理论力学教学中运用案例分析传递工程思维的方法探究

2020-07-03 416 上传者：管理员

摘要：高等院校分类建设推动了一批高水平应用型院校的发展。理论力学作为机械工程、土木建筑、汽车工程等诸多专业本科生必修的专业基础课，在课程体系中占有重要位置。但理论力学理论推导多、概念抽象等学科特点，学生普遍对理论力学的学习积极性不够。本文分析存在的问题及主要措施，并重点介绍通过案例分析挖掘其中蕴含的工程设计方法和思想，并传递给学生。同时进一步加强例题与工程实际的联系，搭建知识与应用之间的桥梁。提高学生对理论力学学习的积极性，培养工程思维能力，从而在走上工作岗位后将知识运用于工程实际。

关键词：
学习积极性
工程力学
工程实际
工程思维
案例
理论力学
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目前，我国高等教育入学率显著提升，实现普及化。2015年，安徽省为推进高校分类建设出台相关政策，部分高校明确定位为地方应用型高水平大学，培养应用型人才。理论力学作为机械工程、土木建筑、汽车工程等诸多专业本科生必修的专业基础课，在这些专业的知识体系中占有重要的作用。

1、存在的主要问题及应对措施

一方面，由于理论力学部分内容看似与所学物理中力学部分重合，让学生初期对课程产生轻视的想法，后期听不懂后又放弃学习。但实际从理论深度、应用的工具和解决问题的方法上都有较大差异，需要同学高度重视。此外，理论力学的课程特点决定了其概念抽象、过程推导多，逻辑性强且需要较好的数学基础，应用型本科院校的学生基础相对薄弱，加上学时的缩减，学生学习兴趣不高，不及格比例偏高。

针对这些问题，可以通过多种措施进行解决，如：（1）应用数学和力学软件工具，直观的解决一些具体的问题，使得学生更有成就感从而提高学习的主动性和学习效果；（2）通过案例的分析，尝试在教学内容上进一步加强实际工程问题与理论力学的联系，传递数学模型与工程实际的联系，同时传递应用工程思维解决实际问题方法和过程；（3）通过实际工程问题的背景介绍，加强学生对工程实际问题转化为力学模型过程的直观认识，提升学习积极性、知识掌握程度及运用能力等。

2、案例分析传递工程思维

案例分析法具有生动、直观的特点，更容易为学生所接受，从而提高分析和解决问题的能力。塔科马大桥的破坏是力学、土建工程等学科中经典的案例，其中蕴含着丰富的工程思维，通过对该案例分析，介绍工程设计方法与思维。

图1塔科马大桥

塔科马大桥破坏过破坏的情况如图1所示。这样钢筋混凝土结构的桥梁在通车仅仅4个月零6天后破坏，下面来分析其破坏原因及整个案例蕴含的工程思维。

(1）设计方案。大桥在设计阶段有两种方案，如图2所示。缩小模型如图3。方案1由克拉克·埃德里奇提出，使用7.6m的格状桁架梁；方案2由莱昂·莫伊塞夫（金门大桥设计师）提出，用2.4米的普通钢梁代替原计划中7.6m的桁架梁。对比两种方案，方案1的风可以直接通过桁架，方案2则对风产生阻挡，分流到桥面上下。方案2的大桥更加纤细美观，且造价从1000万美元减至640万美元。由此可见，在大桥的设计过程中有多个方案进行优选，桁架梁结构可以是风通过，设计过程中考虑风载，也是其力学特性的一种。此外，成本和美观也是设计过程中要考虑的重要因素。如表1所示，塔科马大桥主跨长853.4米，桥宽11.9米，跨宽比为1:72，通过类比可以看到其比同时期的其他大桥的跨宽边要小很多，设计的合理性存疑。

图2两种风载差异

图3大桥缩小模型研究

表1同时期大桥跨宽比表

(2）相关处理和分析方法。原本大桥设计的抗风能力达到120英里/小时，破坏时风速42英里/小时。但是在大桥吊装合拢完成后，只要有4英里/小时的大桥主跨会有小幅度起伏。针对问题，工程人员尝试加液压缓冲装置减低波动，华盛顿大学法库哈逊教授分别用8英尺和54英尺的缩小模型进行了研究，但没有解决问题。缩小模型研究法也是工程中常用的方法之一，在汽车、航空航天等领域广泛采用。

(3）涡街现象的发现。塔科马海峡大桥的坍塌引发了全世界科学家对风振问题的研究，促成桥梁风工程等各种新学科的建立。学者卡门经过计算和实验，发现了自然界广泛存在的涡街现象，如在水流中插一根木桩，在特定条件下木桩下游的两侧，会产生两道非对称排列的旋涡如图4所示。

图4涡街现象的表现形式

卡门涡街是有规律的周期性现象，漩涡的形成和侧向力的作用具有一定频率。塔科马大桥本身有自己的频率。当两个频率接近的时候便会发生共振，造成大桥破坏。塔科马大桥的设计者莫伊塞夫参与了20世纪20～30年代几乎所有大型悬索桥的设计中，包括金门大桥和曼哈顿大桥，是当时桥梁设计方面的名符其实的权威专家，所以，工程研究和实践需要在扎实和广泛的理论基础上进行独立思考。

3、结语

本文针对应用型本科院校理论力学力学教学中存在的主要问题及主要措施进行了分析，并重点介绍通过案例分析挖掘其中蕴含的工程设计方法和思想，并传递给学生。以塔科马大桥破坏为例，挖掘蕴含的工程思维如载荷、成本和美观是设计方案优选中经常要考虑的因素，类比、缩小模型分析等工程方法，还有批判思维、独立思考、注意反常现象等工程思维。通过生动的案例分析，进一步加强教学与工程实际的联系，提高学生的学习兴趣，搭建知识与应用之间的桥梁。提高学生对理论力学学习的积极性，培养工程思维能力，从而在走上工作岗位后将知识运用于工程实际。

参考文献：

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