兵器类力学属性专业课程的教学法设计与实践

赵建新 吴大林 李玥

【摘 要】兵器类专业课程普遍具有较强的力学属性，由于学生类型分布特点、力学能力素养差异以及教材建设等问题，造成兵器类专业课程在教学法设计与实施上面临困难。本文以《火炮设计理论》课程为例，结合多年课程教学实践，阐述了一些经验做法，课程教学实践表明，这些教学法有效促进了课程教学质量的提高。

【关键词】力学属性;专业课程;火炮设计;教学法

中图分类号： TS105.11;TP391.41文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）23-0130-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.060

【Abstract】The special courses generally possess mechanical attribute in weaponry majors. Because of the characteristics of type distribution， as well as the differences of mechanical ability among students and the construction of textbooks， it is difficult to design and implement teaching methods for weapons specialty courses. Taking the course of Artillery Design Theory as an example， this paper expounds some experiences and practices combined with many years of teaching practice. Teaching practice shows that these teaching methods have effectively promoted the improvement of teaching quality.

【Key words】Mechanical attribute; Special course; Gun design; Teaching method

0 引言

力学本质上是研究力和运动的科学，对认识、理解和解决现代兵器的问题起着关键性作用，是支撑现代兵器设计理论最重要的基础。因此，在军地高校兵器类专业课程体系中，专业课程尤其是专业基础课程普遍具有非常强的力学属性，由于学生力学能力素养差异以及教材建设上存在的一些问题，造成兵器类专业课程在教学设计与实施上面临困难。

《火炮设计理论》是军地高校兵器类专业中枪炮方向一门非常重要的专业基础课程，内容体系涵盖炮身、炮架、反后坐装置、自动机、开关闩机构、供输弹机构等火炮装备关键部组件机构设计、动力学特性设计以及总体设计的基本理论，与理论力学、分析力学、机械振动、材料力学、弹塑性力学、热力学、流体力学以及空气动力学等诸多力学基础课程内容关联紧密，是力学原理在火炮装备设计理论中的综合运用，课程难度大，对学生的力学素养要求高。目前，本课程建设中主要存在以下普遍问题。首先，以设计为主导的教学思路对国防生和军校生人才培养目标的针对性偏弱，容易造成教学效益与部队工作实际需要脱节。其次，由于学生对力學概念、原理和方法认识和理解程度参差不齐，协调课程教学内容与学生已学力学原理之间的关系，发挥课堂教学时间最大效益是需要重点解决的问题。第三，国内教材存在较为明显“苏联特色”，与力学基础课程以及配套教材中的描述不尽相同，学生似曾相识但又模糊不清，影响最终教学效果。针对这些问题，基于多年课程教学实践，本文通过实例阐述了在教学法设计上的一些经验做法，抛砖引玉，以期引起同行的共鸣。

1 面向军事工程实践的教学法设计

学生对本课程普遍存在“难学”和“厌学”心理。历次教学问卷结果表明，存在“难学”心理的根本原因是对整个内容的基本框架缺乏足够认识和理解，学到的是零散知识点，只见枝叶，不见主干。存在“厌学”心理的根本原因在于理论联系实际不够充分，为教而教，为学而学。为此，积极尝试了面向军事工程实践的教学法，将专业理论与装备技术保障实践“联”起来，学有所指，用有所依，学用结合。以炮身部分为例说明之。

国防生和军校生的培养面向部队，因此，在培养目标上与地方青年学生存在一定差异。在装备技术保障实践中，涉及到身管的工作主要是出现压坑后的射击安全性问题以及身管寿命问题。寿命问题相对独立，压坑问题则完全是一个力学问题。出现压坑的身管（壁厚减小）能否承受发射时火药燃气压力继续安全射击？这是部队演训作战时要面对的现实问题。虽然可以使用压坑允许深度曲线来判断，但其制作原理则是本课程解决的问题，更重要的是，只有掌握其制作原理，才能正确使用这条曲线。以压坑问题为牵引，梳理出炮身部分内容的基本框架，如图1所示，实线框部分表示分析问题的思路;虚线框部分表示为了解决问题，原理或知识点之间的相互关系，两条主线汇聚到同一问题（图1中带阴影实线框）上。

课堂上引导学生从反面来思考：为什么没有出现压坑（正常壁厚）的身管能够承受发射时火药燃气压力？层层推进，最终明确需要解决图1中带阴影实线框所示的核心问题，P1～r2关系也称为单筒身管弹性强度极限。为了判别“不发生塑性变形”，分别基于第一～第四强度理论得到单筒身管弹性强度极限，在此过程中，通过应力-应变分析得到内外压作用下身管轴向任一截面上的主应力和主应变。已知最大火药燃气压力，通过P1～r2可以计算出外径;反之亦然。因此，通过高低温压力法得到设计压力曲线p-L，考虑安全系数n后得到理论强度曲线np-L，将其代入P1～r2，得到理论外形r2-L。考虑装配问题，理论外形调整后得到实际外形r2s-L。再将其代入P1～r2，得到实际强度曲线Ps-L。至此，得到了理论和实际两条强度曲线以及对应的两个外形，它们从两个侧面给出了身管出现压坑后能否继续安全射击的判别方法。综上，图1所示内容框架基本涵盖结构、受力、应力-应变分析以及强度分析等全部教学内容，更重要的是，抽象理论与鲜活实践紧密结合在一起，有效促进教学效果提升。

2 面向理论框架构建的教学法设计

本课程所引述力学原理在内容组织上相对简单，往往就事论事，缺乏力学理论应具备的一般性和普适性，无法满足解决军事工程领域诸多问题的实际需要。另外，学生力学能力素养存在差异，有限的学时内难以协调未学与已学之间的关系。为此，设计并采用面向理论框架构建的教学法，通过厚壁圆筒理论说明之。

如图2所示，炮身部分应力-应变分析模块以厚壁圆筒理论为基础[1-2]，该“理论”是材料力学课程的内容，在高年级学生的专业理论课程中将其“回锅”不合时宜，而且该“理论”是为了解决具备厚壁圆筒特征的一类特定问题而提出的，适用面窄，解决其他弹性力学问题时无能为力。

厚壁圆筒问题本质是一个弹性力学问题，弹性力学相比厚壁圆筒理论更具一般性和普遍意义。弹性力学的基本问题是要得到“在力和位移作用下任意变形体的响应”，包括变形后物体的位置、受力状态以及形状三个方面的问题[3]，这其实就是弹性力学的基本理论框架，所有内容都是为了回答这三个问题。对应清晰的理论框架，弹性力学也有非常规范的数学描述，即“位移、应力、应变三类变量，平衡、几何、物理三类方程以及力和位移两类边界条件”，这其实是炮身设计理论更是厚壁圆筒理论的力学底层原理。考虑到学时限制，课堂教学中重理论框架固化和基本概念深入理解，轻推导演绎过程，它是数学类课程关注的能力培养点。通过该教学法的实践，引导学生从更高视角审视和学习相关理论，由知识传授向能力培养转变。

3 面向力学原理延伸的教学法设计

本课程内容是火炮装备设计过程中普遍适用或需要遵循的一般规律，同时，这些普适原理又是以力学原理或理论为基础。由于源于苏联教科书的国内教材在一些内容的描述上与力学基础课程中学过的内容存在差异，甚至因此模糊此前已经清晰的认识。为此，设计并采用面向力学原理延伸的教学法，回归支撑课程内容的力学原理本质。通过实例说明之。

弹簧是火炮装备中普遍采用的储能和驱动元件，为了研究构件工作时的运动规律，“构件在弹簧作用下的运动”是基本教学内容。如图3和4所示，国内教材区分弹簧伸张和压缩两种情况，但使用形式上统一的方程描述：

这种处理方法本质上正确，但在实际应用时存在以下缺点：（1）x正方向需要选定为构件运动方向;（2）x原点没有选定为弹簧静平衡位置;（3）得到方程的牛顿定律或动静法应用于多自由度情况时存在非常大的局限性，而火炮实际结构中普遍存在多自由度情况。（4）人为增加了繁琐度，“费力不讨好”，其本质是机械振动[4]中“单自由度自由振动”内容。

为了建立构件运动微分方程，学生首先想到牛顿第二定律，这符合人的思维习惯。通过设定两自由度、三自由度直至更多自由度情况，让学生深切感受到使用牛顿定律的局限性，适时引出拉格朗日方程，并通过实例阐明其具体应用以及相比牛顿定律的明显优势。在此基础上，通过“如果自由度数目进一步增加，动能和势能项数目急剧扩张，求导工作量庞大，系统动力学方程推导过程繁琐枯燥且容易出錯怎么办？”问题的设置，引导学生主动思考并形成“思维迷局”，引出多体系统动力学这一新兴力学分支，通过简单实例向学生阐明这种方法为复杂动力学系统分析提供了新的解决途径。

4 结束语

针对《火炮设计理论》课程建设中存在的一些问题，以炮身、自动机等内容为例，阐述了在教学法设计方面所做的一些探索，积累的一些经验。通过这些教学法的实践，学生普遍认为“澄清了很多以前的模糊认识，力学基本功有了明显提高”，说明收到了一定成效，课堂教学由知识传授向能力提升转变，真正达到了原理类课程触类旁通、举一反三的教学目的。教学改革研究永无止境，教学质量提高永无上限，希望引起更多同行共鸣，以期达到本文投砾引珠的效果。

【参考文献】

[1]张相炎，郑建国，杨军荣.火炮设计理论[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[2]张相炎，郑建国，袁人枢.火炮设计理论[M].北京：北京理工大学出版社，2014.

[3]曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4]倪振华.振动力学[M].西安：西安交通大学出版社，1989.