《工程力学》课程教学大纲 (40~56学时)

一、课程名称

中文名称：工程力学

英文名称： Engineering Mechanics 

二、课程代码及性质

0833333

专业必修课程

三、学时与学分

总学时：40~56学时

学分：2.5~3.5

四、先修课程

先修课程：机械制图、高等数学、大学物理等

五、授课对象

本课程面向非机类工科专业学生开设

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）

    工程力学是工科学生由基础理论过渡到专业基础的一门技术基础课程。本课程解决构件在外力作用下的强度、刚度和稳定性问题，是联接基础和工程实际的桥梁，是学生学习专业课程的先导课程。以培养创新研究型人才为目的，本课程通过课堂教学和实验，使学生掌握工程力学的基本概念、基本理论和基本分析方法；要求学生掌握力、力偶、约束等基本概念和力系的简化/平衡等刚体静力学的基本理论与方法；了解材料的基本力学性能；掌握应力、应变等基本概念；具有杆件强度、刚度问题的基本分析和计算能力，培养工程力学问题的分析和计算能力；尤其注重培养学生从工程实际中提出、研究、解决力学问题的能力，培养科学思维方法。 

本课程从物体的受力分析出发，研究物体在受力情况下的强度、刚度和稳定性问题，需要涉及高等数学、物理学的基本知识，但本课程的研究对象是具体的工程中的构件，解决的是工程实际问题中最基本的但又是最重要的破坏问题和控制破坏的设计准则。在解决这样基本的工程实际问题的学习过程中，同学们要善于以课程学习为载体，努力培养解决科学问题的研究型思维。

七、教学重点与难点

课程重点：课程目的及课程学习方法。

刚体、力和力偶的概念；约束的概念；受力图；力系的简化结果分析；平衡条件和平衡方程。

平衡方程解决工程实际问题受力的方法。

变形体静力学问题求解的三条主线；截面法求变形体的内力；应力和应变的定义；拉压杆变形和应力的求解；简单拉压杆结构位移的求解；拉压杆超静定问题的求解。

常见材料的弹性模量和屈服极限；拉压力学性能的特点和异同。

强度、刚度的概念，强度条件；拉压杆的强度设计；剪切及其使用计算；挤压及其使用计算；连接件强度设计。

剪切胡克定理，切应力互等定理；圆轴扭转的内力、应力和变形分析；强度条件和刚度条件。

截面法画梁的内力图，用平衡微分方程画梁的内力图；梁的弯曲正应力计算。

单元体描述一点的应力状态，主应力计算方法，四个强度理论，拉（压）弯组合变形、弯扭组合变形构件的强度计算。

课程难点：让学生理解以课程学习为载体，培养研究型思维。

约束力和受力图；力系简化的分析方法；平衡的充分必要条件。

静定和静不定问题概念；摩擦角和自锁现象；平面简单桁架的模型简化；空间任意力系求解。

截面法求结构内力；拉压杆结构位移的求解；拉压杆超静定问题的求解。

强度、刚度概念，剪切挤压面计算。

圆轴扭转时的内力、应力和变形。

梁的内力图的画法。

单元体描述一点的应力状态，弯扭组合变形构件的强度计算。

八、教学方法与手段

教学方法：主要采用多媒体电子课件进行讲授，丰富的图片及动画使学生直观了解工程结构要点，结合设计型习题使学生掌握基本知识和工程力学解决工程问题的基本方法。

教学手段：多媒体PPT授课。根据具体情况，结合教学过程，更新教学内容，引入实践工程案例，培养学生学习的积极性。以课程为载体，在讲授课程各知识点的过程中，通过引导学生对实际问题的探究，熏陶学生如何对工程问题进行科学简化、建模、分析、扩展的研究型思维方法。 

九、教学内容与学时安排

（一）绪论（教师课堂教学学时（2小时） + 学生课后学习学时（2小时））

教学内容：什么是力学；什么是工程力学；力学与工程；工程力学的研究对象、研究方法和基本假定；体力、面力、应力、应变和位移的基本概念及其记号和正负规定。

基本要求：应使学生明确课程目的，明确什么是工程力学及工程力学学习的目的和方法。介绍力学和工程的关系，工程力学在工程中的应用，工程力学对学生后续课程学习的作用。明确力和运动的基本概念及静力学研究问题的基本方法。通过本节内容的介绍，阐明为什么力学课程是培养研究型思维的极佳载体。对学生的学习提出具体的要求。强调学生要以课程学习为载体，学习体会分析研究工程问题的方法。

课后文献阅读：[1],[2],[3],[4],[5]相关章节。

课后作业和讨论：基本概念，身边的力学讨论。

（二）刚体静力学基本概念与理论（教师课堂教学学时（6小时） + 学生课后学习学时（6小时））

教学内容：力的概念，力的投影，力的合成的解析法；力偶的概念，力偶的合成；约束与约束力的概念，约束的类型；受力图；力对点的矩，力的平移定理，平面力系的简化，平衡条件和平衡方程；二力平衡和三力汇交定理。

基本要求：本章要求深入理解力、力偶、约束三个最基本的概念；具备计算力的投影、力对点之矩和画受力图三种基本能力；掌握并熟练应用合力投影定理、合力矩定理及力的平移定理三个基本定理；正确列出平面一般力系、汇交力系及平行力系情况下的三组平衡方程。

课后文献阅读：[1],[2],[3],[4],[5]相关章节。

课后作业和讨论：刚体静力学基本概念与理论作业与讨论。

（三）静力平衡问题（教师课堂教学学时（4小时） + 学生课后学习学时（6小时））

教学内容：平面力系平衡问题的分析方法，静不定问题的概念；平面桁架内力分析的节点法和截面法；力在空间坐标轴上的投影，力对轴的矩，空间力系的平衡方程及其求解。

基本要求：本章通过前面建立的平衡方程，体会平衡方程解决工程实际问题受力的方法。必须理解物体系的平衡及静定和静不定问题概念；掌握平面简单桁架内力计算；了解和掌握力对点的矩和力对轴的矩；了解和掌握空间任意力系向一点的简化及主矢和主矩和空间任意力系的简化结果分析；熟练掌握空间任意力系的平衡方程及应用举例。

课后文献阅读：[1],[2],[3],[4],[5]相关章节。

课后作业和讨论：静力平衡问题作业讨论，静力平衡问题在工程中的应用讨论。

（四）变形体静力学基础（教师课堂教学学时（6小时） + 学生课后学习学时（6小时））

教学内容：工程静力学研究主线，变形固体的基本假设；内力截面法；杆件的基本变形；杆的轴向拉伸和压缩；一点的应力和应变；杆的拉压静不定问题分析；应力集中的概念。

教学要求：了解变形固体静力学分析的三个基本假设，熟悉变形体静力学分析的三条主线，能熟练运用截面法求解变形体的内力；掌握应力和应变的一般定义；了解杆件变形的基本分类，重点掌握拉压杆的变形和应力求解方法及其相关公式，了解拉压杆斜截面上应力变化规律及其求解方法；掌握简单拉压杆结构的位移求解方法，掌握拉压杆超静定问题的求解方法和思路；了解应力集中的概念。

课后文献阅读：[1],[2],[3],[4],[5]相关章节。

课后作业和讨论：截面法求内力，杆的轴向拉伸和压缩，杆的拉压静不定问题分析。

（五）材料的力学性能（教师课堂教学学时（2小时） + 学生课后学习学时（2小时））

教学内容：低碳钢拉伸应力应变曲线，材料的几个重要的性能指标；不同材料拉伸压缩时的机械性能；延性材料和脆性材料破坏的强度指标，泊松比。

教学要求：了解材料力学性能测试的基本要求和规范；熟悉典型材料（主要是低碳钢和铸铁）的拉伸和压缩力学性能，掌握各材料参数的提取方法和物理含义。

课后文献阅读：[1],[2],[3],[4],[5]相关章节。

课后作业和讨论：材料的力学性能讨论。

（六）强度与连接件的设计（教师课堂教学学时（6小时） + 学生课后学习学时（6小时））

教学内容：强度条件和安全系数，拉压杆件的强度设计；剪切及其实用计算；挤压及其实用计算；连接件的强度设计。

教学要求：了解强度设计的实际意义，掌握不同材料的强度准则，了解安全系数的工程背景和意义；熟练掌握拉压杆的强度计算；掌握常用连接件剪切和挤压强度的实用计算方法，能综合运用各强度条件来校核实际工程结构的强度并设计结构尺寸和载荷。

课后文献阅读：[1],[2],[3],[4],[5]相关章节。

课后作业和讨论：拉压杆件的强度设计计算；剪切及其实用计算；挤压及其实用计算；连接件的强度设计计算讨论。

（七） 流体力、容器（教师课堂教学学时（0小时） + 学生课后学习学时（4小时））

学习内容：利用静力学的原理计算流体力，分析薄壁容器的强度问题。

学习要求：了解流体的特征，流体受力分析，静止流体中的压强计算；流体作用在平面壁上的压力计算；流体作用在曲面壁上的压力计算；圆筒薄壁压力容器应力计算，球形薄壁压力容器应力计算。

课后文献阅读：[1],[2],[3],[4],[5]相关章节。

课后作业和讨论：流体作用在平面壁上的压力计算；流体作用在曲面壁上的压力计算；圆筒薄壁压力容器应力计算，球形薄壁压力容器应力计算。

（八）圆轴的扭转（教师课堂教学学时（4小时） + 学生课后学习学时（4小时））

教学内容：扭转的概念，扭矩与扭矩图，圆轴扭转的应力和变形；极惯性矩和抗扭截面系数；圆轴扭转一点应力状态，强度条件和刚度条件，静不定问题。

教学要求：理解剪切胡克定律，切应力互等定理。熟练掌握圆轴扭转的内力、应力和变形分析及计算，能运用强度条件与刚度条件进行圆轴扭转校核，以及结构尺寸和载荷设计。能解决简单静不定问题。

课后文献阅读：[1],[2],[3],[4],[5]相关章节。

课后作业和讨论：圆轴扭转的内力、应力和变形分析及计算，圆轴扭转强度与刚度设计计算，简单静不定问题讨论。

（九）梁的平面弯曲（教师课堂教学学时（6小时） + 学生课后学习学时（8小时））

教学内容：梁的概念；截面法作梁的内力图；梁的平衡微分方程；梁的内力图的简捷画法；梁的应力与强度条件；惯性矩和抗弯截面模量；矩形截面梁的剪应力；介绍梁的变形与刚度条件。

教学要求：了解梁的平面弯曲的基本概念，能熟练运用截面法求梁的内力和作内力图；掌握运用梁的平衡微分方程进行梁内力的简捷画法；重点掌握梁的变形和应力求解方法及其相关公式，了解梁的横截面上应力变化规律及其求解方法；了解矩形截面上切应力的求解方法及其变化规律；了解梁的挠度、转角的求解方法。

课后文献阅读：[1],[2],[3],[4],[5]相关章节。

课后作业和讨论：截面法求梁的内力和作内力图，梁内力的简捷画法；梁的应力计算。

（十）应力状态、强度理论与组合变形（教师课堂教学学时（4小时） + 学生课后学习学时（6小时））

教学内容：平面应力状态的一般分析；极限应力与主应力；广义胡克定理与应变能；强度理论简介；拉（压）弯组合变形、弯扭组合变形。

教学要求：理解应力状态的概念，掌握用单元体描述一点的应力状态；理解主应力、主平面、最大切应力等概念；了解用解析法进行平面应力状态分析；了解空间应力状态、广义胡克定律；理解强度理论的概念，掌握四个常用的强度理论及其适用范围；掌握拉（压）弯组合变形、弯扭组合变形构件的强度计算。

课后文献阅读：[1],[2],[3],[4],[5]相关章节。

课后作业和讨论：一点的应力状态的表示，主应力的计算；组合变形的强度设计计算和讨论。

十、课程成绩评定与记载

课程成绩构成（建议增加形成性评价成绩所占比例）：

本课程为考试课。考核形式采用平时考核与期末考核相结合的模式，其中：

平时作业占20%；

过程表现占30%，包括课堂提问、小测验、小论文；

期末考试占50%。

                                                                        大纲制定：华中科技大学《工程力学》课程组

教学方法与教学手段：

1.以课程为载体，启迪研究思维，以启迪研究思维为核心，建设课程

深刻认识“重视探究性学习、研究性学习，体现以学生为主体”的现代教育理念，在传授知识的同时，尤其要注重对学生实践能力和创新能力的培养，而创新能力培养的核心就是启迪学生的研究性思维。

力学具有几千年的悠久辉煌历史，有推动社会科技进步的丰硕研究成果；在力学的发展过程中出现了一大批伟大科学家，有丰富的研究与实践积累；力学有基础科学、技术科学的双重属性；力学是工科学生走进技术科学领域的先导课程；力学所研究的问题具有明确的几何意义和物理意义；是启迪学生研究思维的无尽源泉。

2.注重培养归纳思维方法教学，启迪研究性思维

启迪和培养研究型思维尤其要注重归纳思维方法的培养。现在的课堂教学通常都十分注重演绎，尤其注重公式的推导和问题的求解。然而，与注重演绎相比，对问题、方法和结论的归纳探究却比较薄弱。归纳法是先抓住现象，然后从这些现象中抽出其精髓（共性与本质），通过归纳建模，建立新的概念、规律或原理，再进行验证／改进。因此，归纳法是比较注重创新的方法，常常需要研究与探索。培养大学生的研究性思维，必须注重归纳思维方法。综合与扩散、求同与求异等等，都是常用的归纳思维方法。

本课程在注重演绎思维的同时，着力启迪、运用归纳思维方法，注重将分割过细、缺乏联系的知识进行归纳，转变为整体性的、触类旁通的、由现象到本质的认识。注重寻求问题的共同点，探索事物的普遍规律，有利于发展、建立新理论；注重探讨问题的差异，认识具体问题的特殊性，了解一般与特殊间的联系；才能更有利于培养创造性运用知识研究、解决实际问题的能力。基于归纳思维的认识与思考，对于启迪和培养研究性学习、思维是十分有益的。

反映到力学课程教学中，以力学课程为载体，做到如下几点：

突出主线。以力的平衡、变形的几何协调、力与变形间的物理关系为分析研究固体力学问题的主线，以建立学生对力学课程的整体认识，为以后探索未知问题启迪研究思路。

突出共性。研究变形体力学问题的基本方程都是平衡方程、几何方程和物理方程，静定问题和静不定问题的差异只是静定问题可依次求解，静不定问题须由基本方程联立求解；控制设计的所有破坏判据都是作用要小于抗力；等等。启迪学生对于问题共性的认识，差异的比较。

突出建模。力学模型的建立，是分析的基础。通过课程深入了解力学模型的意义、适用条件和限制，加强对于已有力学模型的认识与探究，是培养建模能力的必需。理想化模型的建立，与材料有关，与所研究的问题有关，与所考虑的变形大小有关。需要建立若干不同的模型，以适应不同的材料、不同的问题。

3.“各环节、全过程、多方位”启迪研究思维

针对一个问题，利用已有知识进行力学分析，找到答案，就完成了任务，这是许多学生已经习惯的。止于此，则不能启迪研究型思维。研究性思维必须注重探究/研究。要与学生探讨研究什么？如何研究？为此，我们提出了“各环节、全过程、多方位”启迪研究思维的教学方法。所谓各环节，是指从教材、课堂、实验、实践等各环节启迪研究思维。所谓全过程，是指沿着提出问题®建立模型®选择方法®演绎结果的整个研究过程启迪研究思维。所谓多方位，是指对不同的问题从不同的角度用不同的方法探究。

首先要与学生探讨的是研究什么？沿着提出问题®建立模型®选择方法®演绎结果的全过程，都可研究。如问题有什么背景？提法是否合理？是一般性问题还是特殊性问题？分析中采用的假设、模型、方法的适用性如何？有什么限制？结果的物理意义/几何意义？结论随问题中参数的改变如何变化？结论的正确性条件？如此等等，都是值得探究的。重点解决研究什么的问题，启迪研究意识。

如何研究？这是研究能力的培养，需要不断积累。必须结合研究问题的全过程，多方位启迪探究方法。如问题、结果的延拓，一般与特殊的比较，物理意义与几何意义，复杂/未知问题得到的结果向简单/已知的结果退化，不同方法、不同材料模型对问题认识的深化等等。以课程为载体，注重多方位探究示范，与学生一起探究，日积月累，定有成效。

4. 利用科研积累转化／促进教学

启迪学生的研究性思维，必需注重教师自身研究素质的提高。科研与教学是可以相互促进的。科研可以深化对学科／课程的认识与理解，教学可以使学科认识系统化、整体化。科研对教学的促进可以具体表现为：（1）教师科研素质的提高，有利于启迪学生的研究性思维；（2）科研成果有利于教学内容更新，促进课程和教材建设，以及开设新的课程；（3）科研实验向教学延伸，以利于综合性、研究型教学实验（包括缺陷体、复杂结构系统力学性能实验等）的开设（自选）；（4）依托科研基地，培养优秀人才。

5.突出启迪研究思维特色，打造工程力学精品课程，建设共享教学资源

精品课程建设是提高教学水平／质量的根本。课程组以启迪研究思维为特色，丰富内涵，深入研究多媒体信息化教学方法，提出并研制精细多媒体课件，从教材－课堂教学－实验与实践－练习与考核－网络资源与环境各环节入手，打造精品课程。

精细多媒体课件是教学质量的保证。充分利用现代教学手段，不仅能适应社会发展、知识扩充，更重要的是有利于发挥团队力量，提高整体教学质量。提出精细多媒体课件的研制目标是“既发挥多媒体图文工整规范、形象具体直观、快捷、信息量大、便于共享的优势，又保留传统板书教学节奏可控、交流自如等特点”。十余年来，我们不断实践、改进，研制了多门课程的精细多媒体课件。课程的全套多媒体课件已挂在课程网站上，“工程力学”电子教案已由高等教育出版社出版。课程网站提供有全程教学录像、电子教材、精细化多媒体课件等丰富资源，校内外不少教师和学生通过网络与我们交流和讨论，产生了良好的社会效益好，有效实现了课程资源的共享。

本课程的教学课件、实验指导、网络课程、学生答疑系统等资源已上网，学生可以根据需要使用。

教学条件：

1．教材使用与建设

《工程力学》课程组历来重视教材建设。77年恢复招生后，立刻组织力量集体编写了《工程力学》教材（简称黄皮书），当时全国有数十所学校使用该教材。在此基础上，修订了《工程力学》教材（简称蓝皮书）。80年代中期，赵诒枢教授重新编写了《工程力学基础》（先后修订三次），91年获校优秀讲义二等奖。90年代初由赵诒枢、李长春教授等合编了《工程力学教程》，95年经修订后由华中理工大学出版社出版。1999-2002年，由陈传尧教授主编的《工程力学基础》、王杏根副教授主编的《工程力学实验》和陈建桥教授主编的《材料力学》等三本教育部面向二十一世纪课程教材由华中理工大学出版社出版，《工程力学基础》教材到04年已第五次印刷，同年获校优秀教材二等奖。出版了教学参考书二本，即刘鸿文主编的《材料力学》和孙训芳主编的《材料力学》教材习题解。教研室老师同时参与了80年代由九院校共同编写的《材料力学》教材。陈传尧教授主编的《工程力学》教材2006年6月由高等教育出版社出版，并入选国家十一五规划教材。该教材体系科学、选材精当、论述严谨、图文并茂，既很好地体现了工程力学的基础性与综合性，也在贴近时代与扩大视野方面很好地体现了教材的前瞻性与引导性；教材有利于加强对工程力学的整体认识，有利于突出创新精神和实践能力二个重点；有利于锻炼、培养、激发创造性思维，注意了学生素质与能力培养，改革力度大，特色鲜明，是一本全新教材。

此外还采用单辉祖、范钦珊、梅风翔教授的“十五”规划教材作为参考和补充。

2．配套实验教材的教学效果

本课程有配套的面向21世纪课程教材《工程力学实验》和自编实验教材《材料力学实验》。教材分为材料的力学性能试验和应力分析实验两大部分，经过多次使用，效果良好。

3．实践性教学环境与网络教学环境

华中科技大学力学实验中心在学校和世行贷款支持下，设备先进，管理规范，网上预约，全天侯开放。实践教学环境在国内高校中处于前列。现正按教育部实验教学示范中心进一步加强建设。机测实验2–3人一组，可按国家标准完成试验。自行研制的多功能电测试验台（40台），可完成弯曲应力、弯扭组合、互等定理实验、压杆稳定、弹性常数E、ν测定、偏心拉伸、薄壁圆筒内力素测定实验、挠度和转角测定等实验，还留有计算机接口，可实现数字采集、处理微机化。

师资队伍：

“工程力学”课程团队由国家名师陈传尧教授教领衔，2008年获批建设国家级教学团队。由教学水平高、学术造诣深的教授或副教授组成团队骨干，引进一批思想活跃、业务素质高的青年教师。围绕课程建设，以优秀教师为核心，形成了一支老中青结合、责任感强、团结合作精神好、治学严谨、热心从教、注重教书育人、科研素质高的教学队伍。课程团队现有教师15人,其中教授7人，副教授5人，讲师3人，有博士学位的教师10人。15名教师中，从不同学校取得学历或学位的人有13人，比例为86.7%。团队中国家教学名师1人，教育部新世纪优秀人才1人，湖北省杰出青年基金获得者1人，《Acta Mechanica Solida Sinica》执行副主编1人，《固体力学学报》执行副主编1人，全国百篇优秀博士学位论文提名奖1人。工程力学实验指导除教师外，还有力学实验中心工程技术人员承担辅导实验教学任务。

长期坚持新进、调入教师正式授课前的试讲制度，安排青年教师给老教师任助教一至两遍，学习老教师在教学方面的经验、渊博的知识以及高尚的师德，培养青年教师队伍。组织青年教师参加各项教改，长期坚持教学研讨，定期进行示范教学交流。规定青年教师必须参加校、院系教学竞赛活动，努力提高教学质量。

本课程在国内外同类课程中的地位：

本课程2003年被评为“省级优质课程”。主持国家级教改项目2项，获湖北省教学成果一等奖3次。出版教材、教学评价、实验基地、教改与获奖均说明本课程建设在国内处于前列。《工程力学》课程于1996年被评为学校一类（优质）课程； 2002年被评为湖北省高校优质课程。2005年被评为学校和湖北省精品课程，2006年被评为国家精品课程。

课程建设是一项长期的工作。时代在发展，社会在进步，课程建设也要不断发展，不断革新，不断完善，我们将以信息技术为手段，以精品课程建设和资源共享课程建设为契机，不懈探索与创新，使我们的教学水平和教学成效再上新台阶，为学生提供尽可能好的教育。