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理论力学授课中的工程应用实例筛选
摘 要理论力学是理工科专业的基础课程.基于循序渐进方式的专业培养特点,在该课程教学中,学生对具体的工程实例接触有限有些甚至完全没有接触,因此合理筛选工程应用实例融入教学环节,既可以丰富教学内容、培养学生学习兴趣,同时也可以满足专业技能培养过程中从基础到专业的过渡和衔接需要.本文着力于探讨该课程教学中的工程实例筛选问题,以便更好地将理论教学与工程实例相结合,促进教与学的有机衔接,激发学生对课程的兴趣,从而实现良好的教学效果.
关键词理论力学工程实例教与学
1 引言
理论力学在理工科大学本科教育中是一门重要的基础性课程,该课程以中学物理学知识以及大学高等数学为根基,研究物体机械运动的基本规律,作为力学各分支学科的基础,该课程体现较强的综合性、抽象性和基础性[1].该课程以牛顿建立的经典力学为支撑,讨论的问题多是从生活中接触较多的基本工程问题简化而来,因而其中包含的模型结构虽然相对简单,但是种类繁多.
从内容上,理论力学课程主要包含静力学、运动学与动力学三个部分.该课程的授课一般通过建立抽象化的力学模型（如质点、刚体等）,借助经典力学理论对物体的运动规律加以分析.其中,模型的抽象化方便了力学问题的简化,从而可以顺利引入经典力学理论加以分析.但是,抽象化的同时也会带来感性认识的欠缺.由于理工科大学生的能力培养面向的是未来具体工程问题的解决能力,因此过多针对抽象化模型的思考不但不利于学生在理论分析和具体工程实践问题之间建立衔接关系,而且不利于快速找到解决问题的立足点.或者说,具体的工程技术问题采用哪些简化和抽象加以分析才是合理的呢？这个问题需要在专业技能培养过程中给予比较明确的回答.因此,在理论力学教学中恰当引入一些具体工程技术问题的讨论就显得比较重要,否则会与专业基础技能的培养目标产生一定程度的脱节.
2 理论力学教学中反映出的突出问题
无论是中学还是大学,大多数教材的设计都存在应用实例引证方面的欠缺,往往在实例筛选、配图、细节描述等方面存在缺憾.当然,其中不乏有对印刷成本的考量,但是在教材的规划设计方面仍然存在提升的空间.
比较突出的问题表现在以下方面：
（1）习题设计往往更加注重教学要点的体现而与工程应用不完全符合；
（2）配图往往只是示意性给出,缺少工程应用的细节描述；
（3）配图不符合工程图的规范,特别是使用轴测图的情况；
（4）构图比例不符合工程应用的实际原则；
（5）没有对模型的简化做出必要的说明,忽略了理论抽象与工程应用的必要衔接.
这些问题的存在对于教材的权威性是会造成一定的损害.主要表现为：一方面有可能导致学生在感性认识上的欠缺,另一方面也会对给出的应用实例的可信度也造成一定损害.
笔者认为,授课中给予学生的范例应该力求精准,要符合工程实际,而且给出的图示应该符合视觉上的真实感受.如此才能通过视觉代入感的提高引起学生深入问题的兴趣.然而,教材的精炼不是一朝一夕的问题,受高校在读学生总量及各高校教材选择因素的影响,短时间内从教材方面解决问题是不切实际的,因此需要从事授课工作的教师在教学设计方面多下功夫,从而丰富教学课堂,提升授课效果.
3 教学实例筛选与设计要点总结
3.1 符合教学要求,与教学知识点的内涵吻合
例如,桁架结构计算中采用的塔式起重机、桥梁应用实例.该教学环节中,把握桁架中基本单元为二力杆这一简化特征,就可以方便地简化起重机或者桥梁模型加以分析.在桥梁模型中,单个桥跨可以作为一个整体分析,也可以对其中的主要连接结构应用二力杆原理或者截面法分解后逐一计算分析.塔式起重机结构相对简单,分析过程也可以采用单一桥跨模型类似的方法.
3.2 合理简化的模型需要一定的补充说明
仍以二力杆原理为例,抽象的“二力杆”经过合理的简化,一方面忽略了局部细微结构的差异以及个别结构的不对称性,另一方面也忽略了工程应用中的具体技术缺陷,比如焊接残余应力等.在计算分析时,将局部的重力忽略和整体上的自重考量相结合也是合理简化,这样既便于区分外载荷的施加,也方便补充其他符合工程实际的分析条件.这些内容在教学时有必要给学生指出,体现工程问题简化的严谨性,否则有可能导致部分学生在理论问题和工程问题上出现模糊.
3.3 配图尽量采用实拍图片伴随抽象化的模型,并提供足够的工程技术内涵的描述,增强简化模型的可信度
就实验课程的设计而言,主要是通过学生在动手实践的过程中再现经典试验结果,并验证经典理论的过程,也是通过理论学习与实际应用相结合的方式提高学生认识水平的教学方法.与此类似,在理论力学教学过程中,同样需要理论与工程应用的衔接,单是把工程应用案例搬到课堂,或者把课堂搬到工程应用现场都是不切实际的,只能在教学过程中尽量以高可信度的表现形式再现工程应用的现场,从而达到类似实验验证一样的教学效果.笔者认为,最好采用工程现场拍摄图片作为配图,并在图片的基础上抽象出示意图,甚至于可以在原图上直接描述出力学问题的基本要素（图1 所示）.由此可体现出复杂工程问题简化为基本力学问题的过程,对学生分析能力的培养产生积极影响.
至于工程实例包含的技术细节,即使对多数学生来讲难以完全理解,但是对相关问题保留一点概念层面的印象也不无益处.这样一方面,可以培养学生对有关知识的兴趣,激发其深入学习的动力；另一方面,对有关知识点的浅显认识的积累也有利于分析复杂问题时更快找到关键因素或者分析问题的着眼点.
3.4 教学难点的应用实例需要深入挖掘和筛选
理论学习最终要服务于实践.引入工程应用实例不仅要有助于讲清楚知识点,同时还要挖掘该知识点在工程应用上的典型范例,满足学生心理上潜在的实用性需求.
例如,速度瞬心是理论力学课程中运动学章节中刚体平面运动的教学难点,也是教学重点之一.该章节的教学在应用实例上的筛选是有一点难度的.笔者基于个人实践经验提出比较合理、同时也比较一般化的应用实例———轮式机动车辆转弯的瞬心调整原理.图2 所示为笔者教学过程应用的工程案例截图.使用该应用范例时,可以就一个浅显的问题引出讨论,即“同轴的轮对,在转弯时,轮胎中心横截面是否平行转动？”,或者说“在非直线行驶的条件下,同轴轮对的车轮中心横截面是否平行？”,在讨论时,有必要引入前提条件,即车体作为刚体存在,因此正常平面运动时,每一个瞬时只可能存在一个速度瞬心,如此才能保证正常行驶状态,否则车轮之间就会出现协调性问题,无法实现所有轮胎最接近纯滚动状态,因而导致车轮相对地面发生更强烈的滑动摩擦而缩短寿命.
如此设计教学内容,不仅可以提高该部分教学内容的趣味性,而且也可拓展学生的认识面.最重要的是通过这种教学设计可以丰富学生对该知识点的感性认识,明显提高学生对该部分教学内容的理解水平,实现互动的良好教学效果.
4 结语
相比中学物理课程,理论力学课程在难度上有较大跨越,需借助高等数学方法解决复杂的静力学、运动学、动力学等问题.在课程内容上也更接近工程应用实际情况.为达到理想的教学效果,使得学生可以借助更高级的数学方法讨论复杂的工程应用问题,也为学生从容应对未来的工程实践或者研究工作打下基础,合理地筛选工程应用实例辅助教学环节,不但符合从感性上升到理性的一般认知过程,同时也是理工类本科学生知识结构合理化拓展的良好方法,并且该法在教学中也受到了学生的一致认可,在今后的教学中我们将进一步对该教学方法进行改进,让整个课程的理论教学与工程实践结合得更加紧密,从而得到更好的教学效果.
参考文献
[1] 吕茂烈.中国大百科全书74 卷(第一版)力学词条:理论力学[M].北京:中国大百科全书出版社,1987.
[2] 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.
[3] 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.
[4] 闵磊.理论力学教程教学的探讨[J].现代企业教育,2014(10):119.
编辑张效瑞
理论力学论文范文结:
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