提高工程力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的研究與實踐

王 濤

（海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南 ?？?70228）

0 引言

為了提升工程力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的工程實踐能力，建立能滿足新工科對于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)需要、科學(xué)合理的安排專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)思路及方法，以及實現(xiàn)提高學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課的興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新能力。以工程力學(xué)（理論力學(xué)和材料力學(xué)）為研究背景，提高工程力學(xué)整個教學(xué)團隊教師的教學(xué)能力和質(zhì)量為目的，結(jié)合本院實際采用的教學(xué)措施并總結(jié)在工程力學(xué)基礎(chǔ)課教學(xué)方面的成功經(jīng)驗，提出可顯著提高機械類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)質(zhì)量的方法、思路及措施，并付諸于實踐的經(jīng)驗，給同行予以交流參考。

1 課堂教學(xué)采用問題討論式

課堂教學(xué)采用以問題為導(dǎo)向，從工程力學(xué)的知識點開始，遵循提出問題，分析問題，解決問題，應(yīng)用擴展及創(chuàng)新應(yīng)用等模式進行教學(xué)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)。提高機械類專業(yè)學(xué)生對力學(xué)的興趣。并圍繞此模式對工程力學(xué)各個章節(jié)的工程教學(xué)案例進行了制作?；拘纬闪舜龠M創(chuàng)新和提高學(xué)生科研創(chuàng)新思維能力的課堂教學(xué)模式，以剛體的簡單運動定軸轉(zhuǎn)動教學(xué)案例進行說明。

1.1 創(chuàng)設(shè)情境、導(dǎo)入新課——提出問題

提出為什么要進行剛體的基本運動計算工作：前面章節(jié)介紹點的運動學(xué)是針對一個質(zhì)點，可以解決工程中常見的點的運行方位、軌跡、速度加速度等計算問題，這也是運動學(xué)計算工作的意義及價值，研究剛體運動本質(zhì)是研究質(zhì)點系的運動學(xué)問題。在本節(jié)研究剛體的定軸轉(zhuǎn)動運動之前，利用工程中的實際科研案例——如何對甘蔗進行收獲的方法進行話題激趣[1]，使學(xué)生整堂課都能保持積極的心態(tài)去分析工程案例并解決實際問題，探索新知。

1.2 針對內(nèi)容、理論推導(dǎo)——分析問題

分析問題：通過學(xué)習(xí)剛體定軸轉(zhuǎn)動的基本概念，引入研究定軸轉(zhuǎn)動剛體的基本方法和思路，運用剛體定軸轉(zhuǎn)動的基本分析方法總結(jié)剛體各個點的運動規(guī)律，同時對剛體的定軸轉(zhuǎn)動運動計算結(jié)果分析對比，并闡述定軸轉(zhuǎn)動的基本內(nèi)涵和運動規(guī)律。

1.3 結(jié)合實際、理論推廣——解決問題

解決問題：針對實際的工程問題，甘蔗收獲機械切割器的設(shè)計，運用定軸轉(zhuǎn)動機構(gòu)的基本原理來實現(xiàn)甘蔗的切割，并分析圓盤式切割刀片都是做剛體的定軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)所需要的功能，運用剛體的定軸轉(zhuǎn)動基本運動規(guī)律進行分析，研究隨著刀片的基本參數(shù)——速度，半徑等變化會對甘蔗切割效果的影響規(guī)律[2]。并討論其他物理參數(shù)的變化會引起結(jié)果的不同。啟發(fā)式提出剛體定軸轉(zhuǎn)動的基本運動的研究方法和并列出解決甘蔗進行切割問題的基本思路和擴展方法。

1.4 通過案例、引導(dǎo)思考——應(yīng)用推廣

應(yīng)用推廣：針對剛才同樣實際的工程問題，不同數(shù)值的影響及不同半徑參數(shù)的變化會對運動軌跡、速度、加速度的影響進行分析，同時進行更進一步的討論，啟發(fā)學(xué)生進行應(yīng)用對象變換的類比思維，啟發(fā)學(xué)生對于類似的割草機械的設(shè)計方案仍然可以采用刀片定軸轉(zhuǎn)動切割的方案[3]，深入討論該方案的優(yōu)缺點，提出改進的方案的具體思路。比如從原有的割草機剛性刀片實際運用的缺點分析過度到柔性切割器的創(chuàng)新發(fā)明。以及古人所發(fā)明的龍骨車運用定軸轉(zhuǎn)動剛體進行取水的發(fā)明成果[4]。同時再采用逆向思維：引導(dǎo)學(xué)生對該定軸轉(zhuǎn)動機構(gòu)作為從動件被驅(qū)動的案例，介紹古人發(fā)明水排的優(yōu)秀成果[5]。再采用深入換位思考，對定軸轉(zhuǎn)動剛體進行傾斜角度的改變研究起升問題。最后再對所提出的思路和方法，應(yīng)用到實際所做的課題橡膠果脫殼機械運動定軸轉(zhuǎn)動剛體進行脫殼的實際案例[6]。例如用定軸轉(zhuǎn)動剛體可以設(shè)計不同的脫殼機械創(chuàng)新設(shè)計方案，能夠生動的提高學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新機構(gòu)的能力和興趣。

1.5 通過案例、引導(dǎo)思考——創(chuàng)新應(yīng)用

在工程應(yīng)用中需要設(shè)計運動學(xué)裝置，結(jié)合科研實際課題討論，比如變速機械的設(shè)計，提出變速器采用的創(chuàng)新方法的發(fā)明創(chuàng)造思想以及發(fā)明創(chuàng)造的過程提高學(xué)生的興趣，比如引導(dǎo)采用不同的結(jié)構(gòu)布置實現(xiàn)不同的變速比等參數(shù)，提高學(xué)生的興趣和創(chuàng)新能力。再由此擴展出發(fā)動機穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，仍然運用剛體定軸轉(zhuǎn)的的基本原理實現(xiàn)飛球的擺動控制發(fā)動機噴油量并實現(xiàn)柴油機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的基本原理和思路[7]。以及擴展到其他領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計遐想，給學(xué)生一個廣闊的思維空間進行運動學(xué)創(chuàng)新裝置方案設(shè)計等。針對挖坑機械和橡膠果脫殼機械讓學(xué)生運用今天所學(xué)習(xí)的基本知識進行創(chuàng)新方案的深入探索[8-9]。最后總結(jié)基本內(nèi)容及基本知識，給學(xué)生提供廣闊的思路有利于進行創(chuàng)新發(fā)明。

針對工程力學(xué)課程各個章節(jié)主要內(nèi)容，將此教學(xué)理念貫穿始終，注重教學(xué)與科研相結(jié)合，講透弄清基本概念的本質(zhì)。在教學(xué)過程中，采用從問題出發(fā)、學(xué)生自主探索的教學(xué)模式，研究和開發(fā)針對此理念教學(xué)的案例啟發(fā)并提高了學(xué)生應(yīng)用和學(xué)習(xí)工程力學(xué)的水平和質(zhì)量，增強了力學(xué)學(xué)習(xí)的直觀性。

2 采用案例討論進行啟發(fā)式思考

針對學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)教學(xué)知識的應(yīng)用直觀性，努力將教學(xué)實物模型應(yīng)用到課堂教學(xué)中，加強機械類學(xué)生將基本理論和實踐相互聯(lián)系的科學(xué)素養(yǎng)。應(yīng)用試驗演示裝置來解決實際應(yīng)用和力學(xué)知識中提出的問題。在教授靜力學(xué)內(nèi)容時適當(dāng)引入壓榨機、搖樹機構(gòu)模型加深學(xué)生對工程力學(xué)理論推導(dǎo)結(jié)果的理解。這方法既提高了學(xué)生應(yīng)用力學(xué)知識的能力，更培養(yǎng)了創(chuàng)新的科學(xué)精神。同時進行多樣化教學(xué)方法并用，在教學(xué)中以注重強化基礎(chǔ)知識的理論性和應(yīng)用性為前提，以啟發(fā)式、漸進式、討論式教學(xué)為手段，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過課后的工程實際科研問題激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)的積極性和主動性，增強學(xué)生對力學(xué)與科研課題相互結(jié)合的意識。學(xué)生針對實際木薯桿彎曲特性參數(shù)測量，制作木薯秸稈彎曲楊氏模量測試儀[10]。課上和課下學(xué)生對于實物模型的測量原理得到深刻認識后對彎曲理論知識增強了理解并提高了興趣。學(xué)生的力學(xué)科研課題結(jié)果在試點班中采用評比與演講等方式進行考核，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對解決專業(yè)問題的意識，增強了自信心。經(jīng)過近年來的教學(xué)實踐表明，學(xué)生們對于工程力學(xué)學(xué)習(xí)興趣濃厚，每年有許多學(xué)生主動加入到工程力學(xué)教師實際科研課題的研究中，積極開展工程力學(xué)相關(guān)的課題的科學(xué)實驗研究工作，學(xué)生們發(fā)表工程力學(xué)科研小論文近二十篇。

對于材料力學(xué)課程有計劃地精選一些章節(jié)內(nèi)容，讓學(xué)生提前搜集準備資料及講課PPT，提前預(yù)習(xí)并進行課堂講解的模式，進行討論式教學(xué)，師生共同評比及演講等，這些我們都進行了有益的探索。在這過程中發(fā)現(xiàn)有少部分學(xué)生對此教學(xué)模式非常贊同，還有一些同學(xué)并沒有充分準備，講課效果差。究其原因是未進行充分準備，因此，教師針對理論力學(xué)課程靜力學(xué)部分其中三個章節(jié)，預(yù)留五分鐘時間讓學(xué)生每節(jié)課自己講解題目的方式進行討論式教學(xué)，師生共同評比等。在探索中發(fā)現(xiàn)有極個別非常樂意準備，有一些同學(xué)開始似乎并不愿意進行準備，主要是講解習(xí)題的準備性工作未做，隨著幾次督促和改進，效率和效果明顯提高。通過一些內(nèi)容隨機讓學(xué)生進行臺上臺下講解的方式也可讓教師了解學(xué)生對于知識理解的程度。

3 采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)輔助教學(xué)

隨著近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方式在教學(xué)中的大力采用，學(xué)生們通過網(wǎng)絡(luò)獲取教學(xué)資源已成為重要的手段。我院工程力學(xué)教學(xué)團隊經(jīng)過努力積極制作完成配套的教學(xué)課件、動畫制作、題庫建設(shè)，建立網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和交流園地。通過不斷改進教學(xué)大綱、教學(xué)方式和教學(xué)方法以及考核方式等，不斷探索有利于高素質(zhì)人才培養(yǎng)的教學(xué)方式和方法。針對工程力學(xué)教學(xué)各個章節(jié)內(nèi)容進行全程教學(xué)視頻的錄制，積極創(chuàng)造條件建設(shè)“工程力學(xué)”（理論力學(xué)、材料力學(xué)）精品課程網(wǎng)站，將精品課程的教學(xué)文件，如教學(xué)大綱、教學(xué)教案、實習(xí)指導(dǎo)、電子版教案、電子教材、編制的網(wǎng)絡(luò)課堂課件、習(xí)題庫等內(nèi)容逐步上網(wǎng)，并實施網(wǎng)上在線和線下交流、指導(dǎo)，也便于教師間交流研討。各位工程力學(xué)教師積極開展課程教學(xué)改革與建設(shè)。完善課程的特色課件及案例建設(shè)，實現(xiàn)線上線下教學(xué)，提高學(xué)生工程力學(xué)學(xué)習(xí)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

隨著國家智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和對于機械工程類新工科對未來合格人才的迫切需求，提高工程力學(xué)整體教學(xué)質(zhì)量也是培養(yǎng)適應(yīng)新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展并具有創(chuàng)新性人才的關(guān)鍵。以上是我院針對提高機械類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)課程的一些有意嘗試，今后還要更進一步結(jié)合本科人才培養(yǎng)高質(zhì)量需要，深入探索提高工程力學(xué)課程整體教學(xué)效果的方法和措施并大力提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。