工程力学教学

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摘 要：工程力学包括理论力学和材料力学两个部分,是建筑、机械、汽车、航空、材料等专业一门重要的专业基础课,有较强的理论性、系统性.结合工程力学课程特点,提出以启发式教学为指导思想,激发学生学生热情,培养学生科学探究精神,提高学生独立分析解决问题的能力.

关 键 词：工程力学；启发式；教学

【中图分类号】G633.7

1目前存在的问题

一部分学生觉得力学概念、规律较为抽象,理论应用繁杂,感觉困惑与乏味,从而产生排斥感.还有些学生愿意认真学习,但常觉得工程力学的理论难以理解透彻,做题时常常不知如何下手,不理解的知识一但累积,便容易丧失了自信,逐渐产生厌学情绪.在目前工程力学授课内容不变,但课时缩减的趋势下,这种情况更加严重.因此,激发学生的学习兴趣,帮助学生掌握力学思维,培养其思考和解决问题的能力,这需要教师不断与学生沟通来改进和提高教学效果.

2.启发式教学为指导思想

启发式教学是在老师的启发引导下,激发学生思考,产生疑问,并主动获取知识的过程,这是一种古老而常新的教育理念.教学是师生之间信息的传递,美国心理学家罗杰斯认为：“成功的教学依赖于一种真诚的理解和信任的师生关系,依赖于一种和谐的安全的课堂气氛.”教师对教学和学生的热爱,注重学生的课堂情绪,会营造轻松、融洽的氛围.在教学的过程中善于设问,激发学生求知欲,抓住时机启发学生思考,解决问题.启发式教学最忌讳刻板,崇尚因人而异,因势利导,相机点拨.因此,教师要有扎实的专业基础和广博的知识,不仅仅局限于书本,或局限于单一的模式,还要结合自己对教材的理解,通过自己的方式和智慧来讲授工程力学.

3.建立力学模型引发学习兴趣

工程力学研究工程实际中的力学问题.简化工程实际建立力学模型,是工程力学学习的第一步,这也是重要的一步.学生能把力学和生活中看到的、接触到的结构和物体联系起来,工程力学就不再是抽象,而模糊的概念.身边的力学让学生更有兴趣去了解和分析.一般的教材只是在绪论提及力学模型的建立并举一两个例子说明.在授课过程中很多时候都可以先讲力学模型的建立,再讲理论分析,虽然占用些许时间,往往起的效果相当好,可谓磨刀不误砍柴工.

如静力学部分,讲集中力和分布力时,集中力可以看桥面上站着一个人,人对桥的作用力.如果桥面上覆盖着一层雪,那么雪对桥而言就是分布力.虽然只是个简单的概念,通过这样描述就变得具体而轻松,同时学生对分布力的单位也就很自然地理解了.

运动学部分,如果是汽车专业学生,可以选择可以选择缸体、活塞环、曲柄、飞轮组成的机构为研究,简化成力学中的曲柄连杆机构,制作动画视频,把机构运动情况展示出来.学生不仅对力学模型的来源清晰,而且对该机构如何运动产生很浓的兴趣.

教师在教学的过程中可以根据需要穿插建立力学模型的内容,如讲解材料的特性时,教材上通常把材料力学实验中的铸铁和低碳钢作为脆性材料和塑性材料的代表,但这两种材料学生在生活中接触较少,说起来比较抽象.作为补充,可以告诉学生玻璃可以看成脆性材料,橡皮可以看成塑性材料,再描述两种材料的特点就很容易理解.

3工程实例贯穿,明确应用目标

工程力学主要用于解决工程实际的力学问题,本身就是一个发现问题和解决问题的过程.教师在授课的过程中可以举一些工程实例进行说明,这样教学更有说服力,学生会深刻体会到工程力学是门重要的专业基础课,学习好,能为日后专业课的学习打下良好的基础.

2012年8月24日发生的哈尔滨三环路群力高架桥洪湖路上行匝道倾覆事故,是一件举国关注的事故.于是我们在课堂教学中,建立该桥梁力学模型,分析受力.事故中的桥梁发生了倾覆而不是坍塌,这与桥梁的结构及强度有密切的关系,该桥梁属于独墩桥,三辆货车司机,在121.96米的长梁体范围内同时集中靠右侧行驶,按照倾覆力矩的计算,力臂增大,则力矩增大,导致倾覆.学生对桥梁的受力分析明确了,也有了分析工程实际的思路.专家组事故认定后得出结论是司机超载,我们又进行了课堂讨论.学生明白了为什么设计人员没有责任,设计按规范进行,规范是怎样规定,规范对设计的要求和对工程实际的影响.这样让学生对问题有了更加深入的思考.

抓住时机把工程实际贯穿于教学中,不仅能事半功倍,而且培养学生理论联系实际的能力.

4培养工程力学的思维方式

多数教材以介绍原理和概念为主,如何把这些知识点转化为学生的能力,使他们将来在遇到工程问题时能有自己的解题思路和方法,是教师努力的方向.在教学过程中教师应授之以渔,培养学生力学思维.下面介绍工程力学几种常用的思维方式.

1）等效性原则,抓住问题本质,用等效原则简化复杂问题.力的平行四边形法则、力线平移定理应用了作用等效原则.动能定理遵循了过程等效原则,静力学的平衡方程可以采用一矩式、二矩式或三矩式,遵循了表述等效的原则.等效原则终贯穿于工程力学.

2）近似计算,在工程力学应用相当广泛.在计算桁架节点位移时,通常可以按结构原有的几何形状和尺寸计算约束反力和内力,并采用切线法代替圆弧法近似地确定节点位移.通过这样的两次近似方法,结果不仅能满足工程的精度要求,分析和计算过程也大为简化.计算挤压应力时,当构件挤压时接触面是半圆柱型表面时,压应力非均匀分布,近似地采用其对应的直径平面作为挤压面,挤压应力在计算挤压面上均匀分布.这些近似计算在工程力学中很常见,其简便和快速计算不仅满足工程实际需要也符合工程中考虑主要因素的要求.

3）逆向思维,突破常规思路,采用非常规的方法解决问题.如工程力学中的达朗贝尔原理把动力学的问题用静力学方法来解决.虚位移原理则是用动力学的方法解决静力学问题.学生通过学习能不断地活跃思维,开拓思路.

4）形象思维,这是工程力学求内力时常常出现的思维方式.比如求桁架内力采用的截面法就是假想截断桁架,将桁架一分为二,要保持原有的状态,截断处用杆件内力来替代.

工程力学思维并不局限与上述几种,同一问题,可以有多种解决思路,教师可以引导学生多思考,不断总结经验.

5教学方法

工程力学课时较少,但内容还是比较多.采用一定的方法帮助学生掌握知识点,对于他们增强信心,提高学习积极性非常必要.

形象记忆法

归纳法

用于记忆解题方法和判断内力的符号有很好的教学效果.用截面法求解杆件内力：将杆件假想地切开,取切开后任一杆段为研究对象,用平衡条件由外力确定内力,可以归纳成一切二取三平衡；又如,弯矩计算,通过平衡方程求解弯矩,可以归纳得到当外力向上时引起正弯矩,反之为负弯矩.这些归纳结果可以帮助学生加强记忆.

3.比较法（对比法）

教学中适当应用上述方法,可以帮助学生提高学习效果.

6结语

工程力学教学过程强调教师与学生的互动,教无定法,教师根据学生的学习情况,不断调整教案,提高教学效果.同时,学生的疑问和思路反过来也能启发教师.以上是工程力学教学中的一点体会,以供探讨.