平面汇交力系课堂教学改革探索与实践

王 涛

（海南大学机电工程学院，海南 海口570228）

0 引言

工程力学是机械类专业的重要技术基础课程，学生在学习时感觉枯燥无味，兴趣不浓。很多学者从多方面进行教学改革[1-4]，有的学生反映课程理论简单题难做，尤其是学完基础理论对知识的应用能力比较欠缺，更是缺乏解决问题的意识，因此，提高学生创新性思维的培养质量尤其重要[5-8]。笔者结合多年的工程力学教学实践提出通过课堂教学进行改革的措施，提高工程力学课堂教学质量。本文以平面汇交力系的教学内容为例，说明工程力学教学课堂的教学思路和模式，供同行参考。

1 教学内容与学生分析

本节课进入具体力学理论计算内容的第一节，即平面汇交力系。首先对整个静力学将要计算的问题进行分类，让学生从宏观上了解静力学将要研究的主要问题和对象，通过引入工程案例让学生认识力学计算的意义和价值。同时掌握本节课教材中对于平面汇交力系进行计算的几何法和解析法的基本原理及操作过程，以便在汇交力系的结构计算与创新设计方面对该方法的理解运用更为深刻。掌握平面汇交力系的力学计算方法对于学习平面及空间任意力系的力学计算也起到基础性作用。

本节课授课的学生是刚学习完物体的受力分析基本内容，对力学的具体数值计算还未系统深入了解，通过本次课程的学习，学生初步掌握平面汇交力系的典型计算方法。对于典型结构的具体计算思路有深刻认识。通过对比几何法和解析法的解题技巧分析能够给学生建立起解决复杂问题如何能进行等效简单化的基本思路，让学生体会化繁为简的等效处理方法，能够使学生感受到力学计算的魅力的同时，提高对汇交力系学习的兴趣，并体会到力学计算方法的魅力，最后再通过课堂讨论和分析结果规律扩展应用设计创新结构。

2 教学策略的选择与设计

2.1 创设情境、导入新课：提出问题

提出为什么要进行力学计算工作，力学计算工作的意义及价值，利用工程中的实际案例进行话题激趣，使学生整堂课都能保持积极的心态去分析工程案例并解决实际问题，探索新知识[9-12]。通过课堂展示实际事故案例，例如通过起重机吊起重物钢丝绳断裂的事故视频录像进行案例展示，引导学生思考为什么断裂，提出问题的根源在哪里，同时分析如果不进行力学计算或者计算的不精细，就会产生意想不到的事故，引起学生思想上足够的重视，同时也对将要学习的课程的重要性有了认识。

2.2 提出平面汇交力系的基本概念和计算方法

分析问题：对于刚才钢丝绳断裂的的工程案例事故，对吊钩进行受力分析，划归为平面汇交力系模型进行分析，同时自然过渡到本节课课程介绍工程上力学计算采用的有两种方法，首先对几何法研究平面汇交力系的合成问题的思想和愿景进行分析，并提出几何法的操作思想和过程，同时阐述几何法的计算结果分析，对于计算的结果进行物理意义的讨论，从静态力参数变化过渡到影响动态的结果分析，指出当分力与主动力夹角的变化引起分力大小的规律。并引出平面汇交力系平衡的充分必要条件。

2.3 通过工程实际的案例进行几何法的应用力学计算

解决问题：针对钢丝绳吊重物断裂事故的其他类似案例的工程问题，运用几何法进行受力分析并计算，受力分析及运用封闭的几何图形进行力学计算。完成计算结果，并对结果进行分析。提出当杆件从两根增加到三根四根的时候，给学生提出新问题，将如何计算，能否用刚才所讲的知识解决，提高师生的互动与讨论。总结运用几何法计算所面临的缺点。得出几何法在实际中尤其解复杂问题有作图精度要求高，容易引起误差的缺点。进一步提出问题寻找解决问题的方法。

2.4 针对以上的几何法的缺点、导入解析法的讲解

介绍解析法的力在坐标轴上投影的基本概念以及合力矩定理的基本概念和应用。推导出运用力学投影合成来计算力的基本思想，并引出解决平面汇交力系的解析法解决问题的操作过程。

2.5 通过工程实际的案例应用解析法的力学计算

解决问题：针对刚才同样实际的工程问题，运用解析法进行计算，受力分析及运用投影平衡方程进行力学计算。完成计算结果，并与几何法的计算结果进行对比分析，说明几何法与解析法都是能够计算出平面汇交力系的平衡问题。同时进行更深一步的讨论，因为求解方程组往往比较麻烦，而且容易出错，能否不列方程组，实现列一个方程解决一个未知量的目的，从而简化力学计算过程。方法和措施就是采用灵活建立坐标系的方法，列写平衡方程，使解决问题的方程简化。并对比两种方法的优劣，总结解题的基本步骤原则和技巧，为今后的快速计算提供原则思路。

2.6 总结并扩展提供研究的案例，再扩展学生思维

在学习完了基本计算方法之后，通过解析法对汇交力系的计算结果进行深入分析，讨论当角度在变化时对汇交力系中力值的影响，从静态规律归纳总结到动态变化规律。提出在工程应用中需要设计力学放大装置，结合科研实际课题讨论，比如压榨机创新设计机构，海南拉拔式木薯收获装置方案设计等。在对基本结构的基础上进行串联和并联，引导学生提出在工程中还有较为复杂的结构如何设计和分析，例如，并联机构的设计，串联机构的机器人展示等，开拓学生思维，启发创新思想。从平面到空间过渡提出桁架系统结构如何计算，如何采用所学习的解析法来进行平面桁架结构的力学计算，让学生运用今天所学习的知识进行深入探索。提出对于空间汇交力系又如何进行计算，可让学生试探提出设想。再扩展到空间汇交力系结构的计算。

3 教学反思

本节课的教学设计主要有3个特点：

（1）教学流程设计上符合认知规律，采用结合工程实际案例的说明提出力学计算的必要性，使学生尽快进入状态。遵循科学研究的基本思路，按照提出问题，分析问题，解决问题，应用扩展的基本思路进行。

（2）提高学生运用解析法解决力学计算的能力，通过师生的讨论并启发对比，提高学生的力学计算能力。

（3）引入实际课题进行案例讨论，并扩展学生思维。这样做的好处是使枯燥的知识易于理解、掌握而且直观，通过案例与教学课件的有机结合，使学生对内容有了更为系统的认识，并从二维扩展三维，从静态到动态，从简单扩展到复杂，理论联系身边实际课题启发思维提高学生的创新能力。

4 结束语

提高工程力学课堂教学质量是培养具有创新性人才的关键，以上是我针对提高学生学习工程力学课程质量的一些尝试，今后还要更进一步结合学生的特点和实际情况，达到因材施教，进一步深入探索提高工程力学课程的课堂教学质量的方法和措施。