以工程素质培养为目标的理论力学教学实践与探索

【摘 要】结合理论力学课程的特点和学生对理论力学认识和学习的情况，把工程实践作为理论力学课堂教学的出发点和目标，并对这种与工程实践相结合的教学方法进行了有益的探索。

【关键词】理论力学；力学模型；工程教育；实践教学

中图分类号： O31-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）19-0146-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.064

The Practice and Exploration of Theoretical Mechanics Teaching with the Aim of Cultivating Engineering Quality

ZHANG Dong-xiao

（LuoYang Institute of Science and Technology，Luoyang Henan 471023， China）

【Abstract】According to the characteristics of theoretical mechanics course and students understanding and learning of theoretical mechanics， engineering practice is regarded as the starting and target of course teaching， and this teaching methods combined with engineering practice is also explored.

【Key words】Theoretical mechanics； Mechanical model； Engineering education； Practice learning

0 前言

理论力学是许多工科专业必修的基础课，具有鲜明的基础性和应用性，是工科学生由理论开始走向工程实践的桥梁，在工程教育中具有重要的地位。但同时理论力学理论性较强，它从少量最基本的规律出发，运用逻辑推理和数学演绎的方法，得到了从不同方面揭示机械运动规律的定理、定律和公式，建立了完整而严密的理论体系[1]。这正是理论力学课程的显著特点，但对缺少工程概念的学生而言，普遍认为理论力学抽象难懂，心生畏惧，并且错误地认为理论力学仅仅是“理论意义”上，“高高在上”的力学，导致学生对理论力学的学习普遍缺乏信心。如何才能改变学生对理论力学的误解？怎样调动学习的积极性和自觉性，增强学习的信心？怎样培养学生分析问题和解决问题的能力？我们积极思考，改进思路，把工程实践作为理论力学课堂教学的出发点和目标，并对这种与工程实践相结合的教学方法进行了有益的探索。

1 理论力学的工程教育

1.1 理论力学知识的背景教育

理论力学课程中有大量的概念，如果只是照本宣科，學生可能一知半解，印象不深，同时还会加深学生对理论力学不接地气的感受。因此，教师在备课时，应以课程内容为基础，搜集力学史料、工程案例作为补充。例如，开始学习理论力学时，“机械运动”、“力”、“力矩”这些概念在物理学中都接触过了，但这些概念不可能自然形成，它们是怎么来的？在长期的生产和生活实践中，前人为了取水，发明了可以转动的辘轳；为了搬运重物，使用了杠杆、斜面和滑轮；为了利用风力和水力，制造了风车和水车等。制造和使用这些生产工具，人类初步认识了机械运动，积累了大量的经验，经过分析。综合和归纳，逐渐形成了“力”、“力矩”等概念，已及“二力平衡”、“力的平行四边形法则”、“作用力和反作用力定律”等力学的基本规律。通过介绍力学知识的背景，加深学生对这些内容的理解和把握。用钻木取火介绍摩擦力；如果没有摩擦力，世界将是什么样子？用崂山道士的故事，启发学生是否自己也可以穿墙而过，会有什么后果？在轻松的气氛中，学生体会作用力和反作用力，以及约束力的概念。通过这样的教学方式，使学生切实体会到这些概念真真切切地存在于我们身边。

1.2 理论力学中的工程教育

理论力学是一个完整、严密、科学的理论体系。理论力学和工程应用、工程设计与分析有着紧密的联系。因此，课堂教学必须和和具体工程实践相结合，这对培养学生的工程素养十分有利[2]。

理论力学来源于实践，也必然要应用于实践，服务于工程。但实际教学情况则是，刚刚步入大学的学生对于工程实际认知较为缺乏，因此在这一环节应有意识地补充和加强。在教学伊始，应该让学生对众多工程实例有初步的认识与了解，进而从工程实际出发提出问题和假定，进行力学模型的抽象[3]。力学模型均有清晰的工程背景，但工程中的客观问题都是复杂的，具体的，为找出其共同规律，必须抓住主要因素，舍弃次要因素，建立抽象化的力学模型。在讲授每个知识点前，我们采用大量实例，鼓励学生大胆假定，简化力学模型。例如，将接触面积远小于物体几何尺寸的作用简化为集中力；将桁架结构中的杆件简化为二力杆；根据不同物体间机械运动的相互制约，建立理想约束的模型。这种抽象化、理想化的方法，一方面简化了所研究的问题，另一方面也更加深刻地反映事物的本质。但是，抽象化的模型都是相对的，当条件改变时，必须考虑影响事物的新的因素，建立新的模型，比如，对于太空中飞行的卫星，若研究其空间运动轨迹，可将其视为一质点；若研究卫星的飞行姿态，须将其视为刚体；而若研究其强度和刚度，则将其看成变形体；由此可见，同样的一颗卫星，由于研究的侧重点不同，建立的力学模型也不同。通过对实际工程力学模型的抽象，培养了学生简化解决问题的能力，增加了学习的信心和热情。

通过理论力学的学习，学生应该具备从具体问题抽象出力学模型，再从力学模型解决实际问题的能力。为此，在例题设计时，首先给出实例，建立力学模型，对求解的结果进行讨论，并指出理论模型在工程实践中的意义。在每次习题课中设计一个简单的实际问题让学生分析，例如，我们在课堂上进行桥梁的力学建模讨论，从由两个桥墩，一个桥板组成的最简单的桥开始，分析桥板和桥墩的连接，分别建立了两端固定端支座，两端固定铰支座，一端铰支座和一端可动铰支座三种力学模型，引导学生讨论三种力学模型的可行性。很多同学基于对单孔小桥的认识，倾向于前两种力学模型。我通过一个混凝土路面在酷热的夏天拱起的事件启发大家，使学生们认识到桥梁的力学模型不仅要满足使用功能要求，还要满足使用环境要求；之后又讨论了多孔桥的力学模型；课后要求学生上交桁架桥，悬索桥和斜拉桥的力学模型。通过力学建模的教育，学生们掌握了简支梁，外伸梁、多跨连续梁的力学模型，理解了桁架桥、悬索桥和斜拉桥结构中荷载的传递方式。这种与工程实践相结合的授课方式，像讲故事一样，轻松有趣，学生们不仅掌握了基础理论知识，同时对理论知识的工程背景和力学模型有了一定的认识，对培养学生的工程素质非常有益[4]。

1.3 理论力学中的实践教学

对于学生工程素质的培养，实践环节不仅应该起到巩固知识的作用，还应该起到培育创新能力的作用。但目前的理论力学教育通常以课程考试作为结束，仅仅督促学生复习所学知识，起不到培养创新能力的作用。因此，我们将理论力学的学习与工程实际相结合，在理论力学中加入课程设计环节、大作业、实验设计等实践性环节，鼓励学生利用现有的理论力学知识，发挥主观能动性，在运用中尝试创新。比如，测量多种材料之间的静动摩擦因数，分析温度、湿度和表面光洁度对动摩擦因数的影响；用复摆、三线摆装置测量物体的转动惯量，分析三线摆摆长和扭转角对转动惯量量测精度的影响；转动刚体动反力测试，测量转动刚体的静反力和动反力。高水平实践环节的设计，不仅培养学生应用知识的能力，更要为重要的是培养学生创新能力。

2 结论

结合工程实践的理论教学是改变目前理论力学教学现状的必然选择，培养学生的工程素质是理论力学教学的出发点和主要目标，对大学生分析解决工程问题能力的培养，逻辑思维能力和认识水平的提升都是非常有益的。但这是一项长期、艰苦的工作，还需要在实践中不断探索，在理论上不断完善。

【参考文献】

[1]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学（第七版）. 高等教育出版社，2009.

[2]胡海岩.对力学教育的若干思考[J].力学与实践，2009，1：70-72.

[3]汤可可，王华宁.以创新能力培养为导向的理论力学教学体系探索[J].力学与实践，2017，39：68-70.

[4]张东晓.与实践相结合的材料力学教学方法探索[J].中国现代教育装备，2010，15：93-94.