基于工程能力提升的力學(xué)課程教學(xué)研究

李昌良 張亞

摘 要 工程教育專業(yè)認證是高等教育國際化的必然趨勢，它的核心理念是以學(xué)生為中心，注重對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)。目前的“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”主要講述船舶構(gòu)件內(nèi)力計算的基本理論，和工程實際結(jié)合較少，培養(yǎng)的學(xué)生沒有形成獨特的力學(xué)思維。本文力圖從教學(xué)方法改革入手，探討如何提升學(xué)生的工程能力，培養(yǎng)卓越的結(jié)構(gòu)工程師。

關(guān)鍵詞 船舶結(jié)構(gòu)力學(xué) 教學(xué)改革 工程能力 力學(xué)思維 結(jié)構(gòu)工程師

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.05.046

Abstract Engineering education professional certification is an inevitable trend of internationalization of higher education. Its core concept is student-centered and focuses on cultivating students' engineering capabilities. The current "ship structural mechanics" mainly describes the basic theory of ship component internal force calculation， and has less integration with engineering practice. The cultivated students will only perform simple structural calculations without a unique mechanical thinking. This article attempts to start with the reform of teaching methods， explore how to improve students' engineering capabilities， and train true structural engineers.

Keywords ship structural mechanics； teaching reform； engineering ability； mechanical thinking； structural engineer

“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”是船舶與海洋工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在船舶與海洋工程人才培養(yǎng)體系中起著承前啟后的作用，在材料力學(xué)-船體結(jié)構(gòu)-船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)-船體強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計和海洋石油平臺設(shè)計課程體系中有著極其重要的作用。因此，對該門課程的掌握程度直接影響著后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量?！按敖Y(jié)構(gòu)力學(xué)”主要講述力學(xué)分析的基本方法，如力法、位移法、能量法、矩陣法、有限元法等。具有力學(xué)課程的基本特點：理論嚴密、系統(tǒng)完整、邏輯性強、抽象等特點。學(xué)生普遍反映該門課程難學(xué)，即使有些學(xué)生考了高分，實際上也很快就忘記了所學(xué)知識，為分而學(xué)，這對學(xué)生能力的提高是非常不利的。

2010年，教育部提出“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，其目標(biāo)之一就是強化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。2016年成為《華盛頓協(xié)議》正式成員，中國開始推行與國際工程教育接軌的工程教育認證。2017年，國家又提出了新工科建設(shè)，開啟中國高等工科教育做強、做優(yōu)的新征程。根據(jù)這些要求，我校制定了新的船舶與海洋工程專業(yè)培養(yǎng)方案，其中“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”學(xué)時大為增長。本文結(jié)合我校的“海工類力學(xué)課程研究性教學(xué)改革”項目，以提升學(xué)生工程能力為目標(biāo)，從以下幾個方面對“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”的教學(xué)改革進行了探討。

1 教學(xué)內(nèi)容的革新

1.1 教材的選擇

目前，全國船舶類專業(yè)普遍采用的經(jīng)典教材，是由陳鐵云和陳伯真教授主編，上海交通大學(xué)出版社出版的“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”。該書以力法、位移法、能量法、矩陣法、平面應(yīng)力問題和板彎曲的有限元法為主要內(nèi)容和主線，講述了單跨梁、連續(xù)梁、剛架、板架、板的內(nèi)力計算方法。后續(xù)出版的基本教材也都是遵循著這個思想，只不過有的重點寫了解題步驟，有的引入了有限元計算的計算機內(nèi)容。但是，“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”的目的是分析、認識船舶結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，而力法、位移法等計算方法只是用來分析認識“結(jié)構(gòu)特性”的手段，二者是有區(qū)別的。我們教給學(xué)生的不能僅是計算方法，而應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生深入分析、認識和掌握船舶等海洋結(jié)構(gòu)物的力學(xué)特性。因此，“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”的教材應(yīng)從實際的船舶結(jié)構(gòu)入手，分析它所受的載荷，如何將它簡化為可接受的“計算模型”，最后介紹計算這種“計算模型”的方法，也就是前面所提的力法、位移法、能量法和有限元法等。目前的教材還無法很好的做到此點。只能是以經(jīng)典的“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”為基礎(chǔ)，教師精心組織授課內(nèi)容。

1.2 數(shù)值計算內(nèi)容的加強

隨著計算機能力的提升，有限元計算在船舶結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也越來越廣泛。那么在“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”的教學(xué)中也應(yīng)該重點講述這方面的內(nèi)容。要講清它的原理，并結(jié)合典型的船舶結(jié)構(gòu)，舉例說明其應(yīng)用?？梢越榻B一些結(jié)構(gòu)計算的通用程序，讓學(xué)生在讀程序的過程中加深對原理的掌握。還可以結(jié)合教師的科研項目，把當(dāng)前結(jié)構(gòu)計算的最新知識引入進來。

2 教學(xué)方法的改進

2.1 合理利用課堂教學(xué)手段

“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”的教學(xué)過程中，板書和多媒體的利用問題一直存在爭論。多媒體教學(xué)在介紹工程背景時效果較好，但容易使學(xué)生感動疲勞，注意力不集中；傳統(tǒng)板書在講述原理和公式時優(yōu)勢明顯，但完全用板書則不能跟上教學(xué)進度。所以根據(jù)課程內(nèi)容對二者進行合理的分配是比較有效的。比如，可以用多媒體展示工程實例，而采用板書講解計算方法，再用多媒體展示計算結(jié)果。這樣可以提高課堂的教學(xué)效果。

另外，由于現(xiàn)在實習(xí)條件的限制，學(xué)生看到的都是平面圖形。為了讓學(xué)生更好地理解船舶結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，在課堂教學(xué)中引入三維模型。比如：在講解約束對結(jié)構(gòu)受力的影響時，可以用實物模型來展示同樣的構(gòu)件在同樣的載荷作用下，但約束不同時的變形。這些比講述公式要真實的多，有助于學(xué)生理解。當(dāng)然，學(xué)生也可以加入到模型制作當(dāng)中來，既能加深學(xué)生對知識的掌握程度又能鍛煉動手能力。

2.2 對分課堂等新型教學(xué)方法的應(yīng)用

力學(xué)課程的教學(xué)方法要適應(yīng)時代的發(fā)展，也不斷改革實踐。張學(xué)新教授提出的“對分課堂”新型教學(xué)模式的核心理念是把一半課堂時間分配給教師講授，另一半課堂時間分配給學(xué)生以討論的形式進行交互式學(xué)習(xí)。講師的講授是引導(dǎo)性、框架式的講授，講解學(xué)習(xí)目標(biāo)、章節(jié)內(nèi)容的邏輯結(jié)構(gòu)，與其它內(nèi)容的關(guān)聯(lián)和關(guān)系，在整個課程中的地位等。在相對宏觀的層面上，告訴學(xué)生“學(xué)什么、為何學(xué)、如何學(xué)”。而學(xué)生的討論以隔堂討論為主，這樣可以讓學(xué)生有吸收、內(nèi)化的時間，條件不足時也可以當(dāng)堂討論。比如，教師的講授以工程實例為切入點，講述某船體構(gòu)件的問題，求解問題的方法原理，讓學(xué)生來討論學(xué)習(xí)具體的解題方法、步驟。并探討解決問題的其它辦法，最后以作業(yè)的形式考查學(xué)生掌握的程度。

2.3 充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺

課程學(xué)習(xí)資料，包括大綱、講義、課件、思考題、參考資料、講課視頻等都已經(jīng)上網(wǎng)。但是利用率不高，學(xué)生說沒有那么多的時間和興趣來看視頻。確實，網(wǎng)上的講課視頻就是課堂的重現(xiàn)，對學(xué)生沒有新鮮感，當(dāng)然引不起興趣。那么網(wǎng)絡(luò)資源，除了基本資料以外，是不是可以做成一個與課堂不一樣的網(wǎng)站呢？比如，把知識碎片化，錄制視頻時不以章節(jié)順序錄制，而是以知識點為主錄制微視頻。這樣，學(xué)生可以根據(jù)自己的問題有選擇性地學(xué)習(xí)。另外，設(shè)置小測驗環(huán)節(jié)，學(xué)生在學(xué)習(xí)完后，可以在網(wǎng)上即時進行測試，來檢驗學(xué)習(xí)效果。

2.4 設(shè)置開放性實驗環(huán)節(jié)

我們的“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”有四個學(xué)時的實驗課，主要是梁、板架的彎曲實驗和桿的穩(wěn)定性實驗。學(xué)生根據(jù)教師的指導(dǎo)，將實驗數(shù)據(jù)與理論分析相對比，以鞏固所學(xué)的理論知識。但只是這樣，不能提高學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。應(yīng)該是教師提出目標(biāo)，鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實驗內(nèi)容，制定實驗方案，并對實驗結(jié)果進行分析。同時實驗室應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的管理措施，鼓勵并監(jiān)督開放性實驗項目。

3 考核方式改革

以往的考核，都是采取閉卷筆試的方式，試卷評閱由相關(guān)任課教師流水評閱，以實現(xiàn)教考分離。但這種一卷定終身的考核方式實際上并不合理，有些學(xué)生平時學(xué)的不好，但可能期末碰到的題正好是熟悉的，就考了高分；而有的學(xué)生平時學(xué)得很好，原理掌握也很扎實，但就是期末考得不好。所以一次成績不能說明學(xué)生的能力高低，應(yīng)考慮增加課堂考核環(huán)節(jié)，即增加課程作業(yè)、隨堂小考、小實驗設(shè)計等，這部分成績要占到總成績的50%以上。期末采用浙工大提出的“一頁開卷”考核方式，即允許學(xué)生將自己歸納的知識點手寫在一張紙上帶入考場，從而幫助學(xué)生不死記硬背公式，而把主要精力放在對課題的理解上?！耙豁撻_卷”的命題不再是考查學(xué)生掌握知識的情況，而應(yīng)該轉(zhuǎn)向考查學(xué)生的思考、應(yīng)用能力。這與前面教學(xué)方式的改革也是一脈相承的。

4 結(jié)語

基于工程能力提升的目的，我?！按敖Y(jié)構(gòu)力學(xué)”課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式上進行了一些改革探索，取得了較好的效果。在探索的過程中，有兩點值得注意：（1）注重原理的掌握，而不是具體的方法。（2）要與工程實際相結(jié)合，不能知識片面化。

“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程改革是一個不斷改進的過程，但只要真正“以學(xué)生為中心”，那么“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”必將在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計、建造領(lǐng)域創(chuàng)新人才的培育方面起到重要的作用。

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