毛东风

（中国石油大学（北京） 北京 102249）

中国石油大学（北京）是一所石油特色鲜明、以工为主、多学科协调发展的教育部直属全国重点大学，是一所研究型大学。据ESI最新数据，学校有6个学科进入ESI排行前1%，分别是化学、工程学、材料科学、地球科学、计算机科学和环境/生态学，其中工程学进入ESI全球前1‰。理论力学是机械设计制造及其自动化等工程专业重要的专业理论基础课，是通往后续知识的桥梁。课程内容既包含大量的基本概念、力学理论和原理，也包含大量的工程应用实例。将案例研究应用于理论力学课程教学，使学生未来工作无论是进行设计或是开展研究都能够顺利进入角色，并兼具开拓精神与创新意识，作为师者，认为将善莫大焉。

1 案例教学及其特点

案例教学由美国哈佛法学院前院长克里斯托弗.哥伦布.朗代尔于1870年首创，后经哈佛企管研究所所长郑汉姆推广，并从美国迅速传播到世界许多地方，被认为是代表未来教育方向的一种成功教育方法。中国于20世纪80年代开始关注，在1990年代引入案例教学。

案例教学最早用于医学教学中，为启发学生掌握对病症的诊断及治疗，医学院的教授将不同病症的诊断及治疗过程记录下来做成案例，用于课堂分析，以培养学生的诊断推理能力。后来，法学院的教授将各种不同的判例记录整理成为法学案例，包括其中的辩护和裁决过程，以培养学生的判案推理能力。20世纪初，哈佛商学院出现了工商管理案例，教授们将包括各种不确定信息、相关意见和实施过程的商业管理及其决策过程记录下来，编写成为案例用于课堂教学，以培养学生的管理推理能力。类似的方法后来也在其他工程专业领域的教学中出现，用以培养学生的工程设计分析与推理能力，提高学习兴趣和与工程素养。

案例教学法具有明确目的性、客观真实性、复杂综合性、深刻启发性及学生主体性等特点。案例来自具有独特代表性的典型真实事件，而且较之一般示例，内涵更加丰富，分析、解决过程也较为复杂。学生在案例的学习、讨论与研究的过程中，需要依据所学知识，经思考、分析、讨论、综合、判断得出他们自己的结论，学生的智慧与思维得到启发。学生在教师指导下，从参与到深入，体验过程，在学习热情高涨的同时，逐步建立起一套适合自己的完整而又严密的逻辑思维方法和思考问题的方式，最终达到提高分析问题、解决问题的能力、进而提高素质的目的。

2 案例教学法的应用过程

2.1 案例选择

有关案例研究，其实在创新型的力学教学实践中有过很多尝试。曾经设计很多相对小的研究计划供学生在不同的学习阶段进行研究讨论，也取得很好的反响与效果[1][2]。现在作者思考的是，理论力学内容涵盖了静力学、运动学与动力学，能否选择相对比较复杂的案例，使之能够贯穿整个的教学过程，让学生边学习、边探讨、边实践、边总结、边提高，即可促进课程的学习，又能体验创新开拓的快乐？结合笔者的科研实践，选择典型的体现整体理论力学课程内容应用的、相对复杂的、依据本科阶段知识或稍加扩展的、石油工业又广泛使用的游梁式抽油机（图1）作为典型的案例。

图1：游梁式抽油机现场图

抽油机是油田生产的第二大耗能因素，提高抽油机的效率可以极大地降低油田开发成本。目前抽油机应用较广的是游梁式的，执行机构采用四连杆机构（图2）。主要部件有：提供动力的动力机；传递动力并降低速度的减速器；传递动力并将旋转运动变成往复运动的四杆机构（曲柄、连杆、游梁、支架及横梁和底座）；传递动力并保证光杆做往复直线运动的驴头及悬绳器总成；使抽油机能停留在任意位置的刹车装置以及为使动力机能在一个较小的负载变化范围内工作的平衡装置等。

图2：游梁式抽油机机构简图

四连杆机构可以实现上冲程抽提慢速度、下冲程下放快速度的运动，结合平衡装置使得作业功率波动降低。从而可以选择低功率的发动机驱动抽油机进行作业，达到降低能耗与成本、提高经济效益的目的。

2.2 问题设置

（1）抽油机在上、下两个冲程中哪个冲程负载大？

（2）上下两个冲程如果抽油杆速度一样，功率波动如何？如何选择电动机功率？

（3）如果改变上、下冲程抽油杆的速度，可否使功率波动减小？

（4）使用合适的四连杆机构，是否可以解决问题（3）？

（5）如果游梁与抽油杆为铰接形式，抽油杆运动中处于何种方位？“驴头”部分设计成圆柱面可否减少抽油杆与井口的磨损？

（6）游梁式抽油机的动力性能分析如何进行？动静法方便否？

（7）除了上下冲程速度不同，有否其它方式降低动力负载？

（8）平衡装置的作用？位置？

（9）进一步节能优化的可能性？

2.3 案例研究涉及的理论力学知识

抽油机的设计研究首先涉及结构与机构的受力及机构的运动特性分析。分析方法恰恰用到“理论力学”课程中静力学知识、运动学知识──点的合成运动、刚体基本运动与刚体平面运动。对抽油机动力性能的分析，也刚好需要课程的动力学知识，如功、功率的计算，动能、动量矩的计算，动静法的应用等等。对于抽油机动力源的选择，正体现功率波动抑制与节能的特点。对于不同优化目标的抽油机优化设计，不仅处处体现力学的知识应用，还将拓展部分知识领域方可开展。而抽油机的结构设计，又会用到材料力学的知识。这为后续课程的学习埋下很好的伏笔。可以说，抽油机的基本设计特别能够体现理论力学和材料力学各方面知识的应用。

2.4 开展形式

教师在课程教学过程中将案例研究任务布置给学生，引导学生查阅相关文献，让学生带着相关问题进行学习。以课程前述内容理论为基础，学生以研究小组为单位，将每一步的研究结果在指定时间以报告形式向教师汇报，并以课堂讨论形式进行全班讲解，回答其他同学和老师的提问，教师根据学生的表现给出评判。最后，在课程考试结束后的假期完成最后的整体报告。

2.5 效果评价

中国石油大学（北京）的《理论力学》课程多年来一直坚持教学内容与教学方法的改革。在教学过程中将力学知识传播放在首位，培养学生的问—知能力、探索能力、发现问题解决问题的能力，提高他们的力学素养和工程意识。讲授以力学知识本身在工程领域的广泛应用与突出贡献所独有的魅力带动与激发学生的学习与探究的兴趣，将理论学习与实践相结合。这正是为何开展相关案例教学的初衷。学生学习热情普遍高涨，学习效果优良，力学基础扎实，得到后续课程任教老师的普遍好评。在案例研究活动中，学生不仅提高主观能动性，研究能力得到锻炼，同时做报告与思辨的能力也大有提高。有兴趣做引导，那就是最好的老师。

图3：抽油机优化模型：视频截图（可在电机驱动下运转）

图4：理论力学案例教学活动关联框图

此外，学生在教师指导下依据力学基本原理完成国家级的大学生科技创新活动：游梁式抽油机模型建立与节能优化，北京市级的大学生科技创新活动：海洋溢油追踪技术，结合（水）动力学、控制与通信技术、机械设计等知识。首次应用的1个班级有4人经笔者推荐免推985院校直博。教师获得学校教学卓越奖，学生评教全校第一名。

3 总结

对于理论力学课程的案例法教学的应用实践，可以概括为教师与学生两条主线。教师应在事前精选案例，其研究以能够充分体现理论力学知识的使用精妙与复杂全面为好。而后针对案例提出研究可能遇到的关键问题，引导学生对问题的难点和重点予以关注，组织介绍他们对案例及相关资料进行收集整理，开展对策与应用研究。在可能的情况下拓展研究内容，让学习者在不断解决问题的过程中，发现新的问题，继续保有学习的动力。学生在得到案例后产生浓烈兴趣，明确问题后，将有明确目的地学习。通过边学习，边实践，学以致用，不断提高。期间，教师与学生保持频繁互动，最好共同完成教学评价活动。