《设施工程力学》课程教学大纲

设施工程力学（ProtectedEngineeringMechanics）课程基本信息课程编号：19011128课程总学时：40实验学时：4课程性质：必修课程属性：基础类开设学期：第3学期适用专业：设施农业科学与工程；核心对先修的要求：高等数学对后续的支撑：农业设施工程学、设施环境与调控、设施装备与智能化一、课程的教学理念、性质、目标和任务设施工程力学是是设施农业科学与工程专业的一门专业基础课，在培养学生进行园艺设施设计与建造方面占有重要的地位。本课程主要包括包括理论力学和材料力学两部分。理解静力学的基本概念，培养学生具有一般结构受力分析的基本能力；掌握平面一般力系的简化和平衡方程的求解。对材料力学的概念有明确的认识；能够计算杆件在荷载作用下的内力，并做相应的内力图；掌握基本杆件的强度、刚度的基本概念和基本计算能力。最终，培养学生能利用工程力学的基本概念判断分析结果正确与否的能力，使学生具备综合应用所学力学知识分析、解决园艺设施中力学相关问题的素质，并为后续课程的学习奠定坚实的基础。二、课程教学的基本要求1.理论知识方面：对设施工程力学中的基本概念有明确的认识；掌握平衡物体的受力分析及受力图的画法，静力学的基本概念和公理。掌握基本力系，汇交力系合成与平衡的解析法；了解力矩的概念和合力矩定理；掌握力偶的概念、性质、力偶系的合成与平衡；了解常用园艺设施中材料的性能；结构的强度、刚度、稳定设计，组合变形研究思路。2.实验技能方面：掌握工程力学相关计算机软件的使用方法，能够建立任意体系的计算模型并做几何组成分析，具备运用相关软件开展设施结构力学分析和计算的能力。三、课程的教学设计1.教学设计说明培养学生的空间想象能力是本课程的核心任务。根据本课程特点，利用多媒体与板书结合，可使形体视频化、动态化；并结合分析、启发式教学，采用适度强化、逐渐推进的教学方式。在授课过程中，启用立体几何知识、形象知识库及已学过的知识点。并开展实现课下互动等，形成全方位的立化教学手段提升学生学习兴趣。2.课程目标及对毕业要求的支撑序号课程目标毕业要求1掌握杆件应力变形分析、强度及刚度分析方法，具备杆件位移分析及强度刚度设计的能力。3452深刻理解力、力矩、平衡、约束、约束力、力系等基本概念，掌握受力分析及力系简化的方法。3453理解材料力学的基本概念，培养学生进行杆件内力分析的能力，具备查阅应用相关国家标准，进行杆件安全校核的能力。3454具有执着探索的科学精神，具备良好的职业道德素质，拥有独立工作和努力学习的能力。3610四、理论教学内容及学时分配（36学时）第一章静力学基础学时数：4教学目标：了解平衡产生的原因，理解力、力矩、力偶、约束力等概念，掌握受力分析的方法。教学重点和难点：力系、力矩、力偶的概念；物体的受力分析；合力矩定理、加减平衡力系原理。主要教学内容及要求：第一节力和力矩（1学时）了解作用在刚体上的力的效应与力的可传性理解力、力矩和力系的概念掌握合力矩定理第二节力偶及其性质（1学时）了解力偶的概念理解力偶的性质理解力偶系及其合成第三节约束和约束力（1学时）了解约束和约束力的概念掌握约束力的方向第四节平衡的概念（0.5学时）了解二力平衡的概念理解二力构件的概念理解不平行的三力平衡条件第五节受力分析方法和过程（0.5学时）掌握受力分析的方法掌握力图绘制方法教学组织与实施：采用班级集中授课，利用多媒体设备，根据学生身边的具体案例，剖析具体结构的力分布，帮助学生充分理解静力学的相关基本概念，掌握结构的受力分析方法。第二章力系的简化学时数：4教学目标：通过本章的学习，让学生对力系的简化有深入了解，理解等效和简化的概念，掌握力系简化的方法。教学重点和难点：力的平移定理、力系的简化方法；主矢和主矩的概念。主要教学内容及要求：第一节力系等效与简化的概念（1学时）理解主矢和主矩的概念理解等效的概念理解力系简化的概念第二节力向一点平移定理（1学时）理解力向一点平移定理第三节平面力系的简化（1学时）理解汇交力系的简化结果掌握一般力系的简化方法第四节固定端约束的约束反力（1学时）理解固定端约束掌握固定端约束的约束反力的画法教学组织与实施：以设施结构为导入，采用图文并茂的方式，分析展示设施内各个结构的受力情况；以小组合作学习的方式，共同分析设室内结构的受力情况并绘制受力分析图。第三章静力学平衡问题学时数：4教学目标：通过本章的学习，使学生了解工程构件静力学分析的方法，理解工程构件静定与超静定的概念，掌握平衡问题的解决方法。教学重点和难点：刚体系统平衡方程的建立；物体系的平衡计算时，研究对象、方程的选取和受力分析主要教学内容及要求：第一节平面力系的平衡条件与平衡方程（2学时）掌握平面一般力系的平衡方程了解汇交力系和力偶系的平衡方程第二节简单刚体系统的平衡问题（2学时）了解静定和静不定的概念掌握刚体系统平衡的计算方法教学组织与实施：通过剖析设施结构单个构件的受力情况，让学生观察设施结构内具体构件，结合多媒体教学和教学视频，使学生充分掌握设施内工程构件的静力学平衡问题。第四章材料力学的基本概念学时数：4教学目标：使学生了解静力学概念和原理在材料力学中的可用性和限制性，理解材料的三种基本假定及杆件受力与变形的基本形式，掌握杆件的应力分析方法。教学重点和难点：强度、刚度、稳定性的概念；弹性变形和塑性变形的概念；内力、截面法、的概念；材料的三种基本假定；截面法与杆件受力变形的基本形式。第一节关于材料的基本假定了解材料的基本假定第二节弹性杆件的内力和外力理解内力和外力的概念掌握轴力、剪力、扭矩和弯矩的定义第三节弹性体的受力和变形特点了解弹性体的受力和变形特点理解弹性体变形后各相邻部分之间的相互关系第四节杆件横截面上的应力理解正应力和切应力的概念掌握正应力、切应力与内力分量之间的关系第五节应力和应变理解正应变和切应变的概念掌握应力和应变的关系第六节杆件变形的基本形式了解杆件变形的基本形式理解组合受力与变形教学组织与实施：根据学生认知规律和接受特点，对设施结构中的常用材料特性进行观察和分析，通过学生的切身感受，最终理解领会材料力学的相关概念，掌握设施内常用材料之间的性能区别和联系。第五章杆件的内力图学时数：4教学目标：使学生了解剪力、弯矩与载荷集度之间的微分关系，理解并掌握轴力图、扭矩图、剪力图、弯矩图的分析与绘制方法。教学重点和难点：杆件截面内力的确定；轴力图、扭矩图、剪力图、弯矩图的分析与绘制。第一节轴力与扭矩图了解杆件横截面上内力与外力的相依关系理解轴力与扭矩图的概念第二节剪力图与弯矩图掌握剪力方程与弯矩方程理解载荷集度、剪力、弯矩间关系掌握剪力图和弯矩图的绘制教学组织与实施：采用多媒体和板书相结合的教学手段，将杆件的受力情况进行分析，使学生能够对杆件的内力分布情况有直观的了解，并通过课堂作业和提问互动，增强学生对知识的兴趣，能够更好掌握重点知识点。第六章拉压杆件的应力变形分析与强度设计学时数：4教学目标：了解拉压杆件的超静定问题、理解拉伸和压缩时材料的力学性能，掌握拉压杆件的强度设计方法。教学重点和难点：1.拉压杆件的强度设计；2.杆件材料的力学性能；第一节拉伸与压缩杆件的应力与变形掌握拉杆的应力和变形计算第二节拉伸与压缩杆件的强度设计了解强度设计理解强度设计准则第三节拉伸与压缩时材料的力学性能掌握韧性材料拉伸时的力学性能掌握脆性材料拉伸时的力学性能教学组织与实施：安排学生提前进行预习课本内容，上课前对学生进行提问，明确学生在预习过程当中的遇到问题，针对这些问题开始进行讲解，课后向学生布置作业，以了解学生对本章内容的掌握情况。第七章梁的强度问题学时数：4教学目标：了解斜弯曲，理解与应力分析相关的截面图形的几何性质，掌握平面弯曲时梁横截面上正应力分析方法及梁的强度计算方法。教学重点和难点：与应力分析相关的截面图形的几何性质；梁的应力分析与强度设计；第一节与应力分析相关的截面图形几何性质了解工程中的弯曲构件理解静矩、形心及其相互关系掌握惯性矩与惯性积的移轴定理和转轴定理第二节平面弯曲时梁横截面上的正应力理解平面弯曲与纯弯曲掌握平面曲时梁横截面上正应力分析掌握梁的强度计算教学组织与实施：课前预习中使用思考题以及各种类型题目的测试，了解学生对知识的掌握程度；利用超星教学平台，通过发布讨论、设置抢答等环节，做好与学生的互动。第八章梁的位移分析与刚度设计学时数：4教学目标：了解求解超静定问题的方法，理解挠度、转角、挠度曲线等基本概念，掌握小挠度微分方程、叠加法及其在刚度设计中的应用。教学重点和难点：小挠度微分方程；叠加法第一节小挠度微分方程及其积分理解挠度、转角和挠度曲线掌握小挠度曲线微分方程的应用第二节工程中的叠加法了解叠加法应用于间断性分布载荷作用的情形掌握叠加法应用于多个载荷作用的情形第三节简单的超静定梁了解变形和位移的关系掌握求解超静定梁的基本方法第四节梁的刚度设计了解提高刚度的途径掌握刚度设计准则教学组织与实施：以具体案例引入本章内容，采用引导式教学，在引入案例基础上，利用方法论中的辩证思维、抓主要矛盾以及逆向思维等方法引导学生分析问题，最后，归纳、总结。第九章圆轴扭转时的应力变形分析与强度刚度设计学时数：4教学目标：了解矩形截面杆扭转时的切应力分析，理解切应力互等定理，掌握圆轴扭转时切应力分析的方法及强度与刚度设计准则。教学重点和难点：切应力互等定理；圆轴的强度设计与刚度设计第一节切应力互等定理了解圆轴扭转变形的概念熟练掌握切应力互等定理第二节圆轴扭转时的切应力分析理解弹性范围内切应力-切应变关系掌握切应力的计算公式第三节承受扭转时圆轴的强度设计与刚度设计分析扭转破坏现象掌握圆轴扭转时的强度与刚度计算教学组织与实施：采用类比分析问题的方法，逐步引导学生将已学知识应用到相似场景，结合分组讨论与课中分享、学生互评的方式，利用课题互动，提升学生学习兴趣，提高教学效果。五、实验教学内容及学时分配（4学时）（一）实验课程简介本实验课程是设施工程力学的重要内容，共4学时，分别设置了平面静定结构内力分析和塑料大棚结构受力分析等2个实验项目，培养学生积极思考、主动学习、自主动手和独立解决工程问题的研究能力和创新的意识。（二）实验教学目的和基本要求通过实验的教学，使学生加深对课堂讲授内容的理解，学习并掌握工程力学计算机软件的使用方法，能够建立任意体系的计算模型并做几何组成分析，具备运用相关软件开展力学分析和计算的根本能力。（三）实验安全操作规范学生提前预习明确课程学习内容，上课前做好仪器设备的使用登记，在上课过程当中学生要严格遵照实验安全规程操作，正确操作仪器设备并记录好相关实验数据，实验结束后正确关闭设备仪器，摆放整齐。（四）实验项目名称与学时分配序号实验名称学时类型实验要求每组人数1901112801平面静定结构内力分析2设计性必做31901112802塑料大棚结构受力分析2综合性必做5（五）实验方式及基本要求根据实验教学内容的安排，实验一为设计类、实验二为综合类，每次实验结束后要求撰写实验报告。要求学生能够在给定条件下完成平面静定结构的内力分析，并且掌握塑料大棚结构各杆件的受力情况。（六）实验内容安排【实验一】平面静定结构受力分析1.实验学时：2学时2.实验目的：掌握杆件材料性质，支座位移，温度改变等参数的输入方法；计算给定平面钢架、桁架和连续梁的内力。3.实验内容：对杆件和结点编号，选定局部坐标系和整体坐标系；根据题目已给数据，建立输入数据文件；运行程序，得到输出文件；手绘内力图。4.实验要求：计算出给定平面钢架、桁架和连续梁的内力；绘制出上述结构内力图。5.实验设备及器材：计算机、绘图板【实验二】塑料大棚结构受力分析1.实验学时：2学时2.实验目的：掌握有限元模型的建立；基于结构力学分析，掌握设施结构优化方法。3.实验内容：有限元模型建立，荷载的确定，荷载组合，进行塑料大棚结构力学分析。4.实验要求：通过有限元分析，对塑料大棚进行不同载荷下强度分析，并进行结构优化。5.实验设备及器材：计算机（七）考核方式及成绩评定采用撰写实验报告的方式进行考核，根据学生实验内容完成情况以及撰写的实验报告进行考核打分，分为优秀、良好、及格和不及格4个档次。六、课程思政评价通过结合专业知识的讲解过程自然地融入思政元素：（1）以力学大师们的背景以及他们为祖国做出的贡献，树立为国家、社会在工程方面的发展做贡献的理想、信念和信心；通过中国传统建筑与超级建筑的案例引用，让学生树立民族自豪感，增强他们的爱国情怀；（2）穿插一些说文解字、国学经典、哲学理论等人文素材，倡导人文融通，增强学生的人文素养；（3）引入在工程中因为设计或者施工不当导致失效引起的生命与财产损失的血淋淋的案例，促使即将从事工程设计人员的学生们，做事要具有严谨的科学态度、扎实踏实的工匠精神，体现诚实守信的社会主义核心价值观；（4）实践环节会遇到设备问题、操作问题、实验结果与理论结果之间的差别等情况，需要学生不断查找、尝试