工程案例教學在理論力學教學中的應用

張應遷+付磊+文華斌+李良+羅云蓉

摘要：理論力學邏輯嚴謹、公式推導演繹較多，學生學習理解存在一定難度。根據理論力學的這一特點，本文提出將工程案例引入到理論教學中，這樣既能使理論力學教學更生動，又能提高學生解決工程實際問題的能力。教學實踐證明這一方法確實能收到較好的效果。

關鍵詞：理論力學;公式推導;工程案例教學

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）20-0169-02

一、引言

理論力學是研究物體機械運動一般規律的科學。這門課程研究的內容是速度遠小于光速的宏觀物體的機械運動，它以伽利略和牛頓總結的基本定律為基礎，屬于古典力學范疇。經過長期的實踐證明，一般工程中所遇到的大量動力學問題，用古典力學來解決，既方便又能夠保證足夠的精確性。力學是從物理學中分離出來的，與“數、理、化、天、地、生”并列為七大基礎學科。物理學是研究一切自然現象的科學，而研究物質運動是力學的定義。因此，力學從物理學中分離出來已是很長一個時期了。理論力學與電動力學、統計力學、量子力學在力學界稱為四大力學。理論力學是牛頓力學，即所謂經典力學，現代力學包括經典力學、量子力學和相對論力學。力學是一門應用性極強的基礎學科，又是一門理論性很強的技術基礎課。[1]

國際理論與應用力學學會把力學分成基礎力學和應用力學。上世紀30年代蘇聯建立了突出基礎力學教育的教育體系。同時期，歐美建立了強調應用力學教育的教育體系。我國力學教育在解放后的十年間，受蘇聯力學教育體系的影響比較大，多數高等學校使用的理論力學教材都是從俄文翻譯過來的。70年代末，歐美的理論力學教材進入我國高等教育界。直到80年代，理論力學還以120學時作為四年制機械類等專業課程的設置原則。

1980年5月，在南京召開高等學校工科力學教材編審委員擴大會，通過了教育部委托西北工業大學等高校提出的120學時機械類專業試用的“理論力學教學大綱”。二十多年來，隨著高等教育教學體制改革的深化，理論力學課程在教學內容、教學方法、教學手段、教學思想和觀念上都發生了很大變化。現在我院為機械類設置的理論力學課程只有70學時，而教學基本要求與20年前的差別不大。由于學時急劇減少，迫使教師采用多媒體現代化教學手段，增大信息量，強化知識點，通過精講多練，使學生能夠比較牢固地掌握理論力學的基本知識。建設理論力學精品課程的要求正是在這樣的教學改革背景下應運而生的。

理論力學是理工科院校的一門重要技術基礎課。但對許多理工科學校的學生來講，學習理論力學并不是一個輕松的過程。普遍反映“課堂能聽懂，一做作業就無從下手”，甚至有人將之稱為“頭疼力學、煩人力學”。究其原因，主要還是由于很多學生對于理論力學的基本概念、基本理論和分析方法等總是處于一種似懂非懂的狀態，沒有對所學內容進行深刻理解。理論力學的學習具有很強的邏輯性，前后章節的關系環環相扣。前面章節沒學好，后面章節自然就學不好，越到后面越是緊密聯系前面章節的知識點。再者，理論力學的定理、公式往往是“非構造性”的，不能用簡單代公式的方法來計算，而是必須要有分析的過程，沒有清晰的概念就無從下手[2]。可以說，對理論力學問題的求解非常鍛煉人的宏觀把握能力。因此，迫切需要對現行的理論力學教學方法及內容進行改革。基于此，工程案例教學方法應用而生。

二、工程案例教學

伴隨著擴招，生源質量也有所下降，顯得參差不齊。上同一門課，有些學生學習能力比較強，課堂不能滿足需求，顯得“吃不飽”;另外有些學生又不能跟上課堂教學的進度，學習比較吃力。因此，理論力學課堂改革就顯得很有必要。學生學習新知識，第一印象——感性認識是很重要的。只有通過感性認識抓住學生的好奇心，才能有興趣把相關的內容學習好，甚至于通過自學來滿足自身對知識的渴望。而通過工程案例教學不但可以激發學習基礎較差的學生的積極性，還可以通過大量工程案例的引入滿足學有余力的學生對課堂外知識的渴求。工程案例的教學主要通過以下幾個方面來實現。

1.工程案例的整理及提煉。和力學相關的案例可以說是隨處可見，小到日常生活，大到航空航天。怎樣選擇合適的工程案例就顯得比較關鍵。好的工程案例既能引導學生快速理解工程背景，又能提煉工程當中的力學原理，達到實踐和理論有機結合的效果。因此，工程案例的收集整理就很有必要了。比如理論力學當中的力矩問題，就可以用常見的吊車起吊重物來舉例說明：某事故現場，吊車起吊出事的卡車，結果卡車沒吊上來，吊車反而由于起吊位置選擇的不合適而翻倒了。這個實例可以很好的說明力矩，通過這個實例學生也能快速的將力矩理論與工程實際結合起來。又比如裂紋和斷裂，這兩個概念相對而言比較抽象。只有比較專業的課程才會談到與裂紋有關的斷裂問題。裂紋和斷裂也可以通過生活當中的實例來說明：乘坐公交車應該是很多人都有過的生活經歷，而公交車的安全錘就可以很好的說明裂紋和斷裂。公交車上的紅色安全錘是為了在緊急情況下讓乘客逃生用的。當公交車出現緊急情況時，乘客只需要用安全錘敲擊鋼化玻璃的四個角。由于安全錘錘頭很尖，接觸面積小，手握安全錘大約用兩千克的力就可以砸開玻璃的邊角。對鋼化玻璃而言，一點點的開裂就意味著玻璃內部的應力分布受到了破壞，從而在瞬間產生無數蜘蛛網狀裂紋，此時只需用錘子輕輕的再砸幾下就能將整面玻璃砸開。用這個實例不但可以講清楚裂紋和斷裂，還可以闡明應力和應力集中，可以將學生的理論學習與實踐緊密相連。

2.工程案例的講授。有了好的工程案例，還需要有好的教師在合適的章節恰如其分的引入。這就對教師的綜合素質提出了較高的要求[3]。毋庸諱言，力學尤其是基礎力學，上課教師的數量偏少，質量也略顯不足。針對很多二本院校，基礎力學的上課學生比較多，教師的教學任務相對較重，這也使得很多教師沒法精心研究工程案例在教學當中的運用。另外，有些高校的基礎力學教師并非“科班”出身，這也使得教師自身對有些課程的理解還不是特別深刻，當然也就不能更好的促進課堂教學的完善和發展。

三、工程案例教學的實踐

從工程實踐以及日常生活當中整理提煉了大量典型的工程案例，通過教學經驗豐富的教師進行課堂教學，能否達到預期的效果，這也是一個很現實的問題。為了驗證工程案例教學的實際教學效果，本文選擇機電一體化及車輛工程兩個專業進行對比。機電一體化4個班進行工程案例教學，而車輛工程3個班采用常規教學。經過一個學期的學習，從平時的課堂問答到期末考試都反映出，工程案例教學要優于常規教學。采用工程案例教學的機電一體化班最高分比車輛班高出10分，最低分高出15分，平均分高出12分。

四、結語

基礎力學特別是理論力學課程的工程案例教學是一項長期、艱巨的任務，需要投入大量的人力、物力和時間。學生通過案例教學的學習可以快速地掌握理論知識在實際工程中的運用，從而更好的將理論與實踐結合起來。案例教學還可以培養、訓練學生從工程實踐中抽象力學模型繼而求解優化工程問題的能力，因此從該意義上來說，工程案例教學的作用可以說絲毫不亞于數學建模的功效[4]。再者，工程案例教學還可以培養學生動手和動腦的能力。比如講到桁架部分，通過桁架橋梁的案例講解，激發學生的學習興趣。人們常說“興趣是最好的老師”，一旦學生對桁架充滿興趣，就會在課堂外富有興趣的動手制木制桁架，還會通過傳感器等來測量桁架中的桿件是否為二力桿等。這樣一來，學生對桁架的理解就會相當深刻。另外，工程案例教學還可以促進計算機軟件如MATLAB、ANSYS等在教學中的應用。通過工程案例教學還可以培養學生的社會責任感，從學習階段開始就以嚴謹的態度對待工程實際。最后，工程案例教學也可以提高教師的綜合素質，豐富教師的課堂教學素材，使原本相對枯燥的課堂教學一下變得豐富有趣起來[5]。

工程案例教學使得師生都能很好的將理論與實踐結合起來，實現課堂教學的最初目的：從實踐中來，到實踐中去。

參考文獻：

[1]閔磊.《理論力學》課程教學的探討[J].現代企業教育，2014，（10）：119.

[2]楊衛.案例式教學：固體力學的前沿應用[J].力學課程報告論壇，2007：3-5.

[3]陳紅明.理論力學教學過程中的問題及對策分析[J].中國科教創新導刊，2014，（4）：66.

[4]王瑾.工程力學課程新型教學法的探討與實踐[J].力學課程報告論壇，2009：164-166.

[5]李梅.基于工程案例研究的材料力學教學探索[J].紹興文理學院學報，2013，（9）：100-103.