基于案例研究的《理論力學(xué)》教學(xué)改革

毛東風(fēng)

（中國石油大學(xué)（北京） 北京 102249）

中國石油大學(xué)（北京）是一所石油特色鮮明、以工為主、多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的教育部直屬全國重點(diǎn)大學(xué)，是一所研究型大學(xué)。據(jù)ESI最新數(shù)據(jù)，學(xué)校有6個學(xué)科進(jìn)入ESI排行前1%，分別是化學(xué)、工程學(xué)、材料科學(xué)、地球科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和環(huán)境/生態(tài)學(xué)，其中工程學(xué)進(jìn)入ESI全球前1‰。理論力學(xué)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化等工程專業(yè)重要的專業(yè)理論基礎(chǔ)課，是通往后續(xù)知識的橋梁。課程內(nèi)容既包含大量的基本概念、力學(xué)理論和原理，也包含大量的工程應(yīng)用實(shí)例。將案例研究應(yīng)用于理論力學(xué)課程教學(xué)，使學(xué)生未來工作無論是進(jìn)行設(shè)計(jì)或是開展研究都能夠順利進(jìn)入角色，并兼具開拓精神與創(chuàng)新意識，作為師者，認(rèn)為將善莫大焉。

1 案例教學(xué)及其特點(diǎn)

案例教學(xué)由美國哈佛法學(xué)院前院長克里斯托弗.哥倫布.朗代爾于1870年首創(chuàng)，后經(jīng)哈佛企管研究所所長鄭漢姆推廣，并從美國迅速傳播到世界許多地方，被認(rèn)為是代表未來教育方向的一種成功教育方法。中國于20世紀(jì)80年代開始關(guān)注，在1990年代引入案例教學(xué)。

案例教學(xué)最早用于醫(yī)學(xué)教學(xué)中，為啟發(fā)學(xué)生掌握對病癥的診斷及治療，醫(yī)學(xué)院的教授將不同病癥的診斷及治療過程記錄下來做成案例，用于課堂分析，以培養(yǎng)學(xué)生的診斷推理能力。后來，法學(xué)院的教授將各種不同的判例記錄整理成為法學(xué)案例，包括其中的辯護(hù)和裁決過程，以培養(yǎng)學(xué)生的判案推理能力。20世紀(jì)初，哈佛商學(xué)院出現(xiàn)了工商管理案例，教授們將包括各種不確定信息、相關(guān)意見和實(shí)施過程的商業(yè)管理及其決策過程記錄下來，編寫成為案例用于課堂教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的管理推理能力。類似的方法后來也在其他工程專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)中出現(xiàn)，用以培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)分析與推理能力，提高學(xué)習(xí)興趣和與工程素養(yǎng)。

案例教學(xué)法具有明確目的性、客觀真實(shí)性、復(fù)雜綜合性、深刻啟發(fā)性及學(xué)生主體性等特點(diǎn)。案例來自具有獨(dú)特代表性的典型真實(shí)事件，而且較之一般示例，內(nèi)涵更加豐富，分析、解決過程也較為復(fù)雜。學(xué)生在案例的學(xué)習(xí)、討論與研究的過程中，需要依據(jù)所學(xué)知識，經(jīng)思考、分析、討論、綜合、判斷得出他們自己的結(jié)論，學(xué)生的智慧與思維得到啟發(fā)。學(xué)生在教師指導(dǎo)下，從參與到深入，體驗(yàn)過程，在學(xué)習(xí)熱情高漲的同時，逐步建立起一套適合自己的完整而又嚴(yán)密的邏輯思維方法和思考問題的方式，最終達(dá)到提高分析問題、解決問題的能力、進(jìn)而提高素質(zhì)的目的。

2 案例教學(xué)法的應(yīng)用過程

2.1 案例選擇

有關(guān)案例研究，其實(shí)在創(chuàng)新型的力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中有過很多嘗試。曾經(jīng)設(shè)計(jì)很多相對小的研究計(jì)劃供學(xué)生在不同的學(xué)習(xí)階段進(jìn)行研究討論，也取得很好的反響與效果[1][2]。現(xiàn)在作者思考的是，理論力學(xué)內(nèi)容涵蓋了靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)，能否選擇相對比較復(fù)雜的案例，使之能夠貫穿整個的教學(xué)過程，讓學(xué)生邊學(xué)習(xí)、邊探討、邊實(shí)踐、邊總結(jié)、邊提高，即可促進(jìn)課程的學(xué)習(xí)，又能體驗(yàn)創(chuàng)新開拓的快樂？結(jié)合筆者的科研實(shí)踐，選擇典型的體現(xiàn)整體理論力學(xué)課程內(nèi)容應(yīng)用的、相對復(fù)雜的、依據(jù)本科階段知識或稍加擴(kuò)展的、石油工業(yè)又廣泛使用的游梁式抽油機(jī)（圖1）作為典型的案例。

圖1：游梁式抽油機(jī)現(xiàn)場圖

抽油機(jī)是油田生產(chǎn)的第二大耗能因素，提高抽油機(jī)的效率可以極大地降低油田開發(fā)成本。目前抽油機(jī)應(yīng)用較廣的是游梁式的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用四連桿機(jī)構(gòu)（圖2）。主要部件有：提供動力的動力機(jī)；傳遞動力并降低速度的減速器；傳遞動力并將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成往復(fù)運(yùn)動的四桿機(jī)構(gòu)（曲柄、連桿、游梁、支架及橫梁和底座）；傳遞動力并保證光桿做往復(fù)直線運(yùn)動的驢頭及懸繩器總成；使抽油機(jī)能停留在任意位置的剎車裝置以及為使動力機(jī)能在一個較小的負(fù)載變化范圍內(nèi)工作的平衡裝置等。

圖2：游梁式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖

四連桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)上沖程抽提慢速度、下沖程下放快速度的運(yùn)動，結(jié)合平衡裝置使得作業(yè)功率波動降低。從而可以選擇低功率的發(fā)動機(jī)驅(qū)動抽油機(jī)進(jìn)行作業(yè)，達(dá)到降低能耗與成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

2.2 問題設(shè)置

（1）抽油機(jī)在上、下兩個沖程中哪個沖程負(fù)載大？

（2）上下兩個沖程如果抽油桿速度一樣，功率波動如何？如何選擇電動機(jī)功率？

（3）如果改變上、下沖程抽油桿的速度，可否使功率波動減小？

（4）使用合適的四連桿機(jī)構(gòu)，是否可以解決問題（3）？

（5）如果游梁與抽油桿為鉸接形式，抽油桿運(yùn)動中處于何種方位？“驢頭”部分設(shè)計(jì)成圓柱面可否減少抽油桿與井口的磨損？

（6）游梁式抽油機(jī)的動力性能分析如何進(jìn)行？動靜法方便否？

（7）除了上下沖程速度不同，有否其它方式降低動力負(fù)載？

（8）平衡裝置的作用？位置？

（9）進(jìn)一步節(jié)能優(yōu)化的可能性？

2.3 案例研究涉及的理論力學(xué)知識

抽油機(jī)的設(shè)計(jì)研究首先涉及結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)的受力及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性分析。分析方法恰恰用到“理論力學(xué)”課程中靜力學(xué)知識、運(yùn)動學(xué)知識──點(diǎn)的合成運(yùn)動、剛體基本運(yùn)動與剛體平面運(yùn)動。對抽油機(jī)動力性能的分析，也剛好需要課程的動力學(xué)知識，如功、功率的計(jì)算，動能、動量矩的計(jì)算，動靜法的應(yīng)用等等。對于抽油機(jī)動力源的選擇，正體現(xiàn)功率波動抑制與節(jié)能的特點(diǎn)。對于不同優(yōu)化目標(biāo)的抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅處處體現(xiàn)力學(xué)的知識應(yīng)用，還將拓展部分知識領(lǐng)域方可開展。而抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，又會用到材料力學(xué)的知識。這為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)埋下很好的伏筆。可以說，抽油機(jī)的基本設(shè)計(jì)特別能夠體現(xiàn)理論力學(xué)和材料力學(xué)各方面知識的應(yīng)用。

2.4 開展形式

教師在課程教學(xué)過程中將案例研究任務(wù)布置給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，讓學(xué)生帶著相關(guān)問題進(jìn)行學(xué)習(xí)。以課程前述內(nèi)容理論為基礎(chǔ)，學(xué)生以研究小組為單位，將每一步的研究結(jié)果在指定時間以報告形式向教師匯報，并以課堂討論形式進(jìn)行全班講解，回答其他同學(xué)和老師的提問，教師根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)給出評判。最后，在課程考試結(jié)束后的假期完成最后的整體報告。

2.5 效果評價

中國石油大學(xué)（北京）的《理論力學(xué)》課程多年來一直堅(jiān)持教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的改革。在教學(xué)過程中將力學(xué)知識傳播放在首位，培養(yǎng)學(xué)生的問—知能力、探索能力、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，提高他們的力學(xué)素養(yǎng)和工程意識。講授以力學(xué)知識本身在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用與突出貢獻(xiàn)所獨(dú)有的魅力帶動與激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)與探究的興趣，將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合。這正是為何開展相關(guān)案例教學(xué)的初衷。學(xué)生學(xué)習(xí)熱情普遍高漲，學(xué)習(xí)效果優(yōu)良，力學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)，得到后續(xù)課程任教老師的普遍好評。在案例研究活動中，學(xué)生不僅提高主觀能動性，研究能力得到鍛煉，同時做報告與思辨的能力也大有提高。有興趣做引導(dǎo)，那就是最好的老師。

圖3：抽油機(jī)優(yōu)化模型：視頻截圖（可在電機(jī)驅(qū)動下運(yùn)轉(zhuǎn)）

圖4：理論力學(xué)案例教學(xué)活動關(guān)聯(lián)框圖

此外，學(xué)生在教師指導(dǎo)下依據(jù)力學(xué)基本原理完成國家級的大學(xué)生科技創(chuàng)新活動：游梁式抽油機(jī)模型建立與節(jié)能優(yōu)化，北京市級的大學(xué)生科技創(chuàng)新活動：海洋溢油追蹤技術(shù)，結(jié)合（水）動力學(xué)、控制與通信技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)等知識。首次應(yīng)用的1個班級有4人經(jīng)筆者推薦免推985院校直博。教師獲得學(xué)校教學(xué)卓越獎，學(xué)生評教全校第一名。

3 總結(jié)

對于理論力學(xué)課程的案例法教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐，可以概括為教師與學(xué)生兩條主線。教師應(yīng)在事前精選案例，其研究以能夠充分體現(xiàn)理論力學(xué)知識的使用精妙與復(fù)雜全面為好。而后針對案例提出研究可能遇到的關(guān)鍵問題，引導(dǎo)學(xué)生對問題的難點(diǎn)和重點(diǎn)予以關(guān)注，組織介紹他們對案例及相關(guān)資料進(jìn)行收集整理，開展對策與應(yīng)用研究。在可能的情況下拓展研究內(nèi)容，讓學(xué)習(xí)者在不斷解決問題的過程中，發(fā)現(xiàn)新的問題，繼續(xù)保有學(xué)習(xí)的動力。學(xué)生在得到案例后產(chǎn)生濃烈興趣，明確問題后，將有明確目的地學(xué)習(xí)。通過邊學(xué)習(xí)，邊實(shí)踐，學(xué)以致用，不斷提高。期間，教師與學(xué)生保持頻繁互動，最好共同完成教學(xué)評價活動。