工程教育背景下工程力學(xué)課程知識(shí)體系的調(diào)整方案研究

王明祿

摘 要：工程力學(xué)是高等工科院校非機(jī)類工科專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，隨著高等教育的不斷發(fā)展，特別是在當(dāng)前工程教育背景下，工程力學(xué)教學(xué)改革已變得非常必要。本文作者結(jié)合實(shí)際教學(xué)過程中存在的問題，從工程力學(xué)課程知識(shí)體系調(diào)整的角度出發(fā)，分析了傳統(tǒng)課程體系改革的重要性，并且提出了若干條針對(duì)性調(diào)整方案，將這些調(diào)整方案在實(shí)際教學(xué)過程中加以實(shí)踐，實(shí)踐證明教學(xué)效果非常明顯。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué) 知識(shí)體系 教學(xué)改革 工程教育

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（a）-0195-03

工程力學(xué)是高等工科院校非機(jī)械類工科專業(yè)各專業(yè)課程必要的先修課程，在后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建中起著不可替代的作用[1]。學(xué)生通過工程力學(xué)的學(xué)習(xí)，可以掌握工程實(shí)踐和設(shè)計(jì)過程中所必須的受力分析、及安全性評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)等問題的基本原理和方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、工程問題的解決及科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)，使學(xué)生具備專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)所要求的各項(xiàng)能力[2]。隨著高等教育的不斷發(fā)展，特別是在當(dāng)前工程教育背景下，許多高等院校非機(jī)類工科專業(yè)的工程力學(xué)授課學(xué)時(shí)被大幅度削減。但是，工程力學(xué)在專業(yè)課程體系中的地位是無法替代的，其基本教學(xué)內(nèi)容的減少勢(shì)必影響其他課程的學(xué)習(xí)，為了學(xué)時(shí)限制于教學(xué)內(nèi)容之間的矛盾，對(duì)傳統(tǒng)的工程力學(xué)教學(xué)體系做出實(shí)質(zhì)性的改革已經(jīng)變得刻不容緩。作者從根據(jù)多年的授課經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際學(xué)情，分析了工程力學(xué)傳統(tǒng)課程體系改革的必要性，提出了若干條針對(duì)性調(diào)整方案，將這些調(diào)整方案在實(shí)際教學(xué)過程中加以實(shí)踐，實(shí)踐證明教學(xué)效果非常明顯。

1 現(xiàn)行課程體系調(diào)整的必要性

工程力學(xué)原有課程體系調(diào)整的必要性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是工程力學(xué)授課學(xué)時(shí)迫于各種原因不得不做出削減。因此，照此下去已無法達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求。二是，現(xiàn)行的工程力學(xué)知識(shí)體系已嚴(yán)重阻礙了教師的授課需求和學(xué)生接受。

1.1 授課學(xué)時(shí)不斷被削減影響教學(xué)質(zhì)量

近年來，許多高校的專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)都遇到了同樣的問題，即迫于學(xué)校教學(xué)計(jì)劃的調(diào)整授課學(xué)時(shí)被大幅度削減，工程力學(xué)自然會(huì)遇到同樣問題。以齊魯工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)為例，工程力學(xué)最初的授課學(xué)時(shí)是64學(xué)時(shí)，而現(xiàn)在為32學(xué)時(shí)。但是，工程力學(xué)在專業(yè)課程體系中的地位是無法替代的，為了后續(xù)課程能夠順利進(jìn)行，許多院校的工程力學(xué)的基本教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)少到了無法再減少的地步[3]。非機(jī)類工科專業(yè)的工程力學(xué)主要包括靜力學(xué)和材料力學(xué)，涵蓋的知識(shí)點(diǎn)較多，知識(shí)內(nèi)容的前后邏輯性較強(qiáng)，這就對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程提出了更高的要求。但是，當(dāng)前形勢(shì)下，部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，任課教師在授課過程既要照顧學(xué)生的聽課興趣，又要保證授課內(nèi)容的時(shí)間限制，對(duì)教師和學(xué)生都提出了很高的要求。

1.2 現(xiàn)行知識(shí)體系知識(shí)點(diǎn)不必要重復(fù)過多

大多數(shù)工科院校的工程力學(xué)教材內(nèi)容體系基本相同，即在靜力學(xué)部分以受力分析為基礎(chǔ)，以平面匯交力系、平面力偶系、平面任意力系、空間力系為主線，在每一種力系中都講述其力系的合成與平衡，雖然在順序上由簡(jiǎn)到繁、由易到難，但是這種知識(shí)體系重復(fù)內(nèi)容太多，嚴(yán)重浪費(fèi)授課學(xué)時(shí)。在材料力學(xué)部分以4種基本變形為主線講述構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度問題，進(jìn)而講述即應(yīng)力應(yīng)變理論和組合變形及壓桿的穩(wěn)定性問題，這也就是所謂的前蘇聯(lián)鐵木辛柯體系。在講述4種基本變形時(shí)，工程力學(xué)傳統(tǒng)知識(shí)體系均采用了類似的知識(shí)框架，即在先求出構(gòu)件內(nèi)力的前提下，采用類似解決材料力學(xué)中變形體靜不定問題的思路，推導(dǎo)各種變形下的應(yīng)力計(jì)算公式，進(jìn)而得到其強(qiáng)度條件和變形計(jì)算公式及剛度條件公式。如果教師以上述思路講解4種變形的變形和應(yīng)力問題，表面上看似思路清晰，但是，仔細(xì)推敲后發(fā)現(xiàn)該過程中不必要的內(nèi)容重復(fù)太多，嚴(yán)重浪費(fèi)授課學(xué)時(shí)。同時(shí)教師難在教學(xué)過程中很難引入自己的東西，對(duì)于課堂效果的把握度不高，嚴(yán)重影響教師的授課效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

另外，對(duì)于工程力學(xué)中的很重要的靜不定問題，通常將其放在相應(yīng)變形得章節(jié)進(jìn)行講述，即靜力學(xué)中講授物體系統(tǒng)外力靜不定、拉壓變形中講授拉壓靜不定問題、扭轉(zhuǎn)變形時(shí)講授靜不定問題、彎曲變形時(shí)講授靜不定問題。這幾種靜不定問題雖然置于不同章節(jié)中，但是除了第一種以外求解思路基本一樣，即根據(jù)平衡關(guān)系的方程數(shù)目少于未知量的數(shù)目，但是系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)件之間的變形是滿足一定關(guān)系的，也就是幾何方程，本構(gòu)方程和幾何方程之間沒有相同的未知量，需要通過本構(gòu)方程聯(lián)系二者求解全部未知力。舊有知識(shí)體系的這種處理方式，不僅重復(fù)的內(nèi)容過多，彼此之間相隔一定很長(zhǎng)時(shí)間，每次遇到該問題都要回顧以前該類問題的求解思路，浪費(fèi)學(xué)時(shí)且不利于學(xué)生的理解和接受。

綜上所述，現(xiàn)行知識(shí)體系知識(shí)點(diǎn)不必要重復(fù)過多，在一定程度上阻礙了當(dāng)前的工程力學(xué)的教學(xué)進(jìn)程，因此，為了適應(yīng)的當(dāng)前形勢(shì)，本課題所做的研究就變得十分必要了。

2 知識(shí)體系的調(diào)整方案

2.1 知識(shí)框架由特殊到一般變?yōu)橛梢话愕教厥?/p>

對(duì)于靜力學(xué)中構(gòu)件的平衡問題，由原先的先講特殊（平面匯交力系的平衡），轉(zhuǎn)變?yōu)閺囊话銌栴}出發(fā)，先講授最一般的空間力系合成與平衡問題，然后將其平衡方程退化到特殊形式，即平面一般力系、平面匯交力系等。這樣由難而易知識(shí)點(diǎn)安排既節(jié)省了授課學(xué)時(shí)，又利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。對(duì)于材料力學(xué)部分的知識(shí)點(diǎn)，同樣考慮從一般問題出發(fā)，將復(fù)雜載荷作用下構(gòu)件的6個(gè)內(nèi)力分量全部引入，結(jié)合實(shí)例逐個(gè)分析每個(gè)內(nèi)力的產(chǎn)生緣由和引起的不同變形，而后講解其中某幾個(gè)內(nèi)力同時(shí)存在時(shí)引起的組合變形。這樣的知識(shí)點(diǎn)安排既利于學(xué)生接受，又大大節(jié)約了授課學(xué)時(shí)。同時(shí)，可遵循上述原則先引入應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析的內(nèi)容，使學(xué)生首先在整體上對(duì)構(gòu)件的變形問題有一個(gè)理解和把握，然后分別講授4種基本變形形式，即利于學(xué)生接受，又節(jié)約授課學(xué)時(shí)。這樣的知識(shí)體系下授課，可以使學(xué)生從一個(gè)較高的起點(diǎn)出發(fā)對(duì)后續(xù)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解和接受就會(huì)變得非常容易。

2.2 專題方式分析講解各類問題

為便于學(xué)生接受和節(jié)省學(xué)時(shí)，可將工程力學(xué)中的同類問題分解成若干專題進(jìn)行講解，由于同一類專題具有相同的特點(diǎn)與規(guī)律，因此，這樣的方式更利于教師對(duì)于課堂的整體把握和學(xué)生對(duì)問題接受與理解。此方法的具體做法如下：在新知識(shí)體系的靜力學(xué)部分，分以下幾個(gè)專題進(jìn)行講授。（1）靜力學(xué)的基本概念與基本定理：集中講授靜力學(xué)的基本概念和基本定理，為后續(xù)知識(shí)點(diǎn)作準(zhǔn)備；（2）力系的合成問題，集中講授各種力系的簡(jiǎn)化與合成；（3）力系平衡問題：集中講授各種力系的平衡問題。在材料力學(xué)部分，將構(gòu)件4種基本變形的內(nèi)力、應(yīng)力及變形分成若干專題內(nèi)容組織講述。（1）內(nèi)力求解及作內(nèi)力圖專題：該專題講解內(nèi)力的概念、內(nèi)力的種類、及截面法計(jì)算不同變形的內(nèi)力等；最后分別講授拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲的內(nèi)力圖的畫法，同時(shí)總結(jié)出不同變形內(nèi)力圖的相同點(diǎn)，進(jìn)而得到其簡(jiǎn)便作圖法；（2）構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算專題：該專題講授構(gòu)件拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲時(shí)的應(yīng)力公式推導(dǎo)及適用條件限制、橫截面上不同變形的應(yīng)力分布規(guī)律，最后建立構(gòu)件強(qiáng)度條件。由于拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲時(shí)，上述問題解決過程具有類似的推導(dǎo)過程，因此具體操作時(shí)，教師可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行詳略處理，既節(jié)省的授課學(xué)時(shí)，又不影響學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與接收。（3）構(gòu)件的剛度計(jì)算專題：處理過程與應(yīng)力及強(qiáng)度計(jì)算專題類似。

2.3 實(shí)驗(yàn)課的處理問題

實(shí)驗(yàn)在工程力學(xué)課程的知識(shí)體系中具有非常重要的地位。對(duì)于工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)，一般工科院校開具的內(nèi)容一般包括低碳鋼和鑄鐵的拉壓性能測(cè)試、低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)性能測(cè)試、彎曲和彎扭組合變形的電測(cè)實(shí)驗(yàn)等，這4個(gè)實(shí)驗(yàn)大約需要8學(xué)時(shí)?，F(xiàn)在多數(shù)高校的做法是課堂講授理論后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是在大多數(shù)工科院校，學(xué)生數(shù)量多，而使得實(shí)驗(yàn)室資源和教師資源相對(duì)短缺，因此不得不出現(xiàn)多個(gè)班級(jí)排隊(duì)做實(shí)驗(yàn)的情況，且每組試驗(yàn)的同學(xué)數(shù)非常多，這樣勢(shì)必會(huì)影響到教學(xué)效果。新知識(shí)體系中，可在相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間，選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)安排實(shí)驗(yàn)，任課教師有目的地引導(dǎo)學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，因此學(xué)生能夠主動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的相關(guān)原理，既可以引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能夠?qū)崿F(xiàn)研究性教學(xué)的目的。例如：對(duì)于梁的彎曲的實(shí)驗(yàn)，可在彎曲實(shí)驗(yàn)后，讓學(xué)生分析試驗(yàn)中產(chǎn)生的各個(gè)現(xiàn)象的力學(xué)原因，然后課堂上再講述與之對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)。這樣，既能激發(fā)學(xué)生的求知欲望，又利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

3 工程力學(xué)新知識(shí)體系的優(yōu)點(diǎn)

3.1 知識(shí)體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而清晰

工程力學(xué)先一般后特殊的新知識(shí)體系，使原先復(fù)雜而重復(fù)的知識(shí)體系變得簡(jiǎn)潔而清晰，無論對(duì)于教師的課堂授課還是對(duì)于學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受理解都是十分有利的。在用調(diào)整后的知識(shí)體系授課時(shí)，以物體的平衡問題求解為例，由最一般情況下即空間任意力系的6個(gè)平衡方程及其應(yīng)用出發(fā)，而后分別講解特殊力系（平面任意力系、平面匯交力系等）的平衡問題，使學(xué)生構(gòu)件的平衡問題有了整體的了解和掌握，再講特殊力系平衡問題時(shí)，問題就會(huì)變得簡(jiǎn)單而易于接受，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性自然會(huì)相應(yīng)提高[4]。

本課題提出的工程力學(xué)新知識(shí)體系，其優(yōu)點(diǎn)在于方便任課教師自上而下的闡述工程力學(xué)各個(gè)主要問題的本質(zhì)與特點(diǎn)，更利于學(xué)生從整體上對(duì)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行理解和掌握，更有利于在實(shí)際問題中的應(yīng)用。這種知識(shí)體系下，學(xué)生可以用一種全新的思路去理解原先不易理解的的基本知識(shí)點(diǎn)，能夠從本質(zhì)上準(zhǔn)確而全面的對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行把握。這樣，使學(xué)生從原先對(duì)知識(shí)點(diǎn)具體而片面的理解，一下子上升到準(zhǔn)確而全面的整體把握?？捎行П苊庠诮鉀Q實(shí)際工程問題時(shí)，因?qū)こ塘W(xué)基本概念和理論理解不夠透徹，及對(duì)該問題的力學(xué)實(shí)質(zhì)不能準(zhǔn)確把握而引起的各種錯(cuò)誤結(jié)果。從任課教師的角度出發(fā)，新知識(shí)體系提高了知識(shí)起點(diǎn)，更利于教師對(duì)課堂的把控，有效的控制課堂授課效果。因此，這種工程力學(xué)的新知識(shí)體系對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的授課都是十分有利的 [5]。

3.2 利于學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)

在工程力學(xué)知識(shí)體系調(diào)整以后，更利于教師對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)和對(duì)學(xué)生視野的開拓，并且這種新的知識(shí)體系也有利于對(duì)學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。例如，在講授構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算專題時(shí)，由于拉壓變形的應(yīng)力和強(qiáng)度公式較其他變形相對(duì)簡(jiǎn)單，學(xué)生容易接受，教師可在此引入該專題的解題思路和特點(diǎn)，當(dāng)學(xué)生對(duì)該專題的特點(diǎn)有一定的把握之后，再去講解其他復(fù)雜變形的強(qiáng)度問題時(shí)就變得簡(jiǎn)單而易于學(xué)生接受了。也可以試著由學(xué)生自己來推導(dǎo)后續(xù)的公式，進(jìn)而解決相應(yīng)后續(xù)復(fù)雜變形的同類別問題。這樣的做法會(huì)收到多重的效果，一方面可以培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、積極創(chuàng)新的學(xué)習(xí)能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的解決問題的綜合能力。

3.3 利于學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)和科研素養(yǎng)的培養(yǎng)

教師將自己的科研內(nèi)容引入課堂教學(xué)是很多高校對(duì)老師提出的一個(gè)新要求，因此可以工程力學(xué)知識(shí)體系調(diào)整為契機(jī)，在課堂工程力學(xué)講授中，選擇恰當(dāng)?shù)牡胤竭m當(dāng)融入有關(guān)的且學(xué)生感興趣的前沿性科研成果。當(dāng)然，這對(duì)教師本身提出了更高的要求，只要教師能夠處理得當(dāng)，就會(huì)收到意想不到的好的效果。新的事物可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和開拓學(xué)生的視野。同時(shí)，為了加強(qiáng)對(duì)學(xué)生思想道德的提高和教育，不少高校提出“德融課堂”要求，即在理論知識(shí)講授的同時(shí)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的思想教育。顯然，新的工程力學(xué)的知識(shí)體系更有利于實(shí)現(xiàn)“科研融入課堂”和“德融課堂”的要求。

3.4 減少重復(fù)節(jié)省教學(xué)學(xué)時(shí)

以齊魯工業(yè)大學(xué)為例，通過前述的調(diào)整方案，在現(xiàn)有授課學(xué)時(shí)大大較少的前提下，仍然能夠較好的完成規(guī)定的教學(xué)任務(wù)。調(diào)整后的新知識(shí)體系更更方便于教師課堂教學(xué)的組織和編排，通過引入新的知識(shí)點(diǎn)有益于抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而改善課堂聽課效果。在新的工程力學(xué)知識(shí)體系下，教師可以更加方便的根據(jù)實(shí)際學(xué)情調(diào)整和選擇基本教學(xué)內(nèi)容；新的工程力學(xué)知識(shí)體系更有助于開闊學(xué)生的視野和拓展學(xué)生的知識(shí)面，更有利于學(xué)生遇到實(shí)際工程問題時(shí)，將課堂上所學(xué)的理論知識(shí)與方法在實(shí)際中加以應(yīng)用和發(fā)揮。

4 結(jié)語

工程力學(xué)在高等工科院校非機(jī)械類工科專業(yè)中是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，但是，在新的教學(xué)形式下，工程力學(xué)的知識(shí)體系已經(jīng)顯現(xiàn)出越來越多的短板。另一方面工程力學(xué)的教學(xué)學(xué)時(shí)不得不被大幅度減少，為此，對(duì)工程力學(xué)的知識(shí)體系進(jìn)行了調(diào)整與改革的研究。本文作者結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該問題進(jìn)行了研究和實(shí)踐，根據(jù)研究結(jié)果提出了相應(yīng)的調(diào)整方案并在實(shí)際教學(xué)過程中加以實(shí)踐，收到了非常好的效果。

參考文獻(xiàn)

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