兵器類力學屬性專業課程的教學法設計與實踐

趙建新 吳大林 李玥

【摘 要】兵器類專業課程普遍具有較強的力學屬性，由于學生類型分布特點、力學能力素養差異以及教材建設等問題，造成兵器類專業課程在教學法設計與實施上面臨困難。本文以《火炮設計理論》課程為例，結合多年課程教學實踐，闡述了一些經驗做法，課程教學實踐表明，這些教學法有效促進了課程教學質量的提高。

【關鍵詞】力學屬性;專業課程;火炮設計;教學法

中圖分類號： TS105.11;TP391.41文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）23-0130-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.060

【Abstract】The special courses generally possess mechanical attribute in weaponry majors. Because of the characteristics of type distribution， as well as the differences of mechanical ability among students and the construction of textbooks， it is difficult to design and implement teaching methods for weapons specialty courses. Taking the course of Artillery Design Theory as an example， this paper expounds some experiences and practices combined with many years of teaching practice. Teaching practice shows that these teaching methods have effectively promoted the improvement of teaching quality.

【Key words】Mechanical attribute; Special course; Gun design; Teaching method

0 引言

力學本質上是研究力和運動的科學，對認識、理解和解決現代兵器的問題起著關鍵性作用，是支撐現代兵器設計理論最重要的基礎。因此，在軍地高校兵器類專業課程體系中，專業課程尤其是專業基礎課程普遍具有非常強的力學屬性，由于學生力學能力素養差異以及教材建設上存在的一些問題，造成兵器類專業課程在教學設計與實施上面臨困難。

《火炮設計理論》是軍地高校兵器類專業中槍炮方向一門非常重要的專業基礎課程，內容體系涵蓋炮身、炮架、反后坐裝置、自動機、開關閂機構、供輸彈機構等火炮裝備關鍵部組件機構設計、動力學特性設計以及總體設計的基本理論，與理論力學、分析力學、機械振動、材料力學、彈塑性力學、熱力學、流體力學以及空氣動力學等諸多力學基礎課程內容關聯緊密，是力學原理在火炮裝備設計理論中的綜合運用，課程難度大，對學生的力學素養要求高。目前，本課程建設中主要存在以下普遍問題。首先，以設計為主導的教學思路對國防生和軍校生人才培養目標的針對性偏弱，容易造成教學效益與部隊工作實際需要脫節。其次，由于學生對力學概念、原理和方法認識和理解程度參差不齊，協調課程教學內容與學生已學力學原理之間的關系，發揮課堂教學時間最大效益是需要重點解決的問題。第三，國內教材存在較為明顯“蘇聯特色”，與力學基礎課程以及配套教材中的描述不盡相同，學生似曾相識但又模糊不清，影響最終教學效果。針對這些問題，基于多年課程教學實踐，本文通過實例闡述了在教學法設計上的一些經驗做法，拋磚引玉，以期引起同行的共鳴。

1 面向軍事工程實踐的教學法設計

學生對本課程普遍存在“難學”和“厭學”心理。歷次教學問卷結果表明，存在“難學”心理的根本原因是對整個內容的基本框架缺乏足夠認識和理解，學到的是零散知識點，只見枝葉，不見主干。存在“厭學”心理的根本原因在于理論聯系實際不夠充分，為教而教，為學而學。為此，積極嘗試了面向軍事工程實踐的教學法，將專業理論與裝備技術保障實踐“聯”起來，學有所指，用有所依，學用結合。以炮身部分為例說明之。

國防生和軍校生的培養面向部隊，因此，在培養目標上與地方青年學生存在一定差異。在裝備技術保障實踐中，涉及到身管的工作主要是出現壓坑后的射擊安全性問題以及身管壽命問題。壽命問題相對獨立，壓坑問題則完全是一個力學問題。出現壓坑的身管（壁厚減小）能否承受發射時火藥燃氣壓力繼續安全射擊？這是部隊演訓作戰時要面對的現實問題。雖然可以使用壓坑允許深度曲線來判斷，但其制作原理則是本課程解決的問題，更重要的是，只有掌握其制作原理，才能正確使用這條曲線。以壓坑問題為牽引，梳理出炮身部分內容的基本框架，如圖1所示，實線框部分表示分析問題的思路;虛線框部分表示為了解決問題，原理或知識點之間的相互關系，兩條主線匯聚到同一問題（圖1中帶陰影實線框）上。

課堂上引導學生從反面來思考：為什么沒有出現壓坑（正常壁厚）的身管能夠承受發射時火藥燃氣壓力？層層推進，最終明確需要解決圖1中帶陰影實線框所示的核心問題，P1～r2關系也稱為單筒身管彈性強度極限。為了判別“不發生塑性變形”，分別基于第一～第四強度理論得到單筒身管彈性強度極限，在此過程中，通過應力-應變分析得到內外壓作用下身管軸向任一截面上的主應力和主應變。已知最大火藥燃氣壓力，通過P1～r2可以計算出外徑;反之亦然。因此，通過高低溫壓力法得到設計壓力曲線p-L，考慮安全系數n后得到理論強度曲線np-L，將其代入P1～r2，得到理論外形r2-L。考慮裝配問題，理論外形調整后得到實際外形r2s-L。再將其代入P1～r2，得到實際強度曲線Ps-L。至此，得到了理論和實際兩條強度曲線以及對應的兩個外形，它們從兩個側面給出了身管出現壓坑后能否繼續安全射擊的判別方法。綜上，圖1所示內容框架基本涵蓋結構、受力、應力-應變分析以及強度分析等全部教學內容，更重要的是，抽象理論與鮮活實踐緊密結合在一起，有效促進教學效果提升。

2 面向理論框架構建的教學法設計

本課程所引述力學原理在內容組織上相對簡單，往往就事論事，缺乏力學理論應具備的一般性和普適性，無法滿足解決軍事工程領域諸多問題的實際需要。另外，學生力學能力素養存在差異，有限的學時內難以協調未學與已學之間的關系。為此，設計并采用面向理論框架構建的教學法，通過厚壁圓筒理論說明之。

如圖2所示，炮身部分應力-應變分析模塊以厚壁圓筒理論為基礎[1-2]，該“理論”是材料力學課程的內容，在高年級學生的專業理論課程中將其“回鍋”不合時宜，而且該“理論”是為了解決具備厚壁圓筒特征的一類特定問題而提出的，適用面窄，解決其他彈性力學問題時無能為力。

厚壁圓筒問題本質是一個彈性力學問題，彈性力學相比厚壁圓筒理論更具一般性和普遍意義。彈性力學的基本問題是要得到“在力和位移作用下任意變形體的響應”，包括變形后物體的位置、受力狀態以及形狀三個方面的問題[3]，這其實就是彈性力學的基本理論框架，所有內容都是為了回答這三個問題。對應清晰的理論框架，彈性力學也有非常規范的數學描述，即“位移、應力、應變三類變量，平衡、幾何、物理三類方程以及力和位移兩類邊界條件”，這其實是炮身設計理論更是厚壁圓筒理論的力學底層原理。考慮到學時限制，課堂教學中重理論框架固化和基本概念深入理解，輕推導演繹過程，它是數學類課程關注的能力培養點。通過該教學法的實踐，引導學生從更高視角審視和學習相關理論，由知識傳授向能力培養轉變。

3 面向力學原理延伸的教學法設計

本課程內容是火炮裝備設計過程中普遍適用或需要遵循的一般規律，同時，這些普適原理又是以力學原理或理論為基礎。由于源于蘇聯教科書的國內教材在一些內容的描述上與力學基礎課程中學過的內容存在差異，甚至因此模糊此前已經清晰的認識。為此，設計并采用面向力學原理延伸的教學法，回歸支撐課程內容的力學原理本質。通過實例說明之。

彈簧是火炮裝備中普遍采用的儲能和驅動元件，為了研究構件工作時的運動規律，“構件在彈簧作用下的運動”是基本教學內容。如圖3和4所示，國內教材區分彈簧伸張和壓縮兩種情況，但使用形式上統一的方程描述：

這種處理方法本質上正確，但在實際應用時存在以下缺點：（1）x正方向需要選定為構件運動方向;（2）x原點沒有選定為彈簧靜平衡位置;（3）得到方程的牛頓定律或動靜法應用于多自由度情況時存在非常大的局限性，而火炮實際結構中普遍存在多自由度情況。（4）人為增加了繁瑣度，“費力不討好”，其本質是機械振動[4]中“單自由度自由振動”內容。

為了建立構件運動微分方程，學生首先想到牛頓第二定律，這符合人的思維習慣。通過設定兩自由度、三自由度直至更多自由度情況，讓學生深切感受到使用牛頓定律的局限性，適時引出拉格朗日方程，并通過實例闡明其具體應用以及相比牛頓定律的明顯優勢。在此基礎上，通過“如果自由度數目進一步增加，動能和勢能項數目急劇擴張，求導工作量龐大，系統動力學方程推導過程繁瑣枯燥且容易出錯怎么辦？”問題的設置，引導學生主動思考并形成“思維迷局”，引出多體系統動力學這一新興力學分支，通過簡單實例向學生闡明這種方法為復雜動力學系統分析提供了新的解決途徑。

4 結束語

針對《火炮設計理論》課程建設中存在的一些問題，以炮身、自動機等內容為例，闡述了在教學法設計方面所做的一些探索，積累的一些經驗。通過這些教學法的實踐，學生普遍認為“澄清了很多以前的模糊認識，力學基本功有了明顯提高”，說明收到了一定成效，課堂教學由知識傳授向能力提升轉變，真正達到了原理類課程觸類旁通、舉一反三的教學目的。教學改革研究永無止境，教學質量提高永無上限，希望引起更多同行共鳴，以期達到本文投礫引珠的效果。

【參考文獻】

[1]張相炎，鄭建國，楊軍榮.火炮設計理論[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[2]張相炎，鄭建國，袁人樞.火炮設計理論[M].北京：北京理工大學出版社，2014.

[3]曾攀.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]倪振華.振動力學[M].西安：西安交通大學出版社，1989.