淺談工程力學教學中實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

劉 靜, 周曉玲, 汪中厚

（上海理工大學機械工程學院，上海 222293）

淺談工程力學教學中實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

劉 靜, 周曉玲, 汪中厚

（上海理工大學機械工程學院，上海 222293）

在分析工程力學教學特點的基礎上,提出針對實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的工程力學教學方法。通過在課堂理論教學中滲透工程實踐,設置綜合性課程實驗,開展基于課題的綜合課程設計；進行啟發(fā)式教學,研討課教學和研究型教學,培養(yǎng)學生的實踐與創(chuàng)新能力,從而在提高教學效果的同時,實現(xiàn)工程應用與創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標。

工程力學；教學；實踐；創(chuàng)新

一、工程力學教學特點

工程力學課程是工科眾多專業(yè)的重要專業(yè)基礎課，包括理論力學和材料力學。通過理論力學教學，使學生掌握質(zhì)點、質(zhì)點系和剛體機械運動（包括平衡）的基本規(guī)律和研究方法，能進行多物體運動機構的分析，求解多自由度系統(tǒng)的動力學問題，并具備從身邊的力學問題中，建立初步的力學模型進行定性分析和研究的能力。通過材料力學的教學，使學生掌握構件的強度、剛度及穩(wěn)定性的計算方法，掌握材料力學的基本概念和理論，能夠求解變形體在受力后的強度、剛度和穩(wěn)定性問題。

工程力學課程涉及的專業(yè)面廣，學生人數(shù)眾多，為工科學生學習后續(xù)專業(yè)課程起承上啟下的橋梁作用，并且其理論在工程技術領域有著廣泛的應用。它既具有廣泛的通用性和較強的理論性，又具有鮮明的實踐性和工程性［1］，同時又具有伴隨科技和學科發(fā)展的更新和創(chuàng)新性。這就要求工程力學教學要適應學科發(fā)展的需要，從理論教學、實驗教學和課程設計三方面，思考和重視教學設計與規(guī)劃，實現(xiàn)以知識為載體，以教學為平臺，以科學的教學設計為手段，達到學生既能扎實掌握工程力學的理論體系，又能分析和解決工程實際問題，并主動運用創(chuàng)新思維及方法，實現(xiàn)工程應用和創(chuàng)新的目的，從而培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

二、教學中的實踐能力培養(yǎng)探索

(一)理論中滲透工程實踐的課堂教學

工程力學的理論知識比較抽象，而學生又缺少對工程實際的認識，所以在課堂教學中教師應注意教學的直觀性，充分利用實物、多媒體等手段，增加學生的感性認識，從而加深對理論的理解。在課堂教學中，講解課程基礎理論知識的同時，引入大量的工程實例以及生活中的力學問題，以激發(fā)學生的學習興趣，加強其工程分析能力，使學生掌握基本的工程計算方法。同時，注重多媒體課件的設計，在課件中插入大量的工程圖片、例題和動畫，以及各種力學分析CAE軟件。如此，通過增加每堂課的信息量，來調(diào)動學生的課堂積極性，拓展學生視野，使其在加深教學內(nèi)容理解的同時，了解基本理論在工程實際中的應用，培養(yǎng)學生主動運用所學知識解釋和解決問題的習慣，鍛煉他們的力學思維能力。

例如，在理論力學教學中，就具體的工程案例，進行理論推導求解之后，可以利用多體動力學仿真軟件ADAMS建立相應的可視化力學模型，并快速求解和顯示動力學參數(shù)。如圖1，為講解桁架結構受力分析時的一個例子，講授用節(jié)點法和截面法求解桁架中各桿的受力情況。在ADAMS中建立一個典型桁架的結構力學模型，運行仿真之后，在后處理窗口可以很直觀方便地查看每個桿的受力情況，再同理論推導結果相對比，驗證理論推導結果的正確性。同樣在材料力學教學中，講解物體受力變形，可以利用有限元仿真軟件ANSYS，建立三維有限元模型，直觀顯示物體在不同的受力及約束條件下，不同位置的變形、應力、應變情況。如，在推導應力公式時，通過演示經(jīng)過映射網(wǎng)格劃分后的桿、梁的拉伸、彎曲和扭轉變形動畫，學生可以清楚地看到相鄰截面間的變形情況。利用軟件的三維可視性，可以激發(fā)學生的興趣，加深對理論知識的掌握和理解。

圖1 桁架結構的ADAMS力學仿真Fig.1 Dynam ic sim ulation of truss in ADAMS

在理論教學中穿插工程實踐的求解案例，不僅有助于學生對力學理論的掌握，而且可以幫助學生了解工程力學領域知識的發(fā)展及應用現(xiàn)狀，提高學生主動學習知識和分析軟件的興趣，在活躍課堂氣氛的同時，培養(yǎng)學生的力學應用能力，取得良好的教學效果。

(二)綜合性課程實驗

在工程力學課程實驗方面，設置基礎的課程實驗和綜合性的課程實驗，將教師所從事的部分科研內(nèi)容節(jié)選下來輔助該課程的實驗教學。這樣，學生既能掌握工程力學課程基本的實驗方法，又能學習實際應用中的其它先進的實驗手段，提高解決實際工程問題的能力。

綜合實驗部分的內(nèi)容要體現(xiàn)其綜合性，并非單一性?？梢葬槍讉€不同的實驗對象，綜合多種實驗方法來解決問題。例如，同時設置減速箱齒輪嚙合時齒根應力集中系數(shù)測定實驗、減速箱輸出軸的動態(tài)應力測定實驗、減速箱輸出軸的振動測量實驗等。這三個實驗均要求學生在掌握動態(tài)電測、平面光彈等實驗手段的基礎上，以團隊形式，對一個具體的工程問題，就實驗原理及方法進行設計，自己動手實驗、標定，用計算機和數(shù)碼相機等手段記錄實驗數(shù)據(jù)，通過自己編寫程序處理數(shù)據(jù)，獨立完成實驗報告。圖2是學生自己搭建的實驗裝置，其實驗情況如表1所示［2］。這些實驗可以鍛煉學生查詢資料、搭建實驗裝置、進行實驗總結、撰寫報告以及團隊協(xié)作等多種能力。

圖2 學生自主搭建的實驗裝置Fig.2 Experim ental apparatus built by students

表1 學生實驗情況Tab.1 Experimental conditions of students

(三)基于課題的綜合課程設計

工程力學的工程應用背景廣泛，很多課題研究都與力學相關，為了鍛煉學生的工程實踐能力，可借助相關課題平臺，在大課題中提取相關的小模塊，作為學生綜合課程設計的題目。通過以解決實際工程問題為背景的課程設計，學生的工程實踐能力得以鍛煉和提高，以期畢業(yè)后能迅速解決工程實際問題，從而滿足企業(yè)對應用型人才的要求。

例如，在工程力學課程設計中設置工程計算模塊，通過進行具體計算等環(huán)節(jié)的實踐及訓練，讓學生掌握當前國際上先進的有限元計算方法，在加深理解工程力學基本理論知識的同時，其工程計算能力也得到鍛煉和提高（見表2）。

表2 工程力學課程設計安排表Fig.2 Course design schedule of engineeringmechanics

三、教學中的創(chuàng)新能力培養(yǎng)探索

(一)啟發(fā)式教學

啟發(fā)式教學就是通過在教材的重點、難點、疑點處創(chuàng)設一種問題情境，以引起學生注意，并作適當啟發(fā)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，鼓勵學生主動地、獨立地分析問題和解決問題［3］。這樣既增加了學生的自信心，又激發(fā)了學生的求知欲，不僅可以培養(yǎng)學生學習的積極性，還可以引導學生的思維導向，培養(yǎng)學生思考、分析問題的能力［4］。

在工程力學教學中采用啟發(fā)式教學方法，可以從教學內(nèi)容及專業(yè)背景入手，利用講座、圖片、多媒體等多種形式，介紹學科的最新發(fā)展以及學科發(fā)展史中一些創(chuàng)新實例，讓學生了解相關知識應用的價值，并認識到力學是推動科技進步的基礎學科，從而激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。在課堂教學中，針對課程的重點和難點，可以結合講授工程實例，提出開闊思維的問題，啟發(fā)學生通過查找資料，提出自己的見解，并給出解決方案。教師通過組織討論分析，對學生的每一種想法要給予引導，并給出建設性的積極評價，從而打開學生的想象空間，鍛煉學生自主學習的能力，將灌輸式教學轉變?yōu)閱l(fā)式教學。

(二)研討課教學

研討課教學是讓學生參與教學，教學相長，師生互動，通過專題研討使學生主動建構和拓展知識，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力［5］。教師可以針對課程的重點和難點問題，設置相應學時的專題討論課。在討論課上，采用教師引導、學生主動、互動交流、方法為主、拓寬視野的教學模式［6］，教師設置適當?shù)挠懻擃}目，這些題目可以沒有標準答案，也可以有多種解決方法，讓學生分組準備。研討課的題目要與課程內(nèi)容相關，應當是學科前沿及熱點，需要學生課后查閱文獻，自己提出思路、分析和解答。在研討課上由教師引導，每組學生選代表主講，通過板書、圖片、多媒體、PPT等多種靈活形式展示，并由教師與其他同學進行提問、討論，最后教師進行總結和點評。這種教學形式改變了傳統(tǒng)的“填鴨式”教學，課堂教學實現(xiàn)從“以教師為中心”向“以學生為中心”的轉變；在教學目的上實現(xiàn)從“以知識傳授為目的”向“以能力培養(yǎng)為中心”轉變；在授課效果上實現(xiàn)從聽課學習知識轉變?yōu)殄憻捥岣哐芯縿?chuàng)新綜合素質(zhì)。研討課不僅是課堂教學的必要補充，更是實現(xiàn)師生交流的手段與過程，是強化教學效果、發(fā)展學生個性的一個重要環(huán)節(jié)。

(三)探索研究型教學

“教學”和“科研”是大學教育的“兩條腿”［7］，兩者的相輔相成和有機結合是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要保障，開展研究型教學應視為高校教學活動的一部分。學校要注重師資隊伍建設，重視教師的研究型教學活動，要切實保障教師有時間、有精力、有資金從事創(chuàng)新和發(fā)明創(chuàng)造，因為只有創(chuàng)新的教師才能培養(yǎng)創(chuàng)新的人才。

教師需要參與科研，了解、熟悉本學科的前沿和發(fā)展動態(tài)，不斷提高自己的科研能力，以學科前沿研究帶動教學內(nèi)容創(chuàng)新。同時教師在教學過程中要將科研的各種最新成果應用于教學，針對性地挖掘與科研環(huán)節(jié)相融合的教學內(nèi)容，充分利用每一個教學環(huán)節(jié)，開展研究或?qū)嶒?，將研究型教學的理念貫穿于教學過程，從講授型教學向研究型教學過渡。將科研創(chuàng)新融入大學課堂，指導學生緊跟學科前沿，開拓視野，只有這樣，才能培養(yǎng)出富有創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力的人才。

四、結束語

通過分析工程力學課程教學的特點，并結合作者自身的教學及科研體會，就如何在工程力學教學中培養(yǎng)學生的實踐和創(chuàng)新能力，在課堂理論教學、課程實驗設置以及教學設計等方面進行了一些思考和探索。旨在增加學生對工程實踐的感性認識，提高力學知識的綜合運用，改進工程力學的教學效果，促進教學改革，為學校長期培養(yǎng)工程應用和創(chuàng)新人才教育的目標提供有效的途徑。

［1］段潔利，盧玉華，嚴慕容，等.工程力學教學方法的創(chuàng)新探索與實踐［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2211（7）：56-57，62.

［2］周曉玲，汪中厚，徐名聰.機械系統(tǒng)集成實驗教學方法的構思與實踐［J］.上海理工大學學報（社會科學版），2211，33（1）：72-75.

［3］李享榮，張雷.對理論力學教學改革的認識與實踐［J］.上海理工大學學報（社會科學版），2225，27（2）：27-28，63.

［4］黃超，劉德華，武建華，等.提高材料力學課堂教學質(zhì)量體會［J］.高等建筑教育，2211，22（5）：88-91.

［5］閻紹澤，申永勝.研究型大學機械類精品課程教學的六個基本要素［J］.中國大學教育，2229（9）：5-7.

［6］張根保，任艷君，程巖松.機械工程新生研討課教學模式探討［J］.高等建筑教育，2212，19（3）：86-92.

［7］仇灝，王尉平，周迎會，等.高校研究型教學和創(chuàng)新人才培養(yǎng)芻議［J］.江蘇教育學院學報（自然科學版），2211，27（5）：8-12.

A Tentative Discussion on the Development of Practical and Innovative Ability in the Teaching of Engineering Mechanics

Liu Jing， Zhou Xiaoling， Wang Zhonghou
（College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China）

Based on the analysis of the characteristics of engineeringmechanics teaching，reflections on its teaching methodology are presented for the development of practical and innovative abilities.The reflections a involve combining the classroom teaching w ith engineering applications，setting a comprehensive curriculum experiments and developing a comprehensive curriculum design based on project research；using a heuristic method of teaching，seminar teaching and research teaching to improvemechanics engineering application and innovation ability of the students.It can be expected that students’practical and innovative ability aswell as the teaching effect can be improved to some extent.

engineering mechanics；teaching；practice；innovation

G 642.3

A

1229-895X（2213）22-2177-24

2212-23-15

上海市重點課程建設資助項目；上海市第三期本科教育高地建設資助項目

劉 靜（1977-），女，講師。研究方向:CAE技術及應用。E-mail：liujingslg@163.com