《工程力學》案例教學的探索和實踐

趙秋玲+張君華+劉芳

摘要：結合我校《工程力學》課程教學現狀，本文對該課程的教學內容、教學方法的建設進行了探索和實踐。根據學生的學習基礎和狀態，教師必須充分利用有限課時，把最重要、最基本的工程力學知識傳授給學生，讓他們更好地掌握，進而能夠在以后的學習和工作中會用、用好。

關鍵詞：案例教學；工程力學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）43-0144-02

本文將著力于把工程力學的每個知識點融入工程實例，針對學生的專業特點，爭取每個知識點都能引入與本專業相關的工程案例，在分析工程案例的過程中更好地掌握課堂知識，提高學生的學習興趣和利用所學知識分析、解決工程問題的能力。本課程力爭做到從整個專業教學計劃的角度出發，起到做好專業課過渡的橋梁作用。

一、針對專業特色，選擇適合的工程案例和生活實例

為了提高學生的學習興趣，調動他們的積極性，成為學習的主人，教師在講解每個知識點時，應盡可能地運用相關專業工程實際問題或學生熟知的身邊實例，并不斷在實踐中積累和完善，從工程實例和工程事故中挖掘教學內容的深度。

對于已有一定力學知識的學生，為了進一步拓展和深化，為專業課的學習打好基礎，教師要把力學的研究對象擴展為質點系，尤其是剛體系。為此，我們以神州六號軌道艙和返回艙為例，說明研究衛星運動軌道時，衛星可視為質點；但研究衛星姿態控制時，就不能視為質點。新聞中的問題，可有效吸引學生的注意力。

在介紹約束與約束力時，可多講工程實例，使學生體會到各種約束都是根據工程需要進行的設計。我們首先要學會如何為讓工程實際問題簡化成力學模型。為了加深理解，可給出機械臂的動畫，并利用單缸內燃發動機：曲柄—滑塊機構動畫，使學生發現《工程力學》課程所講述的內容是非常基本和重要的。多數工程問題可以用工程力學來描述，如介紹日常生活中常用的剪刀、介紹受力分析和選取研究對象的過程，使原來對這部分搞不清楚的學生建立起信心。

對于固定端約束，要強調存在約束力矩，為此，除了飛機機翼、加工時卡盤對工件的約束，還可以列舉陽臺、地面對電線桿的約束等，使學生從逆命題方面進行思考，拓寬解決問題的思路。學生熟知的日常生活實例或本專業的工程案例，會讓學生感到很親切，感到工程力學非常有用，在參與分析工程案例的過程中掌握工程力學知識，盡最大的可能提高學生的主觀能動性，積極參與課堂教學活動，使學生成為課堂的主人。

二、將《工程力學》理論知識融入工程和生活實際

理論聯系實際無處不在，因為工程力學是從實踐中來的。但要幫助學生學會把復雜的工程問題抽象為簡化的力學模型，也是在教會學生掌握一種科學方法。在理解好知識的基礎上，他們能夠探索新的問題，切實提高分析問題、解決實際問題的能力，提高教學效果，為后續課程的學習和工作打好基礎。

鉆頭鉆孔、用改錐擰螺釘時施加的力螺旋，對學生來說是新知識，如果按空間力系簡化結果直接分析，有些抽象。為此，我們首先提出問題：能否僅僅由一個力或一個力偶矩來實現？學生很容易得出結論。在此基礎上，我們再講理論知識，并與平面力系簡化結果對比，讓學生對這部分知識的理解更深刻。學生多加思考，其收獲更大。

材料力學部分內容是工科大學教育中處于第一個工程技術教育轉變時期、學生進入大學后較早接觸到的與工程聯系最為廣泛的技術基礎課，這可加強學生的工程概念，培養工程素質和創新精神。

材料力學相關基本概念有些是比較抽象的，短時間內準確地理解內力、應力和應變的概念及其物理含義，尤其是理解公式推導時所用的平截面假設。目前，學生在學習該課程時，普遍存在死記硬背所學知識的問題，很難達到真正的理解，與實際物理概念建立不起聯系，甚至建立錯誤的聯系。由于僅僅為了考試而記住一些知識，對知識掌握得不夠扎實，學完課程后很可能會逐步忘記，在后面的課程學習中又會經常用到相關知識，但學生往往已經忘記了。由于課程學習側重題目的練習，缺乏對實際問題的思考，遇到實際問題時不能夠用所學知識進行解釋。

為了幫助學生深刻理解概念，提高分析問題的能力，可建立本課程與專業課的聯系，鞏固專業基礎知識，同時理論聯系實際，提升學生分析問題、解決問題的能力和綜合思維能力，我們采取了案例教學。

各種基本變形橫截面上應力計算公式的推導，屬于超靜定問題。在講解軸向拉伸與壓縮橫截面上應力計算公式的推導時，學生還沒有了解很多的材料力學知識，可用健身拉力器進行類比說明。當所掛彈簧為相同的長度和剛度時，如果拉力使把手保持平行，則總拉力一定由掛彈簧的區域進行平均分配。這說明將桿件看成由無數個縱向纖維所組成，由表及里設想內部變形的情況也是如此。應力均勻分布的結論容易被理解和接受，印象也深刻。

在推導梁純彎曲時橫截面上正應力計算公式的過程中，為了理解推導中所做的基本假設——平面假設，理解彎曲正應力分布規律，掌握中性層、中性軸等的基本概念和含義，利用手風琴的小變形和純彎曲變形狀態進行講解，可使復雜的推導過程不再枯燥。

提高彎曲強度的措施，在工程中有廣泛的應用，學生也比較感興趣。以斗拱為例。斗拱是我國古代建筑中巧妙地將作用力分散的方法，如圖3所示。把梁柱之間的連接，由圖1（a）圖中的集中力分散成為圖1（b）中4個點受力，減小最大彎矩，提高梁的抗彎能力。此例會增強學生的民族自豪感。

同時，我們要鼓勵學生廣開思路，留意工程和生活中的問題，思考解決問題的辦法，堅持以“加強基礎、開拓思維、培養能力、提高素質”為指導思想，營造一個開放型、“以人為本”、積極發揮學生主動性和創造性，并逐步發展和提高學生創新思維和能力的氛圍。

三、將學生原有知識升華，加入新知識，以解決工程和生活實際問題

可以螺旋槳飛機、汽車車窗上的雨滴、被起吊的重物上一點的運動等為例，用于解釋相對運動、絕對運動和牽連運動的概念。雖然這些概念不容易被理解，但由于學生對例子本身比較熟悉，講解起來還是易于接受的。

汽車沿直線行駛時，車輪的運動、板擦在黑板上的任意運動，都是平面運動。平面運動可以分解成平動和轉動。圖2講述了平面運動中速度瞬心與定軸轉動中心的區別，圖3講述平面運動中瞬時平動與永久平動的區別，使學生把原有知識和新知識融會貫通，嘗到學習本門課的樂趣。

四、結語

將工程案例教學法融入課堂教學，可以大大提高學生的學習興趣，讓他們感到所學的知識可以解決實際問題，提高學習的積極性和主動性，更加深刻地理解和掌握課堂知識，培養利用所學知識分析問題、解決問題的能力。

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