学以致用理论联系实际——-工程力学教学新模式初探

    0 引言

    工程力学在石油工程、地质勘探、机械工程、汽车工程、航海、航空、航天、水利和土木建筑等领域有着广泛的应用，是上述工科专业本科学生所必修的一门专业基础课。工程力学涉及到了严格数学推导和大量的物理概念，对于训练学生的逻辑推理能力和工程结构建模能力有至关重要的影响。很难想象，如果没有经过工程力学的严格训练，一个本科生如何能够全面掌握本学科的知识。

    目前的工程力学教材实际上包括理论力学和材料力学两个部分[1]，包含了静力学、运动学、力学、材料的强度理论等内容，所以涉及到的知识量非常大。随着各个学科的发展，专业分得越来越细，学科内容越来越庞大，然而当前的工程力学教学的篇幅已被大大压缩。同时，先进工程技术和前沿交叉学科的飞速发展，要求学生在掌握本学科经典的基本概念、理论和知识的础上，还要求对力学中涌现的新技术，新思路有所了解，这对工程力学教学提出了新的挑战。

    但是根据目前该课程授课的反馈意见，发现大部分学生并没有浓厚的兴趣，同时运用力学手段解决实际问题的能力也比较薄弱，因而它被普遍认为是难度很大的一门课程。因此，如何在有限的学时内，进一步提高教学质量，激发学生的兴趣，同时增强学生解决工程实际问题的能力和创新能力，是当前工程力学教学需要探讨的一个重要命题。本文将探讨新形势下工程力学教学的新模式，即如何能够在授课过程中做到学以致用，理论联系实际。因此，本文列举了机械、航天和新材料等领域中力学应用的工程实例，并提出了应该在教学中加强力学实验和计算机软件方面的训练。

    1 教学新模式

    展示工程实际中力学的应用实例：

    将力学应用于工程技术，从工程技术中提练出力学模型，由力学理论研究这些力学模型，并应用于解决工程技术中的问题，这一学术思想来源于近代哥廷根大学应用力学学派[2]，推动了现代工程技术的飞速发展。工程力学也延续了此学派的思想，其授课内容涉及到大量来源于工程实际的力学模型。力学脱离了工程实际，将成为空中楼阁。但目前教科书中的很多力学模型相对于刚上大学二年级的学生而言比较陌生，因此使他们感到抽象。如果讲课过程继续照本宣科，学生学习起来会感觉到枯燥无味而失去兴趣，从而无法积极地掌握本课程的知识，也达不到预期的教学效果。

    针对上述情况，于工程力学的教师而言，必须着眼于将力学知识讲活，采取灵活多变的授课方式。例如，在课堂上应充分利用多媒体课件辅助课堂讲授内容就是一种行之有效的手段。通过多媒体中真实的图片和动画，可以向学生形象地展示涉及到的力学模型的工程应用背景和工作原理。实际上教材中运动学部分最常见的曲柄连杆机构，是空气压缩机或者往复式水泵等的力学模型。这些机器的工作原理很简单，即电动机带动曲轴旋转，通过曲柄连杆机构转化为活塞在气缸内作往复运动，从而可以使空气压缩机实现排气吸气的过程，或者使往复式水泵实现排液和吸液的过程。这种机构运动的逆过程，也是蒸汽机，内燃机，发动机等的力学模型。在这类机械中，高压蒸汽或者燃烧气体推动活塞往复运动，活塞运动通过曲柄连杆结构转化为曲轴的旋转运动，将热能转化为机械能。而曲柄摇杆机构主也是抽油机、雷达天线的俯仰机构和缝纫机踏板等设备的主要构件。抽油机的工作原理可以解释为电动机减速器带动曲柄旋转，曲柄通过连杆带动游梁摆动，如图1所示。教材中也经常提到的导杆机构则经常用于牛头刨床的急回机构。还有许多其它的力学模型，例如，塔吊模型、插齿机的传动机构、行星轮机构、柱塞泵和活塞泵机构等。在讲到连续梁模型的时候，可以适当联系到房屋、桥梁等结构模型。而讲述动量矩的时候，可以讲述瓦特发明的调速器模型的工作原理。通过理论联系工程实际，可以使学生了解这些力学模型的重要的应用背景，从而进一步激发他们学习的兴趣，使他们感到学到的知识是有用的。通过这些工程实例的剖析，还能使学生体会到如何将一个具体的工程实际问题简化为一个力学模型，从而使他们提高分析和解决实际问题的能力。