念的理解，擴大了知識面，對理論力學這門古老而又實用的科學在科學技術中的生命力有了新的認識。

2.聯系實際講解力學模型

理論力學的分析和研究方法在科學研究中有一定的典型性，主要有抽象法、邏輯推理和數學演繹法。抽象法是理論力學最基本的研究方法，它抓住主要矛盾，忽略次要因素，對實際問題進行簡化，抽象成簡單、直觀可視化的力學模型，深入分析和數學解析后再返回解決實際問題的一種思考方法。可視化模型是對實踐中同一類現象的高度概括，合理地反映了一般的科學規律，是理論分析計算的基礎。運動學和動力學部分有大量的過于簡化的運動模型，如果學生對這些模型的來源和背景不清楚，就無法把模型和工程實際問題聯系起來，就更談不上應用，弄清模型與實際工程結構的關系是培養應用能力的必要手段。因此，對一些由概念、例題和習題引出的模型，要引導學生加以思考，并結合實際機械、機構詳細解釋，注意體現理論力學技術基礎課的特點。例如，圖1所示的曲柄滑塊機構模型，教材沒有給出它的來歷以及在實際中代表了什么，教學中首先講清楚它是同一類實際機構的運動模型，然后舉一兩個實際例子，它可以代表如圖2所示的單缸內燃機運動機構，也可以是如圖3所示的曲柄壓榨機機構，最后讓學生自己再找出其他的例子，結果學生結合工廠實習中見到的機械，給出了如圖4所示的生產線上的送料機構與圖5所示的沖床機構[6]，這樣通過模型和實際機構相互轉換的練習，把模型和發現過程溶于教學之中，引起了學生濃厚的學習興趣，提高了力學建模能力和實際應用能力。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

3.通過一題多解培養大學生思維的靈活性

力學問題中一題多解比較普遍，靜力學中處理物體系的平衡，可以先取整體然后取部分為研究對象進行求解，也可以逐個取物體系的組成部分為研究對象進行求解。運動學中有些問題，可以用點的運動學知識求解；也可以利用復合運動知識或剛體的平面平行運動知識求解。動力學中，一題多解的例子更多，可以用動力學普遍定理(三大定理)求解，也可以用達朗伯原理求解，或用動力學普遍方程求解。教師在教學中，課堂上實施多種解答的講解和示范，同時要求學生一題多解完成作業。通過一題多解，讓學生明自“條條道路通羅馬”的道理[7]，做到各種方法融會貫通。久而久之，就會使學生思維變得靈活，不囿于成見，遇到問題勤于思考、善于思考，打開思路，通過自己的探索，找出最佳方案。

4.強調理論力學與相關課程的聯系和滲透

在理論力學教學過程中，注意課程各章節以及相關課程(高等數學、材料力學、機械原理等)之間的聯系和滲透，可以使學生將學到的知識統一化，能在學生的頭腦中建立舉一反三的知識結構。在階段復習和總復習時進行一題多解的訓練(如，靜力學問題可選擇不同的研究對象、投影軸和平衡方程，動力學問題可以選用動力學微分方程、動力學普遍定理等)，通過各種定理、方法在同一問題上的對比應用，找出它們之間的內在聯系和具體差別，以及各自的使用條件、使用范圍，可以加強課程各章節之間的聯系，各方法間的聯系，達到知識和方法的融合，起到溫故知新、融會貫通、事半功倍的效果.同時，多種解法的異曲同工之妙，殊途同歸之效，使學生眼界大開，從中感到了解題的樂趣，克服了對理論力學學習的畏難情緒。又如，講到考慮摩擦時物體的平衡問題時，大多數教材中都有這樣的例：如圖6所示為攀登電線桿所用到的套鉤，求套鉤不致下滑時腳踏力F的作用線與電線桿中心線的最小距離d。若把此題改為求保持套鉤下滑的最大距離d，就變成了圖7所示的滑動齒輪在軸上滑動時不允許自鎖的機械設計問題，這樣就和后繼課程機械原理聯系起來(這樣的例子很多)[8-9]。通過與相關課程的聯系和滲透，使學生明白了理論力學在所學知識結構中所處的地位和所起的重要作用，克服了學而無用的思想。

圖6

圖7

5.利用知識之間的內在聯系增強大學生的創新意識

達朗伯原理和虛位移原理是創造性思維的具體體現。用動力學普遍定理計算機器動反力比較繁瑣，于是就另辟思路，提出“慣性力”，將動力學問題變為靜力學問題來處理；對一些復雜結構，用靜力學平衡方程求解冗長而復雜，為此，提出“虛位移”和“虛功”的概念，將靜力學問題轉為動力學問題來處理；這兩種別具一格的方法，不僅成功地簡化了計算問題，而且發展了原有理論，并由此產生了一門新的力學分支——分析力學[10-11]。在講述這部分內容時，講述前輩們進行創造性思維活動的過程和價值，激發學生的學習興趣，引導他們進行思考，有益于培養學生的創造性。

6.結語

加強理論力學的應用性和實踐性，是理工科院校的學生培養目標所確定的，是教師必須長期深入研究的課題。本文的探索僅僅是個開頭，在這方面還有許多工作可做。今后，筆者將繼續探索并找到培養出既具有扎實理論基礎、又具有較強實際應用能力的綜合素質較高的應用型人才的教學模式。

[1]劉會川.理論力學課程內容與體系的更新.力學與實踐,1997,19(3):61～64

[2]范欽珊.工程力學教程(III冊).北京:高等教育出版社,1998,148

[3]杜衛,馮軍,王學川.對浙江科技學院辦學定位和特色的再思考[J].浙江科技學院學報,2006,18(4):311～315

[4]杜衛.借鑒德國經驗,培養高層次應用型人才[N].浙江科技學院報:2007-09-25(1)

[5]哈工大理論力學教研室.理論力學[M]. 6版.北京:高等教育出版社,2002

[6]李曉陽,杜惠英,李祥琴.知識、能力、素質的關系研究—理論力學教學中能力培養淺析[J].力學與實踐,2001(1):61～62

[7]蔣寅軍,張榮.以基本內容為核心,構筑有機開放的體系—也談工科理論力學教學內容的優化與更新[J].力學與實踐, 2002(2):54～56

[8]王志剛.理論力學教學改革與學生素質能力的培養[J].唐山師范學報,2007(2): 111～112

[9]王浩程.基于MAPLE的盤形凸輪機構的動態模擬[J].天津工業大學學報,2003(6): 69～71

[10]王浩程.六連桿打緯機構的MAPLE動態設計及分析[J].紡織學報,2006(6):32～35

[11]尚作萍.理論力學創新思維啟發教育的探索與實踐[J].力學與實踐,2007(3): 80～81

Discussion Of Strengthen the Applicability and Practicality in Theoretical Mechanics Teaching

Wang Hongxin Cheng Dongji Mechanical and Electronic Engineering Department of West Anhui Unive’rasinty,A,Lunhui 237012

Teaching methods and teaching means based on the teaching practice of theoretical mechanics，some new measures are put foward.These possess good effects in developing students intelligence and cultivating the practice alability of analizing the problem solve the problem for students.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.04.070

王洪新（1976-），女，遼寧營口人，皖西學院機械與電子工程學院講師，研究方向，材料加工。