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面向轮机工程专业的“理论力学”课程教学改革

2024-03-06 24 上传者：管理员

摘要：针对“理论力学”课程与轮机工程专业结合度低，教材知识点与中学力学、“大学物理”课程重复，学生学习积极性不高等问题，文章通过深入分析中国海洋大学轮机工程专业培养计划、专业需求和学生自身情况，提出了一种面向轮机工程专业的“理论力学”教学方案，即将理论知识与专业实际应用有机结合，并提炼重要知识点，提高学生的学习质量，为“理论力学”课程改革提供了一种思路。

关键词：
“材料力学”
“理论力学”课程
改革
教学方法
轮机工程专业
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一、引言

“理论力学”是轮机工程专业一门重要的专业基础课，具有知识点抽象、内在联系紧密、理论性强的特点，要求学生熟练掌握教材中的定理定律、理解其原理在工程上的应用，以及能够运用所学知识解决实际工程问题[1]。在中国海洋大学轮机工程专业的培养方案中，“理论力学”是本科生第一门专业必修课，共48学时，3学分，该课程是后续学习“材料力学”等力学课程和“机械设计原理”“柴油发电机”“船舶辅机”等专业课程的基础。然而，目前该课程存在教学实例多为土木工程、机械工程方向的工程应用，与轮机工程专业实际案例结合较少，与后续专业课程联系不够紧密，教学内容与中学力学、“大学物理”课程存在重合，定理公式复杂化，学习重点区别不清，学生主动学习的兴趣不高等问题[2]。因此，如何解决上述问题，提高教学质量，开展面向轮机工程专业的“理论力学”课程教学改革研究是当务之急。

二、“理论力学”课程教学存在的问题

（一）所用教材与轮机工程专业联系不够紧密

“理论力学”是轮机工程专业的专业基础课。目前，中国海洋大学轮机工程专业所选用的教材为哈尔滨工业大学理论力学教研室编纂的第八版《理论力学》。该教材主要围绕牛顿第二定律，从静力学、运动学、动力学3个方面对刚体、质点、质点系开展古典力学研究。教材中所涉及的计算案例多为土木工程、机械工程方向的工程应用，几乎没有涉及轮机工程专业背景，与后续专业课程联系不够紧密[3]。

（二）主要教学内容与轮机工程专业需求存在偏差

目前，“理论力学”课程主要教学内容的编排没有考虑轮机工程专业的需求，对学生应掌握的知识点没有做到重点介绍。例如，静力学部分，对于轮机工程专业学生来说，应重点讲解轴承、铰链间的受力分析和静力学平衡问题，对于桁架结构、约束力与反约束力可以略讲；运动学部分，轮机工程专业学生应注重专业工程应用。

（三）教材中对基础知识、难点、要点区分度较低

教材在静力学、运动学和动力学3个方面均采用由浅入深、层次递进的方法进行编排，3个内容间又利用牛顿第二定律有机关联在一起，编排结构层次有序[4]。但教材忽略了与高中物理基础相结合，使得教材内容与学生高中所学知识重叠较多，没有凸显出理论力学的要点；另外，教材中过分强调定理的微分形式，将简单关系复杂化，增加了学习的难度，不利于学生对知识点的掌握。

（四）教学手段单一，学生学习积极性不高

“理论力学”是一门纯理论课程，公式定理较多，且缺少实验教学环节，教师在教学过程中，基本采用“板书+多媒体课件”的教学手段进行讲授，学生参与度低，学习积极性差，教学效果不佳[5]。因此，如何丰富教学手段，提高学生学习积极性是教学方法改革的目标之一。

三、教学方案分析及改革思路

以中国海洋大学轮机工程专业“理论力学”课程教学为例，基于本专业培养计划、专业需求下的教学方案分析如下。

1.培养计划：轮机工程专业属于船舶与海洋工程学科下的二级学科，主要培养船舶生活和工作所用的各类机电设备和动力装置的应用及设计专业人才，轮机工程专业培养计划包含“大学物理”课程。该课程授课时间为大一的2个学期，而“理论力学”课程的授课时间在大一的下学期。“大学物理”课程授课内容与“理论力学”课程授课内容存在部分重复，且“大学物理”课程授课在前，“理论力学”课程授课在后。

2.专业需求：轮机工程专业根据学生的培养方向可分为海上应用型轮机工程和陆上设计型轮机工程，学校轮机工程专业属于陆上设计型专业，因此，专业需求上在充分参考《中华人民共和国海船船员适任评估大纲和规范》和《STCW公约马尼拉修正案》对专业人才的要求以外[6]，更应注重对学生在机电设备及动力装置的设计思路和方法上的培养。

基于以上分析，制定中国海洋大学轮机工程专业“理论力学”课程教学方案，如表1所示。

表1中国海洋大学轮机工程专业“理论力学”课程教学方案改革

基于目前的培养计划，上述授课内容中部分知识点与中学力学和“大学物理”课程内容存在重复，其中，与中学力学教学内容相重合的部分有：静力学公理和物体的受力分析、摩擦、质点运动学基本方程、动能定理等；与“大学物理”课程授课内容相重合的部分有：点的运动学、刚体的简单运动、点的合成运动、质点运动学基本方程、动能定理、动量矩定理等。

一方面，考虑到中学力学、“大学物理”课程均以理论教学为主，存在缺少专业应用案例分析研究的教学缺陷；另一方面，中国海洋大学为“双一流”建设高校，学生高考成绩普遍较高，中学力学基础相对比较牢固，多数学生具有较好的学习能力和自律能力。因此，对于与中学力学教学内容和“大学物理”课程授课内容相重合的部分，可结合船舶柴油机/辅机拆装实习及各设备构件的工作原理等实际专业应用问题，构建贴合轮机工程专业的模块化教学案例，将理论知识与专业应用有机结合起来，进行有针对性的应用教学。该方案的实施既能加深学生对理论知识的掌握，又能使学生学习到本专业机电设备及动能装置等设备部件工作原理中的力学知识的实际应用，增强了学生的学习兴趣，加深了学生对本专业的认识，有利于后期诸多专业课程的学习。

对于平面力系、空间力系、刚体的平面运动等新知识点，则可列入学习重点，既要采用适当的教学手段对理论知识进行重点讲解，也要注重理论与专业应用案例的有机结合，构建出相应的模块化专业教学案例。

四、多元教学手段改革方案构建

针对“理论力学”课程教学中凸显的教学手段单一问题，文章结合本专业的专业特色和融媒体技术，面向轮机工程专业“理论力学”课程教学手段的改革，从模块化专业案例的构建和“课中+课间+课后”沉浸式教学手段出发，制定符合专业、学生实际需求的系统性教学模式。

（一）模块化教学案例构建

模块化教学案例是指将一个本专业实际应用案例分解为若干个子模块，每个模块针对一个授课内容，各模块可独立建立针对性的教学案例，也可相互组合，建立相应的综合应用教学案例，所有的模块按照一个特殊的逻辑关系组合为一个整体，即为一个专业综合应用问题，如图1所示。

图1模块化教学案例构建示意图

基于上述理论，可构建轮机工程专业模块化教学案例。文章以船舶主机曲柄连杆活塞机构专业实际应用案例构建模块化教学案例为例展开说明。

专业实际应用案例：如图2所示是船舶二冲程十字头式柴油机的曲柄连杆机构。该机构工作原理为气缸内油气燃烧，在气缸中产生高气压，推动活塞向下运动，经连杆机构带动曲轴转动，活塞上行压缩气缸油气，压燃油气，再次产生高气压，推动活塞下行。该实际应用案例可分解为静力学教学案例模块、运动学教学案例模块和动力学教学案例模块，也可以牛顿第二定律为逻辑关系，构建综合应用问题。

图2船舶二冲程十字头式柴油机的曲柄连杆机构

静力学教学案例：船舶启动前需要进行柴油机盘机操作，已知各构件为均质刚体，并给出各构件的重力和气缸内气压及活塞顶的表面积，试求至少要在O轴加多大的力矩，才能实现盘车操作。该题的求解过程采用了平面受力分析和平衡力系下力与力矩的平衡方程等知识点，通过分析机构受力情况，确定未知约束，建立力矩、力矢平衡方程，求解所有力矩。

运动学教学案例：船舶主机在正常运行过程中，已知活塞从上止点向下运动时的速度和加速度，给出连杆AB的长和曲轴AO间距离，求当AO处于水平时，曲轴角速度和角加速度。在该案例求解过程中，可用到刚体的平面运动和点的复杂运动知识，须以BC固连动系，以A为动点进行求解，求出A点的运动方程，再以O为基点，以A的运动关系，求解曲轴O的角速度和角加速度。

动力学教学案例：在船舶曲轴连杆活塞机构中，连杆AB、BC为均值杆，已知杆AB、BC的质量和活塞的质量，给出活塞的运动方程，忽略摩擦，求活塞连杆机构在任意时刻的动量及动量矩。该案例的求解过程用到了动量定理和动量矩定理。将活塞连杆机构看成一个由3个质点组成的质点系，分别求解，最后再求质点系的动量及动量矩。

综合应用教学案例：船舶主机停机工况中，已知曲轴O中的运动方程、连杆BC的长度、活塞的重量，忽略摩擦，已知活塞在图2时刻停止运动，求此刻活塞所受来自气缸的压力。该案例的求解用到了静力学力的平衡关系、运动学点的复杂运动和刚体的平面运动及动力学质点的动力学基本方程。根据曲轴O的运动方程求解A点的运动方程，再以A为基点求B点的运动方程，运用动力学基本方程求解活塞所受的附加动约束力，最后运用静力学力的平衡关系，求出活塞所受的压力。

（二）“课中+课间+课后”沉浸式教学手段构建

图3为“课中+课间+课后”沉浸式教学手段结构。教学手段在常规的“板书+PPT”之外，添加了微信公众号和播放本专业背景的相关视频教学方式。课中采用“板书+PPT”的形式，重点讲解理论知识和模块化教学案例，将理论与专业实际应用结合起来，增强学生的学习兴趣；课间播放本专业相关视频，如大国重器纪录片、轮机设备机构工作原理动画等，拓展学生的专业知识面，了解本专业的科技前沿，劳逸结合，增强学生学习的积极性；课后通过建立“海大轮机理论力学”微信公众号，日常撰写章节重点知识归纳、文章和课后题答案解析，使学生在课后能够随时随地进行学习和思考，巩固所学知识点。

图3“课中+课间+课后”沉浸式教学手段结构

五、结束语

“理论力学”是以牛顿第二定律为中心，从静力学、运动学和动力学3个方面对轮机设备构建进行受力、运动规律和动力分析的课程，是本专业重要的专业基础课。文章通过分析目前在“理论力学”课程教学中发现的4个问题，结合对中国海洋大学轮机工程专业和学生自身情况的深入分析，提出了适用于轮机工程专业的“理论力学”课程教学方案和教学手段，以增强理论知识与专业实际应用之间的关联性，增强学生的学习兴趣。该方案的有效实施改善了本专业“理论力学”课程的教学效果，并为各专业“理论力学”课程的教学改革提供了一种思路。

参考文献:

[1]高忠虎,王晓琴,吴云,等.基于学习通和雨课堂的混合式教学研究:以理论力学课程为例[J].中国现代教育装备,2023(5):67-69;75.

[2]胡绪照,王玉勤,陈宇.应用型本科院校理论力学课程教学探讨[J].黑龙江教育(理论与实践),2019,73(6):71-72.

[3]冯昭君.土木工程专业理论力学线下教学改革探索研究[J].四川文理学院学报,2022,32(2):89-93.

[4]罗国宇.基于核心公式诱导思维的理论力学知识网络图构建与应用[J].高教学刊,2023,9(7):86-91;95.

[5]邹君,解江.理论力学混合式教学改革与实践[J].大学教育,2023(4):66-68.

[6]李明智,隋江华,于功志,等.面向轮机类专业的“轮机工程力学”教学实例模块改革研究[J].西部素质教育,2017,3(18):202-203.

基金资助:2022年中国海洋大学本科教育教学研究一般项目“面向轮机专业的‘理论力学’教学方法改革研究”(2022JY099);

文章来源:邱爰超,田哲,谢迎春.面向轮机工程专业的“理论力学”课程教学改革[J].黑龙江教育(理论与实践),2024(03):33-35.