《工程力学》教学改革探索

刘升贵,李惠芳,王修栋

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083)

《工程力学》课程既具有较强的理论性,又与生产实践密切联系。传统的 《工程力学》教学注重该学科理论的系统性,但对培养学生解决工程实际问题的能力重视不足。为此,笔者开展了 《工程力学》教学改革探索。

1 优化教学内容

为了优化教学内容,对传统的教学内容进行重新整合,整合后的工科专业 《工程力学》课程包括 《静力学》、《运动学和动力学》和 《材料力学》,其教学目标如下:①通过 《静力学》的学习使学生掌握物体的受力分析和平衡方程的应用等内容。首先介绍力和力偶的基本概念与原理,然后从平面一般力系入手,讨论平面力系的简化,把平面汇交力系、平行力系和力偶系等作为平面一般力系的特殊情况来处理。②通过《运动学和动力学》的学习使学生了解和掌握物体机械运动的一般规律,并能运用这些规律分析和解决简单的工程实际问题。③通过 《材料力学》的学习使学生了解工程中的基本概念,掌握构件在载荷作用下受力、变形的规律及其实用计算方法。在教学中注重工程实际问题的应用,强化学生依托工程背景寻找危险点、计算极值应力的实践能力。同时,针对工程特点在强度理论教学内容中加入断裂破坏准则介绍。这样的教学内容安排既突出了重点,弱化了教学难点,同时又满足了矿业类工科专业的特点[1]。此外,为了扩大学生知识面,还可以将国内外采矿行业出现的新材料、新工艺、新技术等渗透到教学中。

2 强化工程概念

在教学中强化工程概念对于培养学生的专业素质和创新精神非常重要。首先向学生展现综合实例的工程背景,然后通过分析建立力学模型,最后再回到实践中去解决工程实际问题。以贯穿 《静力学》、《运动学和动力学》和 《材料力学》整过教学过程的矿井罐笼提升系统为例,该综合实例的工程背景如下:竖井提升即通过安装在竖井井口、井筒和井底的设备、装置进行提升运输工作。竖井罐笼提升系统使用的主要设备和装置包括提升机、井架、天轮、钢丝绳、连接装置、提升容器、井筒导向装置、井口和井底的承接装置、阻车器、安全门以及信号装置等 (见图1)。通过该工程实例拓展出下列教学问题。

图1 普通罐笼提升系统示意图

问题2 矿井提升机的主要数据如下:提升高度为 876m,开始提升时罐笼的加速度为0.7m/s2,速度达到7.84m/s后,即以该速度匀速提升,最后再以减速度0.7m/s2减速提升,直至最后停止 (见图3)。求提升1次需要的时间。

图2 罐笼简化图

图3 提升机启动、停机时间

图4 矿井提升机简化图

图5 罐笼运动简化图

问题3 矿井提升机如图 4所示,已知被提升重物的质量为m1,鼓轮的半径为R、质量为m2。起动时,电动机给鼓轮的驱动力矩为M。求起动时重物上升的加速度,钢绳的拉力和轴承O的约束力 (鼓轮视为均质圆柱)。

问题4 罐笼质量为m的物体以速度v 0匀速下降(见图5),若出现紧急情况突然刹车,试求钢绳的最大拉力T max。设钢绳的弹簧常量为c,钢绳的质量略去不计。

通过上述工程实例教学,使学生认识到工程力学在工程实际中的重要作用,从而激发学生学习工程力学课程的热情,进而运用所学的理论知识来分析和解决工程实际问题。

3 重视教学方法改革

改革教学内容的同时,还需重视教学方法的改革。在课堂讲授时以工程实例引入,通过展示反映工程第一线的挂图、力学模型、工程实物、视频等,使学生初步了解工程实际问题,从而激发学生的学习兴趣。在教学过程中对具体定理、推论的数学推导过程注重讲思路、讲方法和讲要点。此外,应充分利用多媒体等现代教学手段增加学生的感知能力,从而加深对基本理论的理解和掌握,培养其观察思考能力。

4 加强实验教学环节

在实验开始前应指导学生进行认真准备并设计实验方案,实验过程中应指导学生认真观察实验现象,分析总结实验结果,实验完成后,由学生按实验规范自行设计并完成一份科学合理的实验报告。此外,在实验教学中应充分利用万能试验机、多功能振动台、冲击试验机、纯弯曲疲劳试验机、电子式扭转试验机等传统试验设备开设基本力学试验,还可以针对矿井支护及岩体变形破坏特点,利用多点弯曲试验台开展岩石材料3点弯曲、4点弯曲试验。通过实验教学,可以帮助学生更好地理解理论知识并培养学生动手实践的能力,这对于提高学生的综合素质有重要作用。

5 完善考核方式

在考核形式上,采用多种形式评定学生学习情况,以加强对学生平时学习的考核与督促。对学生成绩的评定可采取平时成绩 (包括上课考勤及认真态度、提问回答情况、作业情况、读书报告、阶段性测验、大作业和实验成绩等)占40%、期末考试成绩占60%的分阶段全程性考核方法。期末考试则注重考核学生综合性、创造性地应用知识的能力,如给定工程受力结构,让学生为各构件选取材料及截面形状和尺寸,并对该结构存在的问题谈自己的看法等。通过完善考核方式,可以减少学生学习的功利性,也可分散学生的学习压力,并能全方位、多角度地反映出学生的真实成绩和综合能力[2]。

6 结 语

针对 《工程力学》教学过程中对培养学生解决工程实际问题的能力重视不足 的问题,开展了重视工程实例的 《工程力学》教学改革探索。教学实践表明,通过该课程教学改革,让学生掌握了扎实的理论知识,同时具备了较强的工程实践能力,受到学生的欢迎。由于工科专业 《工程力学》课程教学涉及面广,因而该课程改革是一个长期而又艰巨的过程,需要不断努力探索。

[1]刘超英.高等工程专科学校工程力学教学改革探讨 [J].中州大学学报,1999(3):72-73.

[2]杨浩泉,周平.在工程力学教学改革中加强对学生综合能力的培养[J].杭州电子工业学院学报,2001,21(2):69-71.