马静敏，付彦坤，李龙飞，文志杰
（1.山东科技大学能源与矿业工程学院 山东 青岛 266590；2.贵州大学矿业学院 贵州 贵阳 550000）
2017 年2 月以来，教育部为适应科技革命和产业变革的需要，积极推进新工科建设。需要明确的是：“新工科”的“新”不仅仅针对人工智能、智能制造等新型产业，同时也包括对传统工科专业的升级和改造[1]。新兴产业并不是横空出世，很多时候是对传统工业的发展和延续。互联网时代对于专业和行业来说，提出了“信息化复合”的要求，即将传统工业变得智能，所以“旧工科”并不会没落，而是在互联网等新科技的融入中焕发新的活力，培养出更多的复合型人才[2]。
理论力学是机械、采矿、土木等传统工科专业的一门必修课程。该课程通常在大一下学期或者大二上学期开设。在该课程中，学生首次将学到的数学和物理知识用于解决工程问题，是横跨理工的桥梁，同时它还是后续课程如材料力学、结构力学、流体力学、机械原理等的基础，在整个课程体系中的地位是非常重要和突出的。目前理论力学课程的教学存在下述问题：大部分学校仍沿用旧的教学内容[3]，与当今的信息技术脱节严重，既不能为后续专业课程的学习打开信息化力学教学的大门，也不能满足当今新工科背景下学生知识获取途径的需求，所以非常有必要重构一些核心知识，将老知识升级换代，适应传统学科建设与信息技术相融合的发展需要，为后续专业课程的智能化建设奠定坚实的基础。
1 知识重构策略
在新工科背景下，理论力学信息化教学的知识重构策略如图1 所示。先修课程在高等数学和大学物理的基础上增加计算机文化基础，即需要学生掌握计算机操作、数据存储、程序编写等基本的信息技术知识。在理论力学课程教学中，增加ADAMS、MTALAB的基础知识，再结合静力学、运动学和动力学的精选案例，可实现基于ADAMS和MATLAB 的信息化教学改革[4-5]。基于ADAMS 的信息化教学具有形象、直观、便于理解和掌握的特点，适合于机械、交通、采矿、土木等工科专业的学生进行学习。基于MATLAB的信息化教学更加偏向于理论的计算分析，适合力学或者偏向于基础理论研究的专业进行学习。不同的院校可以根据自己学校培养学生的特点和需求进行有针对性的选择。
图1 理论力学信息化技术知识重构策略图
目前，响应教育部注重学生创新、创业能力培养的要求，很多院校的理论力学学时被或多或少地压缩。在学时减少的背景下，增加信息技术的教学内容将会面临学时不足的困难。令人欣喜的是，在线教育技术快速发展和网络教学资源的极大丰富，为理论力学信息化教学改革提供了强大的助力。
2 振动筛运动分析案例
2.1 问题描述
本文以哈尔滨工业大学理论力学教研室主编的《理论力学（I）》（第8 版）课后习题8—5 为例，说明新工科背景下理论力学信息化教学改革的实施过程、对传统教学内容的拓展及对新工科背景下课程改革的适应性。
如图2所示，在筛动机构中，筛子的摆动是由曲柄连杆机构所带动。已知曲柄OA 的转速nOA=4or/min，OA=0.3m。当筛子BC 运动到与点O 在同一水平线上时，∠BAO=90°。求此瞬时筛子BC 的速度。
图2 课后习题8—5 振动筛示意图
按照题目的要求求解，满足传统教学的要求，使学生明确该瞬时振动筛BC 的速度和加速度。对教学内容进行深度挖掘，便不难得到下列问题：在整个振动筛工作的过程中，其速度何时取得极值、极值是多大、振动筛振动的幅值是多少、各杆尺寸对于振动筛振动的影响又是怎样的呢？这些问题在传统的理论力学教学中是没有涉及的，然而对于后续专业课程的学习、学生工程能力的培养、科学严谨的工作态度的培养非常重要。通过引入计算机信息技术，借助于计算机软件进行仿真可以较容易得到形象、直观的解答。计算机仿真技术的引入从基础课程阶段将信息技术与课程相结合，对教学内容是一项创新并为新工科背景下的复合型人才培养打下坚实基础。
2.2 基于MATLAB 的信息化教学
图2 的问题可以在MATLAB中描述4 个约束方程（为了使问题简化，令B 和B1点重合），分别为：
在MATLAB 中以时间t 为自变量，将上述方程联立，进行符号方程组求解可以对整个振动的全过程进行分析。
经分析，按照图2 中的位形尺寸得到的是虚数解，说明该尺寸不合理，OA 杆不可能完成360o 的转动，因此后续分析中采用图3 所示的位形尺寸进行分析。
图3 本文分析的振动筛示意图
图4 给出了O1B1杆取不同长度时振动筛上C1点的运动轨迹。在图4 中，曲线轨迹有两条，说明理论上满足4 个约束条件的解有两组。根据初始条件易知，真实发生的运动是轨迹1。由图5 和图6 可知，O1B1的尺寸变化对振动筛水平方向的振动影响不明显，但是竖直方向的振幅会明显增加，筛动效果更好。如果设计时选用轨迹2，则由图6 可知，y方向的振动少一个波峰和波谷，筛子y方向振动幅值增大，但是振动上下转换的频率会降低。针对不同的筛选物质的特点，可以选择不同的初始位置，产生不同振动效果。
图4 O1B1 尺寸变化时振动筛运动轨迹
图5 轨迹1 在x 和y 方向振动位移
图6 轨迹2 在x 和y 方向振动位移
教师可以进一步引导学生分析，O1B1、AB、OA 选取不同尺寸时，振动筛上一点的x 和y 方向的速度、合成速度、x 和y 方向的加速度、全加速度等的变化情况，将问题进一步扩展，训练学生的计算机仿真能力。基于MATLAB 的仿真分析的优点是可以使学生了获得瞬时分析结果的同时对整个运动过程有清晰的认识，并且深入分析各杆尺寸对运动的影响。这些对于后续的产品设计和开发、专业课程的学习都具有重要的指导意义。
2.3 基于ADAMS 的理论力学信息化教学
ADAMS软件基于交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，使用多刚体系统动力学的拉格朗日方程，建立整个系统的动力学方程，进而对虚拟系统进行静力学、运动学和动力学模拟分析，计算输出位移、速度、加速度和作用力的数值计算曲线结果。在理论力学教学过程中，引入ADAMS 计算机仿真的内容，将会使学生更加形象地理解现有的问题模型，并能根据模型选择约束与施加载荷建立计算机仿真模型，较早涉猎计算机仿真技术，为后面的专业课程的学习奠定坚实的理论基础。
本问题的ADAMS 仿真模型如图7 所示。在模型中，将振动筛BC 进行简化，让B 和B1、C 和C2 重合。在O、A、B、C、O1、O2 处添加铰链约束，并在曲柄OA 上施加的转动。在ADAMS 中可以模拟振动筛工作过程的动画。图8 给出了振动筛工作过程中，振动筛上任一点的位移变化规律，其结果与图5 是一致的，区别在于初相位不同。在ADAMS中可以非常方便地模拟振动筛机构在轨迹2 上工作时不同时刻系统的位形、运动轨迹、位移、速度和加速度的变化情况。这个模拟工作可以作为作业布置给学生，由他们完成轨迹2 上的所有分析。
图7 ADAMS 环境下，轨迹1 的仿真模型
图8 轨迹1 时x 和y 方向位移振动图
3 结论
本文对新工科背景下，传统理论力学课程的知识进行重构，适应课程信息化复合改革的需要，引入MATLAB 和ADAMS两种仿真分析软件，以振动筛运动分析为例，给出了将它们用于理论力学课程信息化教学的方法。该方法能够适应新工科教学改革的需要，为后续专业课程的学习和专业人才的培养奠定了基础理论的同时进行信息技术内容的扩展，提高学生学习的兴趣和专业认同感。不同的高校可以根据本校培养学生的定位，选择不同的计算机仿真方案，进行信息化的理论力学课程教学改革。
