交通与土木工程学院 曹小建
01
.案例简介
嫦娥五号（Chang'e-5），由中国空间技术研究院研制，是中国探月工程三期发射的月球探测器，也是中国首个实施无人月面取样返回的月球探测器，它的登月为中国探月工程的收官之战。2020年11月24日，长征五号遥五运载火箭成功发射嫦娥五号探测器，并将其送入预定轨道。11月28日，嫦娥五号进入环月轨道飞行。12月1日，嫦娥五号在月球正面预选着陆区着陆。12月2日，嫦娥五号着陆器和上升器组合体完成了月球钻取采样及封装。2月2日，嫦娥五号完成月面自动采样封装。12月3日，嫦娥五号上升器将携带样品的上升器送入到预定环月轨道。12月6日，嫦娥五号上升器与轨道器和返回器组合体交会对接，并将样品容器转移至返回器中。12月17日凌晨，嫦娥五号返回器携带月球样品着陆地球。时间跨度从该学期第13周到第16周。正好同步《工程力学（一）》知识综合运用及复习迎考部分。整个嫦娥五号作业绕、落、回三部曲及制造过程中，涉及了很多基础力学相关知识点，而且这次也实现了很多第一次。中国航天人大胆探索、奋勇争先、团结协作的精神值得我们利用课程思政的机会进行宣扬。此次登月壮举也能增强爱国自豪感。利用总复习课对登月取土过程进行慢动作分解，既完成了课程复习任务，也同时能进行思政教育。因此“嫦娥五号”较契合这次复习课。
02
.课程思政教案设计思路
《工程力学》课程面向工程管理专业大一学生于第二学期开设。学生已从学长们口中得到了“力学课很难”、“挂科率高”、“考研时要复习”等信息，再加上力学本身具备的理学特性，他们从心理上产生了畏难情绪。力学在工程中怎么应用的呢，工程事故跟力学有些什么联系呢，工程设计中怎么考虑力学因素呢，虽然上课过程中会补充很多工程案例，但这些问题始终萦绕在心头。学期末的总复习应该把握契机，围绕一个热点时政事例，代入所学课程知识逐一回答这些问题，让学生对整门课有系统认识并升华其对基础力学的理解。
经过一学期《工程力学（一）》课程的学习，同学们已经学完力系简化、静力平衡、四种基本变形（拉压、扭转、弯曲、剪切）下的内力、应力和变形计算、应力状态分析、组合变形及断裂准则等。看上去零散分布的知识点，其实是一个有机整体。大部分工程结构从设计美学、安全性、操作度、机加工等角度看都用到了力学知识，其中一部分属于本门课程中的知识。想在一个实例中实现各知识单元的融会贯通较难，今年适逢中国航天“嫦娥五号”登月作业并返回地球，给总复习课提供了一个非常好的教研对象。通过选择高技术含量的“嫦娥五号”登月、采集岩样、返回做实例，结合基础力学知识让同学们感受到“基础力学也能推动技术发展，力学是真正接地气的学科”。同时还能培养学生的爱国自豪感。
教案设计中考虑到前面已经学过拉压、扭转、弯曲独立变形下的内力、应力和变形计算，课程总复习中先要简单归纳并练习。接下来分别对嫦娥五号的登月着落、钻取月面岩样、机械臂取样封装等等分别结合“约束”、“力系平衡”、“重心”、 “拉压变形”、“弯扭组合变形”、“强度准则”、“超静定”等知识点进行分析。
最后对本节课内容进行总结归纳，并布置复习题，让学生进一步巩固《工程力学（一）》课程各知识要点。
03
.课程思政教案设计
一、课 程 概 况
课程名称
工程力学
所属学校
南通大学
授课章节
工程力学课程复习
授课人
曹小建
授课对象
工程管理20级
使用教材
哈工大《理论力学(I)》；孙训方《材料力学(I)》
二、学 情 分 析
学生知识
经验分析
经过前期学习，已学完约束、平衡、重心，具备拉压、扭转、弯曲、剪切独立变形下的内力、应力、变形计算的基本功。
学生学习
能力分析
已掌握截面法求内力、任意截面应力分布、指定点的位移计算能力，具备独立思考、概括和判断能力。
学生思想
状况分析
1、对静力学和材料力学之间的联系认识不足；2、对工程力学知识如何工程应用欠缺体会。
三、教学内容
课堂教学
目标
（一）知识目标：1、对《工程力学（一）》进行系统复习；2、分解“嫦娥五号”各作业工序过程并进行力学简化模拟分析。
（二）能力目标：1、学生深入理解理论力学静力学和材料力学之间的联系；2、学生理解工程力学课程知识点如何用于分析实际问题。
（三）价值目标：1、热爱专业，排除对力学课程的心理畏惧；2、理论联系实际，学以致用；3、通过了解“嫦娥五号”的成就进一步培养爱国情怀和自豪感。
教学知识点
1、复习静力平衡及受力分析；2、复习拉压、扭转、弯曲、剪切基本变形对应的知识点；3、复习平面应力状态组合变形及安全性分析计算。
思政资源
（一）思想政治教育素材：1、约束及约束力（光滑支撑面--着落器四条金灿灿（铝皮+聚酰亚胺）的支撑腿、二力杆和固定端--加固支撑腿的两条斜杆、向心轴承--钻杆传动装置等）；2、空间（平面）体系平衡及重心（平行力系的平衡—“嫦娥五号”在月面着落及2019年印度和以色列登月器的坠毁）；3、杆件拉压变形（拉压杆--各部件间的连接杆件、拉伸性能--着落器选用的大部分是金属基材料（如铝基复合材料具有低密度、高强度、高模量、耐磨损等优异特性））；4、扭转变形（扭转—钻杆及岩样封装系统中的传动装置、极惯性矩—2.5米长的空心钻杆）；5、弯曲变形及弯曲超静定（悬臂梁--机械臂及拍照杆、弯曲超静定—车床切削过程中的顶针、截面性质--“嫦娥五号”采用了厚壁管材）；6、弯扭组合变形（弯扭组合—为提高钻杆稳定性设置横向约束更好）；7、应力状态分析及断裂准则（钻杆试验操作中的“回转”“冲击”和“回转+冲击”三种模式来适应降落处不同土质）。以上各知识点均可建立其与“嫦娥五号”间的联系。
（二）思想政治教育元素：1、计算过程要严谨认真，设计选材要全面分析比较（求真务实）；2、领略力学的实用性，复杂的高精尖技术中也蕴藏着基础力学知识（大胆探索）；3、为中国登月技术领先其他国家而喝彩（爱国主义情怀）。
四、教学方法与手段
教学方法
讨论法（你认为嫦娥五号着陆后完成任务中涉及了哪些力学知识）、案例教学法（对嫦娥五号各工序进行分解分析并适当补充）
教学手段
多媒体课件教学，口头讲授
五、教学过程设计
教学内容和教学过程
专业知识与思政的融合
1、复习静力学部分（12分钟）；
看上去简单的月面着落，背后有故事：为了让“嫦娥”五号稳稳落月，并确保所搭载的各种敏感设备不受“内伤”， 天津大学空间力学团队圆满完成了着陆器稳定性试验面和着陆冲击试验面的研制。模拟出只有地球六分之一的重力环境。针对“嫦娥”落地，也全面模拟了可能会碰着石头、遇到斜坡等各种极端工况。另外取土机械臂和钻杆也有相应的约束形式。这里面关联到约束和约束力、力系简化、力系平衡、重心等静力学知识点。
2019年印度和以色列登月器坠毁是因为着落前通讯中段，中国采用了中继星技术，确保了着落过程中指令畅通，顺利完成任务。
科学工作是严谨的，在实际处理过程中要求真务实。正是有了地面模拟的大量数据积累才能确保中国一步步取得登月目标的胜利。
失败是成功之母。两国失败了，但他们都没有放弃。该学习他们锐意进取的态度。
同时我们应该为中国航天人喝彩，充满民族自豪感。
2、复习拉压变形及材料拉伸性能（23分钟）
探测器上面的腿也是不一般的，当发动机关机以后，嫦娥5号的探测器就会以自由落体的形式进行着陆。对于支撑腿要求严格，要让它既可以支撑这个探测器，又可以起到一个缓冲的作用。这些腿最终由航天科技集团五院完成，着陆缓冲机构具有完全自主知识产权的“偏置收拢、自我压紧”式方案。经过了无数次实验，历时六年，最终研制出一种新型缓冲吸能拉杆材料，命名为高效吸能合金，塑性能达到80%~110%，远超常用金属。这涉及到杆件的拉压变形及拉伸性能曲线。
很多创造都是不断尝试，从无到有的结果。面对问题要有大胆探索的精神，这也是创新的过程。
3、复习扭转变形（15分钟）
首次在宇航任务中提出静磁力矩代替制动力矩方案，省去制动器环节，电机变得更小更轻，由航天科技四院完成。月面打孔的钻杆为2.5米长的铝基复合材料空心钻杆（空心杆件降自重，优于实心受扭杆件），钻杆由中科院金属所完成。这些内容跟扭转内力和极惯性矩关联密切。
“嫦娥五号”登月是国家工程，从上到下各个环节都由不同单位完成，强调系统工程中团结协作的重要性。
4、复习弯曲变形（25分钟）
用于表取采样的表采式机械臂机构，俗称“挖土铲”，它可以360度无死角可视化操作，臂的末端一头是一个小铲子，一头是浅表钻，可以轻松完成铲挖、浅钻、拾取这些动作，在我国地外天体上是首次使用。表采式机械臂发力依赖于航天科技四院401所微特电机事业部研制的表采关节臂电机组件。如同人体手臂乃至手掌的力量来自肱二头肌、肱挠肌、掌肌等一样，机械臂各个关节的力量就来自于安装在关节处的4台表采关节臂电机组件。简化之后有受弯构件。关节电机控制的是节点转角。这些都是典型弯曲问题。
比起隼鸟号简单粗暴的子弹打击收集扬起的灰尘，取样环节技术更高超。但隼鸟号来回7年飞了60亿公里，也是了不起的成就。各国都在航天领域奋勇争先。
5、复习平面应力状态、强度准则、组合变形（25分钟）
研制团队开展了上千次地面钻取试验，积累形成了不同工况的钻取参数数据库；通过在轨预编程自主控制，实现了钻取子系统“回转”“冲击”和“回转+冲击”三种模式，以及不同参数的自由切换，以适应多种月壤工况。航天科技集团五院510所。这是典型组合变形问题，也关联到应力状态和强度准则。
创新性地引入了锤击电机，另外采用了双电机系统确保钻杆工作（同时采用超静定保证了钻杆工作时的横向稳定）。
样品系统装在嫦娥五号最顶端，由主体框架、密封容器组件、盖体组件和开合机构组件等组成。镂空的主体框架上分布着用于转移的棘齿和导向条，钛合金和铝合金材料能保证其结构强度和刚度，并最大限度减轻重量。
如此复杂的工作系统基本指导思想中包含了大量基础力学知识。力学简化是好办法，它是接地气的学问。消除学习力学的畏惧感。
强度、刚度、稳定性是材料力学的关注点。工程结构使用过程中时刻要以人为本，确保安全。
4、当堂练习及讲解（18分钟）
小练习一道，拉弯扭组合变形及第三强度理论校核强度，其中涵盖了约束、受力分析、拉压、扭转、弯曲、强度准则、组合变形众多知识点。
5、回顾总结（2分钟）
主要是激励学生的学习积极性，因为他们还有后续力学课程。
课后作业
1、补充工程实例一例（交通灯柱及横杆设计力学简化计算）；2、总复习练习题（5道计算题）
注：本教案是总复习课的教案（三节课）。
04
.案例实施及成效
因为是复习课，首先对课程知识单元进行了系统复习。包括理论力学部分的约束和约束力、力系平衡、重心，还有材料力学三种主要变形形式、应力状态分析、组合变形等。在讲到嫦娥五号支撑腿截面形状时，提到了钻杆和支撑结构很多取空心截面更优，结合扭转和弯曲进行了分析。让大家体会到基础力学课也可以放光芒，对生产生活起作用。
复习课初抛出“你任务嫦娥五号落月、取土过程中能联系上咋们这学期所学哪些力学知识”的讨论题目后，大伙第一反应是马上查手机。经过5分钟的讨论，选择了几个同学进行了简要回答，并一一进行了补充解释。几个同学自己手写的回答见下图。整个过程气氛融洽，结合今年日本隼鸟号，去年印度和以色列的登月失败事例，同学们心中既喝彩高兴也暗暗攒劲，希望中国继续加油。
学生见解
又结合试卷提问学生如果给的是T型截面杆怎么摆放较好（如下图），通过简单的计算，学生弄懂了惯性矩、截面形心对材料强度和刚度的影响。今年本门课程考卷上也有日常生活小常识、仿生案例，当然也有时政热点的小题目，都是想让同学们认识到以前普遍认为是枯燥理论课的力学课程其实也可以很有趣，这是个接地气的实用课程。
最终成效如何，还要看试题上自由发挥的最后一道题目大体完成情况。至少目前看，大家学力学的热情已经被点燃了。
05
.教学反思
《工程力学》课程面向校内工程管理、张謇学院、环境工程、测仪等专业开设。在大一第二学期或大二开设。常常会碰到高考物理C的同学反映，不怎么懂，基础差，有明显的畏难情绪。但开设力学课之前，大学物理里面其实已经接触到许多力学知识了。力学公式繁多，这只是表面现象。作为很多专业唯一设置的力学课或第一门力学课，打好力学基础对后续课程尤为重要，如何化繁为简、深入浅出是力学老师应该下功夫的问题。虽然大一第一学期专业课老师们通过专业导论课告诉了学生本专业的课程体系，大家对于力学课仍没有具象的认识，会有力学没什么大用的感觉。力学在工程中怎么应用的呢，工程事故跟力学有些什么联系呢，工程设计中怎么考虑力学因素呢，这些问题需要慢慢解答。
工程力学是理论力学静力学部分与材料力学的结合体，应该在课程思政方面发挥自身的作用，首先要通过绪论章节打消学生的力学恐惧症。囿于个人的古典文化及知识面的欠缺，讲授中能利用的经典素材不多。经收集，《营造法式》、《诗经》、《考工记》、《易经》、《齐民要术》等中国经典可作为传统教育素材；胡克定律及中国郑玄的理论可作为中外对比的素材；中国每年几十起工程事故是理论联系实际的好素材，可以将它们延伸到工程结构的设计、制造、运行、维护中，结合力学理论和思政要点进行讲解。因此，《工程力学》不缺乏思政素材。
嫦娥系列登月是中国人的大事，同学们耳熟能详。但南通大学的学生一般都会觉得咋们学校没有航空航天专业，将来也不会从事相关工作。其实不然，课堂上要鼓励他们进一步深造读研究生，争取能考进国内更高平台的学校。像我大学同学就有参与战斗机制造，也有参与航空航天项目的。当年找工作也参与过成飞、中航5院等的面试。不能坐井观天，更不能自怨自艾。这个案例虽然没有讲到这些，今后若是类似案例，还应当加以补充。
每年都会发生许多工程事故，通过归类总结，能看到的表象是工程人员不按规范操作、安全意识不强、偷工减料等原因，但深层次分析就是他们力学思维欠缺，强度、刚度、稳定性这几个材料力学中强调的要素其中一个达不到要求就容易发生事故。通过事故案例的分析，结合知识点，培养学生爱岗敬业、社会责任感、以人为本、团结协作的价值取向。毕竟工作后参与建设的工程都要满足设计要求、能安全服役到预期寿命，力学课程应该通过课程思政加以引导。对比印度和以色列2019年的登月失败，强调工程中的力学思维是必要的。
自然科学有很多内容是相通的。总的来说，这次登月取样工作是很好的思政素材，除了能应用在《工程力学》课程内展开课程思政教育，几乎涵盖了数学、力学、材料、制造、控制等多学科知识。还有很多值得老师们发挥的空间。
06
.特色与创新
大部分老师喜欢在课程导论部分甚至每章开头背景介绍里面进行课程思政教育，这个“基于嫦娥五号的工程力学总复习案例”放在了整门课程的最后，希望通过这个案例的分解促进同学们对知识系统的理解，并点出复习的重难点。
嫦娥五号登月计划的过程恰逢课程收关，时间上最近，同学们通过媒介等感知最多，总复习过程中及复习后同学们对该事件仍热情不减时间衔接上恰到好处。期末考试中有涉及相关相关未讲到的细节进行力学分析的发挥空间较大。
来源：南通大学教务处公众微信号
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