工程力學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)與教學(xué)研究

林加劍

摘 要： 根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，教師應(yīng)以工程力學(xué)教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，將知識點與工程實例相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生興趣，拓寬學(xué)生視野，精選工程實際問題，采用理論分析、數(shù)值計算、實驗研究三種方法解決問題，提高學(xué)生解決問題的能力，夯實力學(xué)理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)用型人才 教學(xué)研究 工程力學(xué)

一、應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下的工程力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

應(yīng)用型本科教育是一種新型本科教育，是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及高等教育由精英教育向大眾化教育的轉(zhuǎn)變形成的。應(yīng)用型人才是指能將專業(yè)知識和技能應(yīng)用于所從事的職業(yè)的一種專門人才類型。他們不僅要系統(tǒng)掌握與崗位相適應(yīng)的專業(yè)基礎(chǔ)理論和知識結(jié)構(gòu)，還要具備較強的獲取知識和應(yīng)用知識、分析問題和解決問題等綜合能力[1]。對于機(jī)械專業(yè)的學(xué)生來講，企業(yè)需要他們有夯實的專業(yè)基礎(chǔ)知識，并將理論應(yīng)用于實踐，特別強調(diào)具備與一線生產(chǎn)實踐相結(jié)合的實驗、制圖、計算機(jī)等專業(yè)技能和基本工藝操作技能。這種現(xiàn)狀對高校的教育方式提出了新要求，同樣工程力學(xué)作為機(jī)械專業(yè)的核心課程，其教學(xué)模式需要進(jìn)行一系列改革和思考。

工程力學(xué)是工科類專業(yè)的一門重要的核心課程，在基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間起著承上啟下的作用，它的重要性是毋庸置疑的。傳統(tǒng)工程力學(xué)教學(xué)大綱比較強調(diào)理論的系統(tǒng)性和公式推導(dǎo)的完備性，這需要學(xué)生有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。工程力學(xué)有其固有的特點和難點，如內(nèi)容豐富、概念多、定理多、理想模型多、邏輯性強、推理抽象、數(shù)學(xué)應(yīng)用多等[2]。另外，目前教學(xué)改革形勢比較偏向于教學(xué)內(nèi)容的增加和教學(xué)課時的減少，隨著高校擴(kuò)招，上課學(xué)生人數(shù)增多，教師多采用多媒體教學(xué)，無形中加快講課速度。上述各情況均在教學(xué)中引起了一系列問題，根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗可知，經(jīng)常有一些學(xué)生因為課程本身的難度和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的缺乏，在開課初期就感覺到學(xué)習(xí)存在困難，甚至開始逃課，完全放棄本課程的學(xué)習(xí)；由于課時較少，上課進(jìn)度較快等原因，一部分學(xué)生無法跟上老師的講解速度，隨著疑點、難點的積累，很容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，還有一部分學(xué)生初期比較認(rèn)真，隨著課程的深入講解，無法及時形成知識系統(tǒng)，陷入一個個概念和公式的怪圈中[3]。少數(shù)同學(xué)可以比較系統(tǒng)地掌握本課程的理論知識，能否將知識靈活運用于實踐中則是對其提出的一個新挑戰(zhàn)?；谏鲜銮闆r和局面，必須對現(xiàn)有工程力學(xué)的課程內(nèi)容、教學(xué)方法等環(huán)節(jié)進(jìn)行一系列改革，以便實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，才能取得讓人滿意的結(jié)果。

二、基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的工程力學(xué)教學(xué)改革思路

1.工程意識培養(yǎng)

錢學(xué)森認(rèn)為力學(xué)工作者必須用理論解決工程技術(shù)問題，而理論分析需要有正確的抽象和概括，使分析得到簡化，從而解決全局性問題。工程力學(xué)具有兩重性，既有科學(xué)基礎(chǔ)性的一面，又有技術(shù)應(yīng)用性的一面。工程力學(xué)在材料、機(jī)械、航空航天、交通水利等工程領(lǐng)域有非常重要的作用，它是許多課程的先修課程，又與許多后續(xù)課程有著密切聯(lián)系，是學(xué)生從理科基礎(chǔ)進(jìn)入工科應(yīng)用的橋梁。所以，開課初期就應(yīng)該讓學(xué)生了解工程力學(xué)在工程中的重要地位，不能把工程力學(xué)僅當(dāng)成一門理論課程。教師在授課過程中要時刻將理論知識與工程實踐相結(jié)合，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的工程意識及學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)積極性。這樣的教學(xué)才可以真正做到學(xué)以致用，才可以成功地將學(xué)生從理科世界帶入工程世界，才是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的核心內(nèi)涵。

教學(xué)過程中，在講解理論知識之前，教師應(yīng)該盡量提供相關(guān)工程實例，采用啟發(fā)式或引導(dǎo)探究式教學(xué)方法。另外，教師應(yīng)該充分利用多媒體工具，精選一些與學(xué)生專業(yè)相關(guān)的工程實例，盡量使課堂上講解的例題均來自于工程實例或是實例的簡化，力爭將分析的問題與機(jī)械工程背景對應(yīng)。比如，講扭轉(zhuǎn)這一章時，先讓學(xué)生看一些汽車傳動軸、汽車方向盤等涉及扭轉(zhuǎn)的圖片或動畫，從實物圖引出要解決的問題繼而進(jìn)入理論知識的學(xué)習(xí)，即扭轉(zhuǎn)的概念、扭矩的計算及扭矩圖的畫法等，最后將前面提到的實例簡化為力學(xué)模型，作為本章的練習(xí)題，讓學(xué)生學(xué)以致用，又如學(xué)習(xí)靜力學(xué)中的平面平行力系的平衡時可結(jié)合起重機(jī)或吊塔平衡時的重物重量與配重之間的關(guān)系，學(xué)習(xí)材料的強度剛度校核時可結(jié)合機(jī)械加工用的鉆床立柱的折斷及彎曲對鉆孔精度的影響，學(xué)習(xí)彎曲變形時可結(jié)合橋梁的倒塌，學(xué)習(xí)壓桿穩(wěn)定時可結(jié)合翻斗貨車的液壓機(jī)構(gòu)中的頂桿發(fā)生穩(wěn)定失效等實例。這樣，不僅可以提高學(xué)生建模能力，更促使其牢固地掌握理論知識，還可以使學(xué)生認(rèn)識到工程力學(xué)在工程中的重要性。

2.引入數(shù)值計算的概念。

1941年A.Hrennikoff首次提出了用離散元素法求解彈性力學(xué)問題，1960年R.W.Clough教授首次提出了“有限單元法”的概念，并發(fā)表了論文“平面應(yīng)力分析的有限單元法”，自此，有限單元法在力學(xué)界迅速發(fā)展起來。到20世紀(jì)80年代初期，數(shù)值模擬技術(shù)通過計算機(jī)程序在工程中得到廣泛應(yīng)用。目前，數(shù)值計算已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。在教學(xué)中引入數(shù)值計算是一種必然結(jié)果，一方面，數(shù)值計算工程師已成為目前企業(yè)的緊缺人才，而高校中僅有部分碩士生在科研項目中有機(jī)會學(xué)習(xí)數(shù)值計算理論，掌握數(shù)值分析軟件。本科生對此則幾乎沒有了解。另一方面，數(shù)值計算軟件在科研項目中的應(yīng)用越來越廣泛，選擇繼續(xù)深造的本科生提前接觸數(shù)值計算理論和應(yīng)用，對其提前進(jìn)入碩士階段的研究課題有很大幫助。

在工程力學(xué)中引入數(shù)值計算方法，是一種具有前瞻性和挑戰(zhàn)性的大膽建議。雖然有不少學(xué)者提出過將數(shù)值計算引入教學(xué)中[4]，但受限于課時和學(xué)校的硬件條件，實踐效果甚微。對數(shù)值計算在工程力學(xué)中的應(yīng)用，主要有以下建議：第一，簡單講解數(shù)值計算理論，偏重分析軟件的應(yīng)用。本科生無需花費大量時間掌握深層次數(shù)值計算理論，而數(shù)值分析軟件的熟練應(yīng)用則能不斷深化教材內(nèi)容，順應(yīng)時代需求。第二，提倡學(xué)生組隊合作，課后自學(xué)軟件，分工合作完成相關(guān)案例的數(shù)值分析。以競賽的形式比較各組的計算精度，結(jié)果計入平時成績。數(shù)值計算代替部分手動計算，既不需要占用課堂時間，又能提高學(xué)生完成作業(yè)的積極性。第三，有相關(guān)課題項目的教師可邀請學(xué)生參與進(jìn)來，幫助其完成簡單的數(shù)值計算工作，并給予一定的生活補助。教師可將自己進(jìn)行數(shù)值計算的時間用于學(xué)生學(xué)習(xí)軟件的指導(dǎo)上，則可有更多時間用于教學(xué)，學(xué)生也會更有激情地投入學(xué)習(xí)和工作中。

3.實驗研究

積極開展實驗教學(xué)，開放力學(xué)基礎(chǔ)實驗室，鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的興趣，探索發(fā)現(xiàn)問題，提高實踐動手能力，實驗教學(xué)除了用于驗證力學(xué)原理和數(shù)值計算的正確性外，還能幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動手操作能力，還能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力及利用力學(xué)理論知識的能力[5]。

目前，由于高校招生人數(shù)的逐年增加，而學(xué)校實驗室儀器數(shù)量有限，且基本都是定時開放，在固定的課時安排下，每位學(xué)生都能親手實驗存在一定困難，因此，面向?qū)W生開放實驗室是必然的，力學(xué)實驗中心應(yīng)積極實行網(wǎng)絡(luò)化、開放式管理，創(chuàng)建力學(xué)實驗教學(xué)網(wǎng)站，為學(xué)生提供便捷的學(xué)習(xí)平臺，創(chuàng)建開放式的實驗教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生有更多機(jī)會動手操作，讓對教學(xué)安排外的實驗有興趣的同學(xué)有機(jī)會進(jìn)行練習(xí)，將學(xué)生被動實驗、被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉嶒?、主動學(xué)習(xí)。另外，可以按照教學(xué)大綱、不同專業(yè)特點和不同學(xué)生要求，對實驗內(nèi)容進(jìn)行分層次教學(xué)，如可分為基礎(chǔ)型、提高型和創(chuàng)新型實驗，或分為必做型、選做型等。在教學(xué)規(guī)定的課時內(nèi)，在確保基本力學(xué)實驗完成的前提下，鼓勵學(xué)生自主選擇部分創(chuàng)新實驗進(jìn)行練習(xí)，這樣更符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。

另外，要求學(xué)生深入分析實驗結(jié)果與理論計算的誤差，鼓勵學(xué)生自己分析誤差來源，并提出減小誤差的可行性方案。在實驗教學(xué)中增加中期考核環(huán)節(jié)，學(xué)生分組合作，確定實驗?zāi)康?，明確實驗原理，指定實驗方案，最后進(jìn)行實驗，并分析實驗結(jié)果。小組成績計入平時成績，提高學(xué)生的實驗積極性。

三、以壓桿穩(wěn)定為例的教學(xué)模式演示

進(jìn)入壓桿穩(wěn)定的學(xué)習(xí)之前，先準(zhǔn)備一些相關(guān)實例材料，讓學(xué)生意識到壓桿穩(wěn)定計算的重要性。具體教學(xué)安排為：引進(jìn)美國《時代周刊》日前評出的百年世界十大最惡劣塌橋事故之一——魁北克大橋坍塌，對此次事故進(jìn)行簡單的講解，并分析坍塌原因，最后總結(jié)出事故原因為設(shè)計師忽略對橋梁的精確計算而引起結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。在該案例中讓學(xué)生意識到力學(xué)計算的重要性。接著提供如圖1所示的幾個實例圖片，并分別將其應(yīng)用到的壓桿穩(wěn)定知識和工程實例結(jié)合起來，把形象思維和邏輯思維結(jié)合起來，把理性思維與直覺結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)生對本章節(jié)知識的學(xué)習(xí)興趣。然后，介紹本章的教學(xué)目標(biāo)和重難點，接著進(jìn)行知識講解，在教學(xué)過程中注意教學(xué)風(fēng)格多變，時時與工程實例相結(jié)合。

教學(xué)中需精選例題，并盡量選擇工程實例，建立力學(xué)模型，然后利用所學(xué)知識點進(jìn)行分析計算，這樣可以提高學(xué)生的建模能力，有利于學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于實際中?，F(xiàn)以蒸汽機(jī)活塞桿的穩(wěn)定性校核為例展示例題教學(xué)過程。

在例題教學(xué)過程中，可以進(jìn)行如下教學(xué)設(shè)計。

（1）給出實際生活中的蒸汽機(jī)應(yīng)用實例簡單講解蒸汽機(jī)的工作原理，強調(diào)蒸汽機(jī)活塞桿穩(wěn)定性校核的重要性，啟發(fā)學(xué)生從實例中提取出科學(xué)的問題：活塞桿的穩(wěn)定性問題。

（4）設(shè)計合理的思考問題，加深學(xué)生對知識點的理解，并將其應(yīng)用到實際工程實例中。如（1）若活塞桿承受的壓力變大為200kN，計算活塞桿是否穩(wěn)定？并分析受力大小對其穩(wěn)定性的影響程度。（2）上述條件下活塞桿不穩(wěn)定，可采取哪些措施

例題講解結(jié)束后，組織學(xué)生分組，課后分析本例題的數(shù)值，通過數(shù)值實驗觀察蒸汽機(jī)的工作原理和桿的變形，計算活塞桿的受力等，探討數(shù)值分析與理論計算之間的誤差來源，并給出優(yōu)化計算結(jié)果的方案，提高學(xué)生的軟件應(yīng)用能力，增強學(xué)生思考問題的主動性。

另外，針對本章的理論知識，結(jié)合實驗室的現(xiàn)有器材，進(jìn)行單桿雙鉸支壓桿穩(wěn)定實驗，用電測法測定兩端鉸支壓桿的臨界載荷，并與理論值進(jìn)行比較，驗證歐拉公式，觀察兩端鉸支壓桿喪失穩(wěn)定的現(xiàn)象。強化知識點，提高學(xué)生動手能力。最后，在本章內(nèi)容講解結(jié)束后，除了經(jīng)典例題的練習(xí)外，還可組織課后小制作競賽，如讓學(xué)生用若干根塑料吸管和線繩制成一個承受壓力的結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)高度不低于吸管長度。分小組進(jìn)行比賽，以承重最大者為勝，并讓學(xué)生思考此模型承重的影響因素，總結(jié)活動經(jīng)驗。

四、結(jié)語

將“源于工程應(yīng)用，服務(wù)于工程應(yīng)用”的思想貫穿整個教學(xué)階段，突破傳統(tǒng)照本宣科的枯燥教學(xué)模式，使學(xué)生掌握基本力學(xué)知識點，增強工程應(yīng)用概念。即應(yīng)結(jié)合數(shù)值計算和實驗研究，培養(yǎng)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]許衛(wèi)群，徐云杰，胡瀟毅.機(jī)械專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)力學(xué)教學(xué)研究[J].教法研究，2013（25）：58-59.

[2]史文譜，張春萍，方士杰等.工程力學(xué)教學(xué)改革初探[J].高等教育研究，2009，26（2）：27-29.

[3]張麗.論力學(xué)教學(xué)中學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)[J].課程教材改革，2012（1）：79-80.

[4]毛軍，薛琳，熊艷.在本科力學(xué)課程中引入計算力學(xué)內(nèi)容的可行性分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2003，2（2）：54-59.

[5]劉玉慶，劉玉梅.本科力學(xué)實驗的創(chuàng)新化教學(xué)[J].科技信息，2012（1）：308-315.

基金項目：安徽大學(xué)第二批青年骨干教師（02303301）；安徽大學(xué)第一批應(yīng)用型教學(xué)示范項目（17110164）。