收稿日期：2023-06-20" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 修回日期：2023-09-05

作者簡(jiǎn)介：邱爰超，男，講師，博士，研究方向?yàn)榇靶履茉窗l(fā)電技術(shù)；田哲，男，副教授，博士，研究方向?yàn)楹９ぱb備結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性；謝迎春，女，教授，博士，研究方向?yàn)楹Ｑ笃脚_(tái)環(huán)境適應(yīng)性。

基金項(xiàng)目：2022年中國(guó)海洋大學(xué)本科教育教學(xué)研究一般項(xiàng)目“面向輪機(jī)專業(yè)的‘理論力學(xué)’教學(xué)方法改革研究”（2022

JY099）

摘" " 要：針對(duì)“理論力學(xué)”課程與輪機(jī)工程專業(yè)結(jié)合度低，教材知識(shí)點(diǎn)與中學(xué)力學(xué)、“大學(xué)物理”課程重復(fù)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問題，文章通過深入分析中國(guó)海洋大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃、專業(yè)需求和學(xué)生自身情況，提出了一種面向輪機(jī)工程專業(yè)的“理論力學(xué)”教學(xué)方案，即將理論知識(shí)與專業(yè)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，并提煉重要知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，為“理論力學(xué)”課程改革提供了一種思路。

關(guān)鍵詞：“理論力學(xué)”課程；輪機(jī)工程專業(yè)；教學(xué)方法；改革

中圖分類號(hào)：G642" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1002-4107（2024）03-0033-03

一、引言

“理論力學(xué)”是輪機(jī)工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)

課，具有知識(shí)點(diǎn)抽象、內(nèi)在聯(lián)系緊密、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，要求學(xué)生熟練掌握教材中的定理定律、理解其原理在工程上的應(yīng)用，以及能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題[1]。在中國(guó)海洋大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，“理論力學(xué)”是本科生第一門專業(yè)必修課，共48學(xué)時(shí)，3學(xué)分，該課程是后續(xù)學(xué)習(xí)“材料力學(xué)”等力學(xué)課程和“機(jī)械設(shè)計(jì)原理”“柴油發(fā)電機(jī)”“船舶輔機(jī)”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。然而，目前該課程存在教學(xué)實(shí)例多為土木工程、機(jī)械工程方向的工程應(yīng)用，與輪機(jī)工程專業(yè)實(shí)際案例結(jié)合較少，與后續(xù)專業(yè)課程聯(lián)系不夠緊密，教學(xué)內(nèi)容與中學(xué)力學(xué)、“大學(xué)物理”課程存在重合，定理公式復(fù)雜化，學(xué)習(xí)重點(diǎn)區(qū)別不清，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣不高等問題[2]。因此，如何解決上述問題，提高教學(xué)質(zhì)量，開展面向輪機(jī)工程專業(yè)的“理論力學(xué)”課程教學(xué)改革研究是當(dāng)務(wù)之急。

二、“理論力學(xué)”課程教學(xué)存在的問題

（一）所用教材與輪機(jī)工程專業(yè)聯(lián)系不夠緊密

“理論力學(xué)”是輪機(jī)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。目前，中國(guó)海洋大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)所選用的教材為哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編纂的第八版《理論力學(xué)》。該教材主要圍繞牛頓第二定律，從靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)3個(gè)方面對(duì)剛體、質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系開展古典力學(xué)研究。教材中所涉及的計(jì)算案例多為土木工程、機(jī)械工程方向的工程應(yīng)用，幾乎沒有涉及輪機(jī)工程專業(yè)背景，與后續(xù)專業(yè)課程聯(lián)系不夠緊密[3]。

（二）主要教學(xué)內(nèi)容與輪機(jī)工程專業(yè)需求存在偏差

目前，“理論力學(xué)”課程主要教學(xué)內(nèi)容的編排沒有考

慮輪機(jī)工程專業(yè)的需求，對(duì)學(xué)生應(yīng)掌握的知識(shí)點(diǎn)沒有做到重點(diǎn)介紹。例如，靜力學(xué)部分，對(duì)于輪機(jī)工程專業(yè)學(xué)生來說，應(yīng)重點(diǎn)講解軸承、鉸鏈間的受力分析和靜力學(xué)平衡問題，對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)、約束力與反約束力可以略講；運(yùn)動(dòng)學(xué)部分，輪機(jī)工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)注重專業(yè)工程應(yīng)用。

（三）教材中對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、難點(diǎn)、要點(diǎn)區(qū)分度較低

教材在靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)3個(gè)方面均采用由淺入深、層次遞進(jìn)的方法進(jìn)行編排，3個(gè)內(nèi)容間又利用牛頓第二定律有機(jī)關(guān)聯(lián)在一起，編排結(jié)構(gòu)層次有序[4]。但教材忽略了與高中物理基礎(chǔ)相結(jié)合，使得教材內(nèi)容與學(xué)生高中所學(xué)知識(shí)重疊較多，沒有凸顯出理論力學(xué)的要點(diǎn)；另外，教材中過分強(qiáng)調(diào)定理的微分形式，將簡(jiǎn)單關(guān)系復(fù)雜化，增加了學(xué)習(xí)的難度，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。

（四）教學(xué)手段單一，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

“理論力學(xué)”是一門純理論課程，公式定理較多，且缺少實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，教師在教學(xué)過程中，基本采用“板書+多媒體課件”的教學(xué)手段進(jìn)行講授，學(xué)生參與度低，學(xué)習(xí)積極性差，教學(xué)效果不佳[5]。因此，如何豐富教學(xué)手段，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性是教學(xué)方法改革的目標(biāo)之一。

三、教學(xué)方案分析及改革思路

以中國(guó)海洋大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)“理論力學(xué)”課程教學(xué)為例，基于本專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃、專業(yè)需求下的教學(xué)方案分析如下。

1.培養(yǎng)計(jì)劃：輪機(jī)工程專業(yè)屬于船舶與海洋工程學(xué)科下的二級(jí)學(xué)科，主要培養(yǎng)船舶生活和工作所用的各類機(jī)電設(shè)備和動(dòng)力裝置的應(yīng)用及設(shè)計(jì)專業(yè)人才，輪機(jī)工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃包含“大學(xué)物理”課程。該課程授課時(shí)間為大一的2個(gè)學(xué)期，而“理論力學(xué)”課程的授課時(shí)間在大一的下學(xué)期。“大學(xué)物理”課程授課內(nèi)容與“理論力學(xué)”課程授課內(nèi)容存在部分重復(fù)，且“大學(xué)物理”課程授課在前，“理論力學(xué)”課程授課在后。

2.專業(yè)需求：輪機(jī)工程專業(yè)根據(jù)學(xué)生的培養(yǎng)方向可分為海上應(yīng)用型輪機(jī)工程和陸上設(shè)計(jì)型輪機(jī)工程，學(xué)校輪機(jī)工程專業(yè)屬于陸上設(shè)計(jì)型專業(yè)，因此，專業(yè)需求上在充分參考《中華人民共和國(guó)海船船員適任評(píng)估大綱和規(guī)范》和《STCW公約馬尼拉修正案》對(duì)專業(yè)人才的要求以外[6]，更應(yīng)注重對(duì)學(xué)生在機(jī)電設(shè)備及動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)思路和方法上的培養(yǎng)。

基于以上分析，制定中國(guó)海洋大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)“理論力學(xué)”課程教學(xué)方案，如表1所示。

基于目前的培養(yǎng)計(jì)劃，上述授課內(nèi)容中部分知識(shí)點(diǎn)與中學(xué)力學(xué)和“大學(xué)物理”課程內(nèi)容存在重復(fù)，其中，與中學(xué)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容相重合的部分有：靜力學(xué)公理和物體的受力分析、摩擦、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)基本方程、動(dòng)能定理等；與“大學(xué)物理”課程授課內(nèi)容相重合的部分有：點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、剛體的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)基本方程、動(dòng)能定理、動(dòng)量矩定理等。

一方面，考慮到中學(xué)力學(xué)、“大學(xué)物理”課程均以理論教學(xué)為主，存在缺少專業(yè)應(yīng)用案例分析研究的教學(xué)缺陷；另一方面，中國(guó)海洋大學(xué)為“雙一流”建設(shè)高校，學(xué)生高考成績(jī)普遍較高，中學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)比較牢固，多數(shù)學(xué)生具有較好的學(xué)習(xí)能力和自律能力。因此，對(duì)于與中學(xué)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容和“大學(xué)物理”課程授課內(nèi)容相重合的部分，可結(jié)合船舶柴油機(jī)/輔機(jī)拆裝實(shí)習(xí)及各設(shè)備構(gòu)件的工作原理等實(shí)際專業(yè)應(yīng)用問題，構(gòu)建貼合輪機(jī)工程專業(yè)的模塊化教學(xué)案例，將理論知識(shí)與專業(yè)應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來，進(jìn)行有針對(duì)性的應(yīng)用教學(xué)。該方案的實(shí)施既能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，又能使學(xué)生學(xué)習(xí)到本專業(yè)機(jī)電設(shè)備及動(dòng)能裝置等設(shè)備部件工作原理中的力學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)，有利于后期諸多專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

對(duì)于平面力系、空間力系、剛體的平面運(yùn)動(dòng)等新知識(shí)點(diǎn)，則可列入學(xué)習(xí)重點(diǎn)，既要采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行重點(diǎn)講解，也要注重理論與專業(yè)應(yīng)用案例的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建出相應(yīng)的模塊化專業(yè)教學(xué)案例。

四、多元教學(xué)手段改革方案構(gòu)建

針對(duì)“理論力學(xué)”課程教學(xué)中凸顯的教學(xué)手段單一問題，文章結(jié)合本專業(yè)的專業(yè)特色和融媒體技術(shù)，面向輪機(jī)工程專業(yè)“理論力學(xué)”課程教學(xué)手段的改革，從模塊化專業(yè)案例的構(gòu)建和“課中+課間+課后”沉浸式教學(xué)手段出發(fā)，制定符合專業(yè)、學(xué)生實(shí)際需求的系統(tǒng)性教學(xué)模式。

（一）模塊化教學(xué)案例構(gòu)建

模塊化教學(xué)案例是指將一個(gè)本專業(yè)實(shí)際應(yīng)用案例分解為若干個(gè)子模塊，每個(gè)模塊針對(duì)一個(gè)授課內(nèi)容，各模塊可獨(dú)立建立針對(duì)性的教學(xué)案例，也可相互組合，建立相應(yīng)的綜合應(yīng)用教學(xué)案例，所有的模塊按照一個(gè)特殊的邏輯關(guān)系組合為一個(gè)整體，即為一個(gè)專業(yè)綜合應(yīng)用問題，如圖1所示。

基于上述理論，可構(gòu)建輪機(jī)工程專業(yè)模塊化教學(xué)案例。文章以船舶主機(jī)曲柄連桿活塞機(jī)構(gòu)專業(yè)實(shí)際應(yīng)用案例構(gòu)建模塊化教學(xué)案例為例展開說明。

專業(yè)實(shí)際應(yīng)用案例：如圖2所示是船舶二沖程十字頭式柴油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)工作原理為氣缸內(nèi)油氣燃燒，在氣缸中產(chǎn)生高氣壓，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞上行壓縮氣缸油氣，壓燃油氣，再次產(chǎn)生高氣壓，推動(dòng)活塞下行。該實(shí)際應(yīng)用案例可分解為靜力學(xué)教學(xué)案例模塊、運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)案例模塊和動(dòng)力學(xué)教學(xué)案例模塊，也可以牛頓第二定律為邏輯關(guān)系，構(gòu)建綜合應(yīng)用問題。

靜力學(xué)教學(xué)案例：船舶啟動(dòng)前需要進(jìn)行柴油機(jī)盤機(jī)操作，已知各構(gòu)件為均質(zhì)剛體，并給出各構(gòu)件的重力和氣缸內(nèi)氣壓及活塞頂?shù)谋砻娣e，試求至少要在O軸加多大的力矩，才能實(shí)現(xiàn)盤車操作。該題的求解過程采用了平面受力分析和平衡力系下力與力矩的平衡方程等知識(shí)點(diǎn)，通過分析機(jī)構(gòu)受力情況，確定未知約束，建立力矩、力矢平衡方程，求解所有力矩。

運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)案例：船舶主機(jī)在正常運(yùn)行過程中，已知活塞從上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度和加速度，給出連桿AB的長(zhǎng)和曲軸AO間距離，求當(dāng)AO處于水平時(shí)，曲軸角速度和角加速度。在該案例求解過程中，可用到剛體的平面運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)知識(shí)，須以BC固連動(dòng)系，以A為動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行求解，求出A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，再以O(shè)為基點(diǎn)，以A的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，求解曲軸O的角速度和角加速度。

動(dòng)力學(xué)教學(xué)案例：在船舶曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)中，連桿AB、BC為均值桿，已知桿AB、BC的質(zhì)量和活塞的質(zhì)量，給出活塞的運(yùn)動(dòng)方程，忽略摩擦，求活塞連桿機(jī)構(gòu)在任意時(shí)刻的動(dòng)量及動(dòng)量矩。該案例的求解過程用到了動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理。將活塞連桿機(jī)構(gòu)看成一個(gè)由3個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成的質(zhì)點(diǎn)系，分別求解，最后再求質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量及動(dòng)量矩。

綜合應(yīng)用教學(xué)案例：船舶主機(jī)停機(jī)工況中，已知曲軸O中的運(yùn)動(dòng)方程、連桿BC的長(zhǎng)度、活塞的重量，忽略摩擦，已知活塞在圖2時(shí)刻停止運(yùn)動(dòng)，求此刻活塞所受來自氣缸的壓力。該案例的求解用到了靜力學(xué)力的平衡關(guān)系、運(yùn)動(dòng)學(xué)點(diǎn)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和剛體的平面運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)基本方程。根據(jù)曲軸O的運(yùn)動(dòng)方程求解A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，再以A為基點(diǎn)求B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)基本方程求解活塞所受的附加動(dòng)約束力，最后運(yùn)用靜力學(xué)力的平衡關(guān)系，求出活塞所受的壓力。

（二）“課中+課間+課后”沉浸式教學(xué)手段構(gòu)建

圖3為“課中+課間+課后”沉浸式教學(xué)手段結(jié)構(gòu)。教學(xué)手段在常規(guī)的“板書+PPT”之外，添加了微信公眾號(hào)和播放本專業(yè)背景的相關(guān)視頻教學(xué)方式。課中采用“板書+

PPT”的形式，重點(diǎn)講解理論知識(shí)和模塊化教學(xué)案例，將理論與專業(yè)實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；課間播放本專業(yè)相關(guān)視頻，如大國(guó)重器紀(jì)錄片、輪機(jī)設(shè)備機(jī)構(gòu)工作原理動(dòng)畫等，拓展學(xué)生的專業(yè)知識(shí)面，了解本專業(yè)的科技前沿，勞逸結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；課后通過建立“海大輪機(jī)理論力學(xué)”微信公眾號(hào)，日常撰寫章節(jié)重點(diǎn)知識(shí)歸納、文章和課后題答案解析，使學(xué)生在課后能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)和思考，鞏固所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。

五、結(jié)束語

“理論力學(xué)”是以牛頓第二定律為中心，從靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)3個(gè)方面對(duì)輪機(jī)設(shè)備構(gòu)建進(jìn)行受力、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)力分析的課程，是本專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。文章通過分析目前在“理論力學(xué)”課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的4個(gè)問題，結(jié)合對(duì)中國(guó)海洋大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)和學(xué)生自身情況的深入分析，提出了適用于輪機(jī)工程專業(yè)的“理論力學(xué)”課程教學(xué)方案和教學(xué)手段，以增強(qiáng)理論知識(shí)與專業(yè)實(shí)際應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián)性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該方案的有效實(shí)施改善了本專業(yè)“理論力學(xué)”課程的教學(xué)效果，并為各專業(yè)“理論力學(xué)”課程的教學(xué)改革提供了一種思路。

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■ 編輯∕丁俊玲