单位文秘网 2021-07-28 08:09:04 点击: 次
组织上相对简单,往往就事论事,缺乏力学理论应具备的一般性和普适性,无法满足解决军事工程领域诸多问题的实际需要。另外,学生力学能力素养存在差异,有限的学时内难以协调未学与已学之间的关系。为此,设计并采用面向理论框架构建的教学法,通过厚壁圆筒理论说明之。
如图2所示,炮身部分应力-应变分析模块以厚壁圆筒理论为基础[1-2],该“理论”是材料力学课程的内容,在高年级学生的专业理论课程中将其“回锅”不合时宜,而且该“理论”是为了解决具备厚壁圆筒特征的一类特定问题而提出的,适用面窄,解决其他弹性力学问题时无能为力。
厚壁圆筒问题本质是一个弹性力学问题,弹性力学相比厚壁圆筒理论更具一般性和普遍意义。弹性力学的基本问题是要得到“在力和位移作用下任意变形体的响应”,包括变形后物体的位置、受力状态以及形状三个方面的问题[3],这其实就是弹性力学的基本理论框架,所有内容都是为了回答这三个问题。对应清晰的理论框架,弹性力学也有非常规范的数学描述,即“位移、应力、应变三类变量,平衡、几何、物理三类方程以及力和位移两类边界条件”,这其实是炮身设计理论更是厚壁圆筒理论的力学底层原理。考虑到学时限制,课堂教学中重理论框架固化和基本概念深入理解,轻推导演绎过程,它是数学类课程关注的能力培养点。通过该教学法的实践,引导学生从更高视角审视和学习相关理论,由知识传授向能力培养转变。
3 面向力学原理延伸的教学法设计
本课程内容是火炮装备设计过程中普遍适用或需要遵循的一般规律,同时,这些普适原理又是以力学原理或理论为基础。由于源于苏联教科书的国内教材在一些内容的描述上与力学基础课程中学过的内容存在差异,甚至因此模糊此前已经清晰的认识。为此,设计并采用面向力学原理延伸的教学法,回归支撑课程内容的力学原理本质。通过实例说明之。
弹簧是火炮装备中普遍采用的储能和驱动元件,为了研究构件工作时的运动规律,“构件在弹簧作用下的运动”是基本教学内容。如图3和4所示,国内教材区分弹簧伸张和压缩两种情况,但使用形式上统一的方程描述:
这种处理方法本质上正确,但在实际应用时存在以下缺点:(1)x正方向需要选定为构件运动方向;(2)x原点没有选定为弹簧静平衡位置;(3)得到方程的牛顿定律或动静法应用于多自由度情况时存在非常大的局限性,而火炮实际结构中普遍存在多自由度情况。(4)人为增加了繁琐度,“费力不讨好”,其本质是机械振动[4]中“单自由度自由振动”内容。
为了建立构件运动微分方程,学生首先想到牛顿第二定律,这符合人的思维习惯。通过设定两自由度、三自由度直至更多自由度情况,让学生深切感受到使用牛顿定律的局限性,适时引出拉格朗日方程,并通过实例阐明其具体应用以及相比牛顿定律的明显优势。在此基础上,通过“如果自由度数目进一步增加,动能和势能项数目急剧扩张,求导工作量庞大,系统动力学方程推导过程繁琐枯燥且容易出錯怎么办?”问题的设置,引导学生主动思考并形成“思维迷局”,引出多体系统动力学这一新兴力学分支,通过简单实例向学生阐明这种方法为复杂动力学系统分析提供了新的解决途径。
4 结束语
针对《火炮设计理论》课程建设中存在的一些问题,以炮身、自动机等内容为例,阐述了在教学法设计方面所做的一些探索,积累的一些经验。通过这些教学法的实践,学生普遍认为“澄清了很多以前的模糊认识,力学基本功有了明显提高”,说明收到了一定成效,课堂教学由知识传授向能力提升转变,真正达到了原理类课程触类旁通、举一反三的教学目的。教学改革研究永无止境,教学质量提高永无上限,希望引起更多同行共鸣,以期达到本文投砾引珠的效果。
【参考文献】
[1]张相炎,郑建国,杨军荣.火炮设计理论[M].北京:北京理工大学出版社,2005.
[2]张相炎,郑建国,袁人枢.火炮设计理论[M].北京:北京理工大学出版社,2014.
[3]曾攀.有限元分析及应用[M].北京:清华大学出版社,2004.
[4]倪振华.振动力学[M].西安:西安交通大学出版社,1989.
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