基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標(biāo)的工程力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐

劉新柱+王冬+潘佳卉

摘 要：基于大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，圍繞工程力學(xué)教學(xué)質(zhì)量提高這一核心目標(biāo)，分析了工程力學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀，并從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面提出了工程力學(xué)教學(xué)改革的路徑。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)；創(chuàng)新；教學(xué)改革；高校

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2014）01-0039-02

工程力學(xué)主要研究工程技術(shù)的基本規(guī)律，是工科學(xué)生一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，既承擔(dān)著為后續(xù)專業(yè)課打基礎(chǔ)的重任，同時(shí)又具有自己的獨(dú)立意義，即培養(yǎng)學(xué)生建立力學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生利用工程力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力。對(duì)工科專業(yè)學(xué)生而言，力學(xué)知識(shí)的掌握及運(yùn)用程度直接影響著學(xué)生的創(chuàng)新能力。目前國內(nèi)高校工程力學(xué)教學(xué)普遍面臨著工程力學(xué)教學(xué)時(shí)數(shù)減少，教學(xué)內(nèi)容不變、甚至略有增加，教學(xué)要求不斷提高的困難[1-2]。在現(xiàn)有條件下，如何針對(duì)課程的特點(diǎn)和學(xué)生的接受能力，遵循知識(shí)發(fā)展規(guī)律，探索與實(shí)踐形式新、效果好的教學(xué)方法，已成為高校力學(xué)教師必須進(jìn)行研究的課題。因此，在近幾年的教學(xué)實(shí)踐中，我們以增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力為目標(biāo)，為提高工程力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面進(jìn)行了一些工程力學(xué)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐。

一、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)理論教學(xué)與工程實(shí)際問題的聯(lián)系

工程力學(xué)主要包括理論力學(xué)和材料力學(xué)兩大部分。大部分理論力學(xué)教材體系都是由靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)三篇組成，初學(xué)者往往會(huì)覺得似乎很多內(nèi)容在物理學(xué)中都曾學(xué)習(xí)過，但在解決具體問題時(shí)卻無從入手。其實(shí)不然，理論力學(xué)雖然是近代物理學(xué)的一個(gè)分支，但是發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)完全超出物理學(xué)的范疇，理論力學(xué)的研究對(duì)象和研究方法與物理學(xué)都有很大的差別[3]。理論力學(xué)是研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)及物體間相互機(jī)械作用一般規(guī)律的學(xué)科，考慮目前教學(xué)時(shí)數(shù)普遍減少、對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力要求逐漸提高的現(xiàn)狀，在授課過程中應(yīng)盡量避免與物理學(xué)中相似的理論推導(dǎo)，而是將課程重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到理論力學(xué)的應(yīng)用方面，引導(dǎo)學(xué)生多做一些綜合性的訓(xùn)練內(nèi)容，尤其是以最新工程實(shí)例為研究對(duì)象，培養(yǎng)學(xué)生將其有效簡(jiǎn)化，建立其等效的力學(xué)模型并求解的能力，實(shí)現(xiàn)在學(xué)習(xí)基本力學(xué)知識(shí)的同時(shí)又具備了解決工程實(shí)際問題的能力，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的完美結(jié)合。

材料力學(xué)的特點(diǎn)是概念多、公式多，初學(xué)者學(xué)起來很吃力。目前國內(nèi)大多材料力學(xué)教材是以四種基本變形為主線進(jìn)行講解的，我們認(rèn)為這種課程體系具有一定的弊端，即各章節(jié)內(nèi)在關(guān)聯(lián)較少、相對(duì)獨(dú)立，以基本變形為主線將重復(fù)進(jìn)行內(nèi)力、應(yīng)力、變形的講解，這樣既浪費(fèi)學(xué)時(shí)，又不利于學(xué)生記憶和掌握相關(guān)重要概念、公式。如將其改成以內(nèi)力、強(qiáng)度、剛度為主線講解，可以避免相同概念重復(fù)講解，從而節(jié)約了寶貴的教學(xué)時(shí)間，同時(shí)還可以令學(xué)生對(duì)相似概念的掌握在對(duì)比中清晰、牢靠。例如，研究扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時(shí)要掌握極慣性矩Ip的定義及其計(jì)算方法，在研究彎曲應(yīng)力時(shí)要掌握慣性矩Iz的定義及其計(jì)算方法，如果按照內(nèi)力、應(yīng)力、變形的主線講授，就可以在比較中令學(xué)生加深記憶，因?yàn)閷?duì)于圓形截面而言，Ip=πd4/32，而Iz=πd4/64，在比較中更容易理解它們內(nèi)在的聯(lián)系與本質(zhì)的差別。又如，研究構(gòu)件的內(nèi)力時(shí)必須要畫內(nèi)力圖，按照以內(nèi)力、強(qiáng)度、剛度為主線的新體系，可按順序講解軸力圖、扭矩圖、剪力圖、彎矩圖，在講解基本作圖方法后，在比較中又可找尋其共同的規(guī)律，即在集中力作用截面軸力圖和剪力圖都將產(chǎn)生突變，突變的方向和集中力的方向一致，突變的大小等于集中力的大??；而集中力偶作用截面扭矩圖和彎矩圖又將產(chǎn)生突變，掌握這些基本規(guī)律可以極大地提高作圖的速度和正確率。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)以內(nèi)力、強(qiáng)度、剛度為主線的材料力學(xué)知識(shí)體系具有結(jié)構(gòu)緊湊、知識(shí)點(diǎn)銜接自然、較容易被學(xué)生接受等優(yōu)點(diǎn)，目前我們已經(jīng)開始著手編寫此種類型的材料力學(xué)教材。

二、改進(jìn)教學(xué)方法，營造生動(dòng)活潑的教學(xué)氛圍

傳統(tǒng)教學(xué)方式中，每章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)往往通過重點(diǎn)、難點(diǎn)等形式介紹給學(xué)生，這種方式過于單調(diào)，久而久之，學(xué)生容易產(chǎn)生厭倦心理，從而導(dǎo)致對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解不清、掌握不牢。力學(xué)源于實(shí)踐，為改進(jìn)課堂教學(xué)效果，我們首先以力學(xué)史、力學(xué)家逸事、力學(xué)趣話為載體，將人文因素引入到工程力學(xué)教學(xué)中，借助力學(xué)之美激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，令課堂教學(xué)變得生動(dòng)、活潑[4]。例如，在講解提高梁的抗彎強(qiáng)度措施時(shí)要涉及抗彎截面模量，可以北宋時(shí)期李誡在其名著《營造法式》中所指出的在圓木中截取矩形木梁的合理高寬比為例，讓學(xué)生利用現(xiàn)代力學(xué)、數(shù)學(xué)知識(shí)去分析其理論依據(jù)，得出高寬比近似于1.5的矩形木梁會(huì)具有最高的抗彎強(qiáng)度這一結(jié)論，從而令學(xué)生在活躍的課堂氛圍中掌握了重要的知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，1000年前我國勞動(dòng)人民就有如此高的力學(xué)成就這一史實(shí)也必將激發(fā)學(xué)生積極探索、勇于創(chuàng)新。其次，我們采用“問題—求解—結(jié)論”的教學(xué)方式改變知識(shí)點(diǎn)的導(dǎo)出方式，每節(jié)課前，我們根據(jù)課程重點(diǎn)內(nèi)容設(shè)置一個(gè)問題，然后對(duì)其進(jìn)行分析、討論，最終得出的結(jié)論也就是該次課的重點(diǎn)內(nèi)容。例如在研究扭轉(zhuǎn)時(shí)，首先提出“大型載貨汽車的傳動(dòng)軸為什么是空心的”這一問題，然后從強(qiáng)度角度進(jìn)行分析，證明在相同工作強(qiáng)度時(shí)空心軸要比實(shí)心軸節(jié)省材料，最后得出以扭轉(zhuǎn)變形為主的構(gòu)件在等質(zhì)量的情況下將實(shí)心軸改為空心軸可以提高其抗扭強(qiáng)度這一結(jié)論，同時(shí)課后思考題可以布置為“是不是所有的傳動(dòng)軸都可以設(shè)計(jì)成空心的？”運(yùn)用以上教學(xué)方法后，工程力學(xué)教學(xué)變得生動(dòng)了，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)現(xiàn)問題、自主學(xué)習(xí)以及創(chuàng)新思維能力都得到了顯著的提高。

三、完善教學(xué)手段，合理利用多媒體教學(xué)

多媒體教學(xué)具有信息容量大、影像生動(dòng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代教學(xué)中作為主要教學(xué)手段得到了廣泛的應(yīng)用[5]。但其也有信息傳遞速度過快、每屏容量有限等缺點(diǎn)，對(duì)前后關(guān)聯(lián)密切的推導(dǎo)、解析等問題，存在學(xué)生稍一溜號(hào)，就將跟不上教師節(jié)奏，從而導(dǎo)致對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解不清、掌握不透等問題。因此，應(yīng)合理利用多媒體技術(shù)，不要讓教學(xué)軟件代替學(xué)生思維，不要讓教學(xué)軟件合盤給出結(jié)果。多年來，我們一直堅(jiān)持多媒體技術(shù)與傳統(tǒng)板書相結(jié)合的教學(xué)方式，利用精心制作的課件中圖像、文字等信息向?qū)W生講解基本知識(shí)點(diǎn)，利用生動(dòng)的三維動(dòng)畫向?qū)W生介紹工程實(shí)例，介紹對(duì)空間思維能力要求較高的各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，而涉及公式推導(dǎo)、例題講解等邏輯性較強(qiáng)的內(nèi)容時(shí)，則采用信息傳遞速度較慢的傳統(tǒng)板書，這樣減慢了速度，隨著教師在黑板上的書寫以及講解，學(xué)生可以跟住教師的節(jié)奏，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶。經(jīng)過多年的實(shí)踐與完善，這種教學(xué)方式取得了良好的教學(xué)效果。endprint

四、適應(yīng)社會(huì)需求，加強(qiáng)雙語教學(xué)建設(shè)

為適應(yīng)全球經(jīng)濟(jì)一體化和21世紀(jì)新科技革命的社會(huì)需求，國內(nèi)高校在本科教育階段普遍進(jìn)行了雙語教學(xué)。工程力學(xué)主要由理論力學(xué)和材料力學(xué)兩大部分組成，大多安排在大學(xué)二年級(jí)講授，學(xué)生已經(jīng)掌握了較好的英語和高等數(shù)學(xué)知識(shí)，具備了雙語教學(xué)的條件，所以可以在工程力學(xué)授課過程中嘗試采用英、漢雙語進(jìn)行教學(xué)。工程力學(xué)是研究有關(guān)物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)，各國對(duì)工程力學(xué)課程的教學(xué)要求基本相同，英文原版教材知識(shí)體系及內(nèi)容與國內(nèi)常用教材基本一致，教材中所涉及的專業(yè)詞匯較少且重復(fù)率很高，相對(duì)容易掌握，因此使用英文原版教材進(jìn)行雙語教學(xué)學(xué)生比較容易接受。使用英、漢雙語進(jìn)行工程力學(xué)教學(xué)既可以完成課程固有的教學(xué)任務(wù)，又可以提高學(xué)生的英語水平，同時(shí)還可以在基礎(chǔ)英語和專業(yè)英語教學(xué)中起到銜接和過渡的作用。多年來我們始終堅(jiān)持在材料成型及控制工程等專業(yè)的工程力學(xué)教學(xué)中使用英、漢雙語教學(xué)，教學(xué)效果良好，考核成績(jī)與其他相關(guān)專業(yè)比較也相對(duì)優(yōu)秀，這也堅(jiān)定了我們使用雙語教學(xué)的信心。

五、改革考核方式，注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的考核方式以期末考試為主，以平時(shí)作業(yè)情況為輔來檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，其中期末考試成績(jī)起著決定作用，這種考核方式弊端明顯，即在很大程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維，并不能完全反映學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。基于這種情況，我們改革了工程力學(xué)考核方式，將期末考試在總成績(jī)中所占比例降低到60%，其余40%以綜合性大作業(yè)為主。我們定期給學(xué)生布置以最新工程實(shí)例為原型的大作業(yè)，要求學(xué)生不拘泥于形式，可以從不同切入點(diǎn)對(duì)其簡(jiǎn)化、建模并求解，這種方式既鞏固了學(xué)習(xí)過的知識(shí)點(diǎn)，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。這種方式已經(jīng)過兩年的實(shí)踐，學(xué)生普遍反映良好，學(xué)生的創(chuàng)新能力、解決工程實(shí)際問題的能力與往屆學(xué)生相比，都得到了顯著提高。

創(chuàng)新是永恒的主題，創(chuàng)新是社會(huì)進(jìn)步的原動(dòng)力，大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)蘊(yùn)涵于高校每一個(gè)學(xué)科的每一節(jié)課中[6]。教學(xué)是心智的付出，在工程力學(xué)教學(xué)中，只有教師鉆研教法、精心備課、采用靈活多變的教學(xué)方式，才能做到理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用，從而實(shí)現(xiàn)面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才的目標(biāo)。

（課題組成員還有孫紅旗教授、陳振副教授）

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