工程力学网络辅助教学系统完善及扩充

芦保国

(太原理工大学轻纺工程与美术学院，山西晋中 030607)

2009年笔者受院科研基金的资助，制作一套《工程力学网络辅助教学系统》助学软件，包含电子教案、电子演示文稿、习题解答、力学趣事和力学家故事四个模块。由于学生学习和自己教学工作的需要，现将该软件的模块进行了完善和扩充。

1 完善现有模块

在静力学［1］部分，第四章平面任意力系中增加桁架一节，第五章摩擦中增加滚动摩擦一节，在第六章空间力系重心中增加重心一节。在运动和动力学［2］部分，第三章点的合成运动中增加牵连运动为转动时点的加速度合成定理，增加第七章动静法、第十章振动和第十一章虚位移原理三章。在材料力学［3］部分，在第一章轴向拉伸和压缩中增加应变能的概念一节、在第五章弯曲应力中增加塑性弯曲的概念和梁弯曲时的切应力两节，增加第二章剪切、第七章应力状态和强度理论、第八章组合变形、第九章压杆稳定和第十一章交变应力［4］，将分散于运动和动力学部分的有关内容整合为第十章动载荷。对于上述内容精心准备了电子教案，并制作了相应的电子演示文稿。

讲到滚动摩擦时，与滑动摩擦充分对比，使学生明白轮子转动为什么比滑动容易。讲到重心时，由于概念抽象，除介绍重心坐标公式及求法外，还通过飞机起落、高速旋转零件、捣振器等日常事例说明重心确实是客观存在的。讲到牵连运动为转动时点的加速度合成定理时，科氏加速度同样是一个抽象的概念，讲解时除说明其产生原因和求法外，还通过北半球沿经线流动的河水为什么右岸容易冲刷等事例说明其应用。动静法一章，重点介绍惯性力的概念，平动、定轴转动和平面运动刚体惯性力系的简化。讲惯性力时，用偏心圆盘形回转体、离心铸造机和打夯机从正反两方面说明惯性力的利弊。讲平面运动刚体惯性力系的简化时，列举缠绕细绳的滚子，为说明拉力小于某定值时作纯滚动，大于该值则处于滑动状态时，用悠悠球亲自示范，并让学生自己动手实践。振动一章重点介绍单自由度系统自由振动，自由振动的固有频率和求固有频率的方法，单自由度受迫振动的频幅曲线、共振现象。讲自由振动时固有频率的算法时，详细总结了静变形法、解微分方程法和能量法三种方法，并通过相应的例题讲解。共振是工程中的一种常见现象，也与人们的生活息息相关，讲解时通过机床、汽车、乐器、振动打桩机等从正反两方面介绍了其利弊，利用和消除的方法。虚位移原理一章重点介绍虚位移、理想约束的概念，应用虚位移原理求解物体系的平衡问题。介绍虚位移的求法，强调虚位移和实位移的区别与联系。

应力状态和强度理论一章重点介绍平面应力状态的解析法和几何法，能根据材料的破坏形式，选择恰当的强度理论解决复杂应力状态下的强度计算。组合变形一章，重点介绍运用叠加原理分析杆件在拉弯组合和扭弯组合下的强度计算。压杆稳定一章是材料力学的重点研究内容。讲解时应首先使学生明确学习该章的必要性，重点介绍压杆稳定性等有关概念，会计算柔度并判断压杆类型，熟练掌握常见支座条件下各杆压杆的临界压力和临界应力的计算并进行稳定性计算。动载荷一章，重点介绍应用动静法计算匀加速直线运动和匀速转动构件的应力与变形，用能量法计算受冲击构件的应力与变形。特别要使学生加深理解冲击力学模型的四个基本假设。交变应力一章，重点介绍应力循环与表征参数、疲劳破坏特点、疲劳极限与持久极限曲线等基本概念，影响构件疲劳极限的主要因素及提高构件疲劳强度的措施。

为讲好材料力学简史，在力学趣事和力学家故事模块中，专门收集了材料力学背景知识，并更名为工程力学相关知识模块，在这一模块中专门搜集了木屋架结构，特别是独有的建筑构件——斗拱结构，位于五台县的两座唐代木结构寺庙——佛光寺和南禅寺，应县木塔，现存最古老的石拱桥——小商桥和赵州桥以及华北四宝，位于四川的水利工程——都江堰及其建造者李冰父子，位于内江的安澜桥以及五大古桥，隋代五层大战船，郑和、郑玄的故事以及法国科学家伽利略、库仑和纳维简介等有关知识。收集了我国的航天成就——嫦娥工程和创造了四项世界纪录的苏通大桥的情况，同时还收集了由于人类不尊重自然或对自然了解甚少而造成的事故——泰坦尼克号的沉没和切尔诺贝利核爆炸。此外还收集了墨子、科里奥利、莫尔、达朗伯、圣维南等力学家的故事和共振、疲劳等相关知识。

2 扩充了工程力学大纲与简介、思考题解答、动画和视频库三个模块

为使学生在学习该课程之前，对本课程的概貌有大致了解，首先制作了工程力学大纲与简介模块，简介中介绍了该课程的名称、学分、学时、类别、先行课程、适用专业及讲授内容等有关信息。大纲中进一步介绍，该课程的性质和目的、教学内容及各章主要要求、重点和难点、学时分配、总体要求、教学安排、教材和参考资料等详细信息，使学生做到心中有数。

为便于同学们正确理解课程内容，切实帮助同学们解决在学习过程中遇到的困惑，制作了思考题解答、动画和视频库两个模块。在学习过程中，一些同学对概念的理解还停留在书本中的文字叙述上，做概念题往往出错，为使学生通过积极观察、思考、联想，诱发自己积累思维，实现知识、能力的同步发展，制作了思考题解答模块。本模块将主教材中的思考题进行了详细解答，便于同学们查阅，章节题号完全与主教材对应。在动画和视频库模块中，将某些抽象的不容易解释清楚的知识点辅之以动画和视频演示。如在约束与约束反力中，用动画演示了光滑面约束、铰链约束、滑动轴承约束、球铰链约束等。讲到力偶时，播放了工人师傅铰孔的视频，讲到曲柄摇杆机构的例题时播放了牛头刨床的动画。摩擦一章中播放了夹紧机构的动画。讲插床和鄂式破碎机的例题和习题时，演示了有关的动画和视频。点的运动一章讲到铰链机构的例题时播放了椭圆规画椭圆的动画，该动画能对有关长度和速度等参数进行设定。讲定轴轮系的传动比时，播放了胶带传动和内、外啮合的齿轮传动的视频。讲到牵连运动为转动时的加速度合成定理中摆式汽缸的例题时播放了飞机起落架和自卸汽车的动画。讲质心运动定理时，播放了世界顶级跳远巨星的精彩集锦。讲质点系动量矩守恒定理时播放了程雪花样滑冰的视频。讲到计算我国第一颗人造地球卫星轨道速度的例题时，播放了东方红一号发射的视频。这些动画和视频能使学生了解机构的工作原理，增加感性认识，有身临其境之感。讲到材料的力学性能时，播放了低碳钢拉伸试验的视频，使学生了解了实验设备，熟悉了实验过程，弥补了实验设施不足的遗憾。

3 教学效果

通过上述扩充和完善，不仅满足了笔者教学的需要，而且使学生在学习该课程之前，就能做到心中有数，在学习过程中也增加了感性认识，丰富了学生的力学相关知识，提高了学生的学习兴趣，为学生进一步学习由于课时所限无法讲授的内容提供了便利，取得了良好的教学效果。今后将在此基础上制作自测模块，便于学生课后检验学习效果。

［1］北京科技大学，东北大学.工程力学(静力学)［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2008.

［2］北京科技大学，东北大学.工程力学(运动和动力学)［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2008.

［3］北京科技大学，东北大学.工程力学(材料力学)［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2008.

［4］苟文选.材料力学(Ⅰ)［M］.第2版.北京:科学出版社，2010.