工程案例教学在理论力学教学中的应用

张应迁+付磊+文华斌+李良+罗云蓉

摘要：理论力学逻辑严谨、公式推导演绎较多，学生学习理解存在一定难度。根据理论力学的这一特点，本文提出将工程案例引入到理论教学中，这样既能使理论力学教学更生动，又能提高学生解决工程实际问题的能力。教学实践证明这一方法确实能收到较好的效果。

关键词：理论力学;公式推导;工程案例教学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）20-0169-02

一、引言

理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。这门课程研究的内容是速度远小于光速的宏观物体的机械运动，它以伽利略和牛顿总结的基本定律为基础，属于古典力学范畴。经过长期的实践证明，一般工程中所遇到的大量动力学问题，用古典力学来解决，既方便又能够保证足够的精确性。力学是从物理学中分离出来的，与“数、理、化、天、地、生”并列为七大基础学科。物理学是研究一切自然现象的科学，而研究物质运动是力学的定义。因此，力学从物理学中分离出来已是很长一个时期了。理论力学与电动力学、统计力学、量子力学在力学界称为四大力学。理论力学是牛顿力学，即所谓经典力学，现代力学包括经典力学、量子力学和相对论力学。力学是一门应用性极强的基础学科，又是一门理论性很强的技术基础课。[1]

国际理论与应用力学学会把力学分成基础力学和应用力学。上世纪30年代苏联建立了突出基础力学教育的教育体系。同时期，欧美建立了强调应用力学教育的教育体系。我国力学教育在解放后的十年间，受苏联力学教育体系的影响比较大，多数高等学校使用的理论力学教材都是从俄文翻译过来的。70年代末，欧美的理论力学教材进入我国高等教育界。直到80年代，理论力学还以120学时作为四年制机械类等专业课程的设置原则。

1980年5月，在南京召开高等学校工科力学教材编审委员扩大会，通过了教育部委托西北工业大学等高校提出的120学时机械类专业试用的“理论力学教学大纲”。二十多年来，随着高等教育教学体制改革的深化，理论力学课程在教学内容、教学方法、教学手段、教学思想和观念上都发生了很大变化。现在我院为机械类设置的理论力学课程只有70学时，而教学基本要求与20年前的差别不大。由于学时急剧减少，迫使教师采用多媒体现代化教学手段，增大信息量，强化知识点，通过精讲多练，使学生能够比较牢固地掌握理论力学的基本知识。建设理论力学精品课程的要求正是在这样的教学改革背景下应运而生的。

理论力学是理工科院校的一门重要技术基础课。但对许多理工科学校的学生来讲，学习理论力学并不是一个轻松的过程。普遍反映“课堂能听懂，一做作业就无从下手”，甚至有人将之称为“头疼力学、烦人力学”。究其原因，主要还是由于很多学生对于理论力学的基本概念、基本理论和分析方法等总是处于一种似懂非懂的状态，没有对所学内容进行深刻理解。理论力学的学习具有很强的逻辑性，前后章节的关系环环相扣。前面章节没学好，后面章节自然就学不好，越到后面越是紧密联系前面章节的知识点。再者，理论力学的定理、公式往往是“非构造性”的，不能用简单代公式的方法来计算，而是必须要有分析的过程，没有清晰的概念就无从下手[2]。可以说，对理论力学问题的求解非常锻炼人的宏观把握能力。因此，迫切需要对现行的理论力学教学方法及内容进行改革。基于此，工程案例教学方法应用而生。

二、工程案例教学

伴随着扩招，生源质量也有所下降，显得参差不齐。上同一门课，有些学生学习能力比较强，课堂不能满足需求，显得“吃不饱”;另外有些学生又不能跟上课堂教学的进度，学习比较吃力。因此，理论力学课堂改革就显得很有必要。学生学习新知识，第一印象——感性认识是很重要的。只有通过感性认识抓住学生的好奇心，才能有兴趣把相关的内容学习好，甚至于通过自学来满足自身对知识的渴望。而通过工程案例教学不但可以激发学习基础较差的学生的积极性，还可以通过大量工程案例的引入满足学有余力的学生对课堂外知识的渴求。工程案例的教学主要通过以下几个方面来实现。

1.工程案例的整理及提炼。和力学相关的案例可以说是随处可见，小到日常生活，大到航空航天。怎样选择合适的工程案例就显得比较关键。好的工程案例既能引导学生快速理解工程背景，又能提炼工程当中的力学原理，达到实践和理论有机结合的效果。因此，工程案例的收集整理就很有必要了。比如理论力学当中的力矩问题，就可以用常见的吊车起吊重物来举例说明：某事故现场，吊车起吊出事的卡车，结果卡车没吊上来，吊车反而由于起吊位置选择的不合适而翻倒了。这个实例可以很好的说明力矩，通过这个实例学生也能快速的将力矩理论与工程实际结合起来。又比如裂纹和断裂，这两个概念相对而言比较抽象。只有比较专业的课程才会谈到与裂纹有关的断裂问题。裂纹和断裂也可以通过生活当中的实例来说明：乘坐公交车应该是很多人都有过的生活经历，而公交车的安全锤就可以很好的说明裂纹和断裂。公交车上的红色安全锤是为了在紧急情况下让乘客逃生用的。当公交车出现紧急情况时，乘客只需要用安全锤敲击钢化玻璃的四个角。由于安全锤锤头很尖，接触面积小，手握安全锤大约用两千克的力就可以砸开玻璃的边角。对钢化玻璃而言，一点点的开裂就意味着玻璃内部的应力分布受到了破坏，从而在瞬间产生无数蜘蛛网状裂纹，此时只需用锤子轻轻的再砸几下就能将整面玻璃砸开。用这个实例不但可以讲清楚裂纹和断裂，还可以阐明应力和应力集中，可以将学生的理论学习与实践紧密相连。

2.工程案例的讲授。有了好的工程案例，还需要有好的教师在合适的章节恰如其分的引入。这就对教师的综合素质提出了较高的要求[3]。毋庸讳言，力学尤其是基础力学，上课教师的数量偏少，质量也略显不足。针对很多二本院校，基础力学的上课学生比较多，教师的教学任务相对较重，这也使得很多教师没法精心研究工程案例在教学当中的运用。另外，有些高校的基础力学教师并非“科班”出身，这也使得教师自身对有些课程的理解还不是特别深刻，当然也就不能更好的促进课堂教学的完善和发展。

三、工程案例教学的实践

从工程实践以及日常生活当中整理提炼了大量典型的工程案例，通过教学经验丰富的教师进行课堂教学，能否达到预期的效果，这也是一个很现实的问题。为了验证工程案例教学的实际教学效果，本文选择机电一体化及车辆工程两个专业进行对比。机电一体化4个班进行工程案例教学，而车辆工程3个班采用常规教学。经过一个学期的学习，从平时的课堂问答到期末考试都反映出，工程案例教学要优于常规教学。采用工程案例教学的机电一体化班最高分比车辆班高出10分，最低分高出15分，平均分高出12分。

四、结语

基础力学特别是理论力学课程的工程案例教学是一项长期、艰巨的任务，需要投入大量的人力、物力和时间。学生通过案例教学的学习可以快速地掌握理论知识在实际工程中的运用，从而更好的将理论与实践结合起来。案例教学还可以培养、训练学生从工程实践中抽象力学模型继而求解优化工程问题的能力，因此从该意义上来说，工程案例教学的作用可以说丝毫不亚于数学建模的功效[4]。再者，工程案例教学还可以培养学生动手和动脑的能力。比如讲到桁架部分，通过桁架桥梁的案例讲解，激发学生的学习兴趣。人们常说“兴趣是最好的老师”，一旦学生对桁架充满兴趣，就会在课堂外富有兴趣的动手制木制桁架，还会通过传感器等来测量桁架中的杆件是否为二力杆等。这样一来，学生对桁架的理解就会相当深刻。另外，工程案例教学还可以促进计算机软件如MATLAB、ANSYS等在教学中的应用。通过工程案例教学还可以培养学生的社会责任感，从学习阶段开始就以严谨的态度对待工程实际。最后，工程案例教学也可以提高教师的综合素质，丰富教师的课堂教学素材，使原本相对枯燥的课堂教学一下变得丰富有趣起来[5]。

工程案例教学使得师生都能很好的将理论与实践结合起来，实现课堂教学的最初目的：从实践中来，到实践中去。

参考文献：

[1]闵磊.《理论力学》课程教学的探讨[J].现代企业教育，2014，（10）：119.

[2]杨卫.案例式教学：固体力学的前沿应用[J].力学课程报告论坛，2007：3-5.

[3]陈红明.理论力学教学过程中的问题及对策分析[J].中国科教创新导刊，2014，（4）：66.

[4]王瑾.工程力学课程新型教学法的探讨与实践[J].力学课程报告论坛，2009：164-166.

[5]李梅.基于工程案例研究的材料力学教学探索[J].绍兴文理学院学报，2013，（9）：100-103.