摘 要 工程力學(xué)是高職高專工科專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，存在課程理論性強(qiáng)、工程實(shí)踐要求高、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足等問題，將工程應(yīng)用廣泛的UG軟件在工程力學(xué)教學(xué)中加以應(yīng)用，可以提高課堂教學(xué)的直觀性、效率和信息化水平，同時培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用工程力學(xué)知識和工程軟件解決實(shí)際問題的能力。從選擇適于應(yīng)用UG軟件輔助教學(xué)的工程力學(xué)知識點(diǎn)入手，舉例說明應(yīng)用UG軟件輔助工程力學(xué)教學(xué)的操作方法，并且指出課堂教學(xué)安排上的注意點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 UG軟件；高職高專；工程力學(xué)

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）22-0045-03

Application of UG Software in Engineering Mechanics Course Teaching in Higher Vocational Colleges//DAI Youhua

Abstract Engineering mechanics is a professional basic course for

engineering students in Higher Vocational colleges， But there are

many problems such as strong curriculum theory， high engineering

practice requirements and lack of students interest in learning. App-lying widely used UG software in engineering mechanics teaching， can improve the intuitionistic， efficiency and informatization level of engineering mechanics teaching. At the same time， it can cultivate the students ability to apply engineering mechanics knowledge and

engineering software to solve practical problems. Firstly， this paper

selects the engineering mechanics knowledge points which are sui-table for the application of UG software teaching. Then， it illustrates the operation method of using UG software to assist engineering mechanics teaching. Finally， it points out the points of attention in classroom teaching arrangement.

Key words UG software； higher vocational college； engineering mechanics

1 前言

工程力學(xué)課程在高職高專院校機(jī)械、建筑等專業(yè)作為專業(yè)基礎(chǔ)課程開設(shè)，在培養(yǎng)學(xué)生受力分析、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計等能力上起著重要作用。同時，這門課知識的掌握情況直接影響后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)[1]，以及在工作中應(yīng)用工程軟件和力學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。因此，有必要進(jìn)行引入工程軟件在工程力學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)用的教學(xué)改革。

2 工程力學(xué)教學(xué)中存在的問題及其原因

理論計算能力弱 工程力學(xué)中有大量的受力平衡計算和應(yīng)力計算，通過計算得出強(qiáng)度是否滿足等。然而，當(dāng)前高職高專學(xué)生有的來源于提前自主招生和對口單招，有一部分通過高考錄取，另外有不少工科專業(yè)學(xué)生在高中時學(xué)的文科，在數(shù)學(xué)計算方面能力都比較弱。這就制約了工程力學(xué)課程的教學(xué)效果，任課教師往往采取講清楚要求解什么和求解思路，只求解一些簡單的計算問題，放棄那些稍有復(fù)雜度的計算問題的策略。這符合針對學(xué)生情況采取“理論夠用為度”的高職高專教學(xué)原則，但仍需探索更好的解決辦法。

動態(tài)過程思維弱 工程力學(xué)中材料受力變形到破壞是有一個過程的，對這個過程的分析能找到材料將如何破壞、哪里首先破壞，從而優(yōu)化對材料結(jié)構(gòu)上的設(shè)計。由于學(xué)生見過的工程案例少，只通過教師的口頭描述，只能對一些簡單的受力變形情況進(jìn)行動態(tài)過程思考，對于較為復(fù)雜的受力變形過程就難以想象其過程。這就需要有直觀反映受力變形的圖片或視頻資料，幫助學(xué)生提高對受力變形過程的動態(tài)思考能力。

實(shí)驗(yàn)條件不夠全 高職高專院校開設(shè)的工程力學(xué)課程一般在40～120學(xué)時不等，而對于拉力試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)等通用實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般是有的，但還有很多專業(yè)方向的力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備購置的多少，就差別較大。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以讓學(xué)生深刻理解不同材料的各種性能，而對于缺乏實(shí)驗(yàn)條件的情況，可以通過軟件模擬的辦法做一些彌補(bǔ)。

3 UG軟件的應(yīng)用對工程力學(xué)教學(xué)的輔助作用

UG軟件是一個集成化的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)軟件，可以對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計、工程分析、數(shù)控程序編制等，在機(jī)械、航空、汽車、船舶、電子等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[2]。UG軟件的三維建模功能和有限元分析功能可以為工程力學(xué)教學(xué)提供幫助。

提高講課的直觀性和效率 在工程力學(xué)講課過程中，遇到計算較為復(fù)雜的例題或是不方便去做實(shí)驗(yàn)時，可以通過事先在UG軟件里制作好的模型，進(jìn)行力學(xué)問題求解，并以動畫、圖片、微課等形式展現(xiàn)出來?？梢宰寣W(xué)生直觀地看到其受力變形情況，并且這個演示過程所花的時間也不多。對于做過一些工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生來說，就更能理解UG軟件里呈現(xiàn)的受力變形等分析內(nèi)容。endprint

拓寬演示各種案例的能力 通過工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)來深刻掌握的案例畢竟是不多的。如果需要直觀演示工程力學(xué)中的其他案例或者是來源于實(shí)際生產(chǎn)、研發(fā)中的案例，教師就可以事先通過UG軟件來制作，在課上使用即可。只要多花工夫制作案例，案例的數(shù)量和內(nèi)容都不再受到實(shí)驗(yàn)條件的限制。

激發(fā)學(xué)習(xí)專業(yè)課程的興趣 高職高專教育是以就業(yè)為導(dǎo)向的，學(xué)生對職業(yè)技能的掌握和解決問題能力的學(xué)習(xí)更感興趣。原本在工程力學(xué)課程的學(xué)習(xí)過程中，理論的講解和大量的計算都容易使學(xué)生覺得這門課程難學(xué)，但是在教師演示用UG軟件求解工程力學(xué)問題后，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)計算的事情可以交給計算機(jī)去做，懂得工程力學(xué)知識和UG軟件的使用，就可以快速地解決實(shí)際的工程問題。逐漸地，學(xué)生會認(rèn)識到學(xué)習(xí)工程力學(xué)課程有用，并且可以不是那么難學(xué)，進(jìn)而對工程力學(xué)課程以及后續(xù)的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣。

4 適于應(yīng)用UG軟件輔助工程力學(xué)教學(xué)的知識點(diǎn)

工程力學(xué)包含理論力學(xué)和材料力學(xué)兩部分。理論力學(xué)中的靜力學(xué)主要是受力平衡問題，一般是只講平面力系且桿件較少的情況，計算量不大，不需要也不適合通過UG軟件輔助講解；而運(yùn)動學(xué)部分和動力學(xué)部分，多數(shù)開設(shè)工程力學(xué)課程的專業(yè)都不講這部分內(nèi)容，如果講動力學(xué)部分，也可以通過UG軟件輔助講解。材料力學(xué)中的拉伸、壓縮、剪切、擠壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等變形問題的分析，都適合通過UG軟件輔助講解。另外，引入實(shí)際生產(chǎn)、教師科研中的案例講解時，大多適合通過UG軟件輔助講解。工程力學(xué)中適合通過UG軟件輔助講解的知識點(diǎn)的具體情況見表1。

5 應(yīng)用UG軟件輔助工程力學(xué)教學(xué)的操作方法

使用UG軟件講解工程力學(xué)問題的方法 選取工程力學(xué)課程中需要通過UG軟件輔助講解的案例，教師事先在UG軟件的三維建模環(huán)境下創(chuàng)建好案例的模型，然后切換到高級仿真環(huán)境，做好案例的力學(xué)分析；再通過截圖制作圖片資料，或者通過錄屏軟件制作力學(xué)分析動畫；最后，通過制作PPT或微課等，將應(yīng)用UG軟件輔助分析工程力學(xué)問題的案例制作成講課資料。

在上課時，教師在需要用到輔助案例時，可以對照PPT上的例子一邊講解一邊讓學(xué)生看圖，伴隨講解的過程逐步給出分析結(jié)果的圖，并做必要的解釋；或者可以播放一段微課，結(jié)束后與學(xué)生進(jìn)行交流討論；有時也可以打開UG軟

件，實(shí)時對準(zhǔn)備好的分析模型做一些查看分析結(jié)果的操作。

應(yīng)用UG軟件制作工程力學(xué)教學(xué)案例的例子 如應(yīng)力集中問題是工程力學(xué)中一個重要知識點(diǎn)，是講解受力構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸的突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象，對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的指導(dǎo)作用。但是僅僅作一些理論講解，學(xué)生對應(yīng)力集中的感性認(rèn)識會不太深刻[3]，因此可以通過UG軟件制作一個應(yīng)力集中問題的分析案例來輔助講解。

如果一塊長度160 mm、高度380 mm、厚度20 mm的鋼板，中間位置有一個直徑40 mm的通孔，當(dāng)鋼板下部固定、上部受到10 N/mm的均布載荷，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，不計鋼板自重，要分析鋼板受拉時的應(yīng)力集中問題。

首先，用UG軟件創(chuàng)建此鋼板的三維模型，如圖1（a）所示；進(jìn)入UG軟件的高級仿真模塊，新建FEM文件，設(shè)置材料屬性為“steel”，并指派給鋼板模型；對模型按“10節(jié)點(diǎn)四面體單元”、自動計算單元格大小的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1（b）所示；新建sim文件，設(shè)置鋼板下平面為固定端，如圖1（c）所示；設(shè)置鋼板上平表面上受到法向朝外的均布載荷，如圖1（d）所示；經(jīng)過模型檢查后，進(jìn)行分析解算；最后，通過對求解結(jié)果的查看，鋼板在豎直方向變形的位移云圖如圖1（e）所示，鋼板內(nèi)部應(yīng)力分布的應(yīng)力云圖如圖1（f）所示。通過UG軟件對應(yīng)力集中問題的分析，可以讓學(xué)生直觀地看出鋼板中小孔附近區(qū)域受到的應(yīng)力明顯增大。

又如指導(dǎo)學(xué)生做過的一個實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目，要設(shè)計一臺手扶式茶樹修剪機(jī)[4]，在整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計時進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析優(yōu)化，在之后的工程力學(xué)教學(xué)中可以簡述給學(xué)生聽。手扶式茶樹修剪機(jī)采用汽油發(fā)動機(jī)作動力源，動力被分配傳遞給驅(qū)動輪以及兩個修剪刀具，修剪刀具布置在機(jī)身兩側(cè)，當(dāng)?shù)毒叨继幱谪Q直或水平位置時，就可以修剪過道兩側(cè)茶樹、壟上茶樹的側(cè)面或上平面。

在茶樹修剪機(jī)工作時，受到樹枝的阻力，對修剪機(jī)的主要工作部件進(jìn)行UG有限元分析，如圖2所示，根據(jù)分析結(jié)果就可以優(yōu)化修剪機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸。

6 在工程力學(xué)教學(xué)中應(yīng)用UG軟件時的注意點(diǎn)

以講解工程力學(xué)知識為主 在工程力學(xué)課程教學(xué)過程中要堅(jiān)持以講解工程力學(xué)知識為主，能夠通過理論講解、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等形式讓學(xué)生掌握的知識點(diǎn)，就要堅(jiān)持采用原先的方法講解。在確有必要通過UG軟件來輔助講解時，一定要在課前做好充分的資源制作工作，并進(jìn)行信息化教學(xué)設(shè)計，讓通過UG軟件來輔助講解的內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合到工程力學(xué)的課程教學(xué)安排中來。不要因?yàn)橥ㄟ^UG軟件進(jìn)行力學(xué)問題分析的案例多，就過多地講解UG力學(xué)分析內(nèi)容。

盡量減少操作UG軟件的時間 課堂教學(xué)的時間有限，要珍惜課堂時間，合理地安排教學(xué)活動。在使用UG軟件講解工程力學(xué)問題時，是為了直觀、高效地講清楚工程力學(xué)知識，而不是講解UG軟件的應(yīng)用，所以要通過事先的準(zhǔn)備工作，減少在課堂上對UG軟件進(jìn)行操作。另外，UG軟件的學(xué)習(xí)是有很多內(nèi)容的，對于低年級的學(xué)生來說，突然地講UG軟件的力學(xué)分析操作應(yīng)用，會有難度和引起思維混亂。故在課堂上，教師重在利用UG軟件來展現(xiàn)對工程力學(xué)問題的分析結(jié)果，加深學(xué)生對工程力學(xué)知識的理解。

7 結(jié)論

將UG軟件的力學(xué)分析功能應(yīng)用到輔助工程力學(xué)課程的講解中去，有助于解決當(dāng)前工程力學(xué)教學(xué)理論性強(qiáng)、課時緊、實(shí)驗(yàn)不夠多的問題。通過優(yōu)選適合UG軟件輔助工程力學(xué)教學(xué)的知識點(diǎn)，精心制作大量的UG力學(xué)分析資源，可以激發(fā)學(xué)生對工程力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，提高工程力學(xué)課程的信息化教學(xué)水平，并可為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做好引導(dǎo)，提高學(xué)生利用工程力學(xué)知識和先進(jìn)工具軟件解決實(shí)際工程問題的能力。

參考文獻(xiàn)

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