新工科背景下《板殼力學(xué)》課程教學(xué)改革的探索

宋海鵬

摘? 要：“新工科”模式的提出與推進(jìn)對高等院校力學(xué)課程的教學(xué)改革提出了新的要求。文章在新工科理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年與法國工程師院校合作辦學(xué)的經(jīng)驗，對《板殼力學(xué)》課程的內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方式與評價體系三個層面進(jìn)行了教學(xué)改革探索與總結(jié)，旨在提升學(xué)生工程能力、創(chuàng)新思維、人文素養(yǎng)與團(tuán)隊協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：新工科;法國工程教育;《板殼力學(xué)》;教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）19-0136-03

Abstract： The proposition and promotion of "New engineering" put forward new requirements for the teaching reform of mechanics course in colleges and universities. Based on the idea of new engineering， combined with the experience of co-teaching with French Engineering Institutes， this paper explores and summarizes the teaching reform of course "mechanics of plates and shells" in terms of content setting， teaching methods and evaluation system， aiming at improving students' engineering ability， innovative thinking， humanistic accomplishment and teamwork ability.

Keywords： New engineering; French engineering education; mechanics of plates and shells; teaching reform

新工科建設(shè)是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求，由教育部提出的新一輪工程教育改革，對建設(shè)工程教育強(qiáng)國、服務(wù)與支撐我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級具有重大意義[1，2]。新工科理念以繼承與創(chuàng)新，交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，以培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為目標(biāo)，對高等院校工科專業(yè)建設(shè)和工程人才培養(yǎng)提出了新的要求。

中國民航大學(xué)中國航空工程師學(xué)院（簡稱中歐學(xué)院）是經(jīng)國家教育部批準(zhǔn)，于2007年由中國民航大學(xué)與法國航空航天大學(xué)校集團(tuán)聯(lián)合創(chuàng)辦的國內(nèi)首個“航空類”工程師學(xué)院[3，4]。學(xué)院旨在借鑒法國先進(jìn)的工程師培養(yǎng)模式與經(jīng)驗，面向航空產(chǎn)業(yè)需求培養(yǎng)高級民航工程技術(shù)與管理人才。中歐學(xué)院具有鮮明的工程教育特色、豐富的中外合作辦學(xué)經(jīng)驗，其教學(xué)實踐與探索可為新工科背景下國家工程教育模式的發(fā)展提供有益參考。

《板殼力學(xué)》是中歐學(xué)院面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)與材料方向研究生開設(shè)的專業(yè)課程，其課程內(nèi)容分為靜力學(xué)和動力學(xué)兩部分，靜力學(xué)部分主要研究薄板和薄殼在靜載作用下的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，動力學(xué)部分主要研究薄板的振動模態(tài)。在與法方合作教學(xué)的初期，《板殼力學(xué)》由法國航空航天大學(xué)（ISEA）的Serge CREZE教授和Alain BERLIOZ教授聯(lián)合授課，Serge CREZE教授主講靜力學(xué)部分，Alain BERLIOZ教授主講動力學(xué)部分，本人負(fù)責(zé)助教工作;隨著合作教學(xué)的不斷深入，本人逐漸承接全部主講工作，成為該門課程的負(fù)責(zé)人，法方兩位教授則轉(zhuǎn)為教學(xué)督導(dǎo)。Serge CREZE教授和Alain BERLIOZ教授是法國航空領(lǐng)域資深教授，具有豐富的力學(xué)課程教學(xué)經(jīng)驗，本人有幸在兩位教授的指導(dǎo)下，系統(tǒng)學(xué)習(xí)了《板殼力學(xué)》這門課程的法方教學(xué)理念、內(nèi)容與方法，受益良多。自承接課程以來，科技與學(xué)科不斷發(fā)展，工程教育理念推陳出新，尤其是在國內(nèi)新工科建設(shè)迅猛發(fā)展的背景下，《板殼力學(xué)》課程建設(shè)也迫切需要與時俱進(jìn)，持續(xù)改革。本文從課程內(nèi)容、教學(xué)方式、評價體系三個層面分析了《板殼力學(xué)》的課程現(xiàn)狀及存在的問題，并針對不足探索了相應(yīng)的教學(xué)改革措施，以期既能保留法方工程教育優(yōu)點，又能凸顯新工科的多元、交叉、融合、創(chuàng)新等特征，提升學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新思維、人文素養(yǎng)與團(tuán)隊協(xié)作能力。

一、《板殼力學(xué)》課程現(xiàn)狀

（一）內(nèi)容設(shè)置有待優(yōu)化

1. 力學(xué)理論與工程算例的結(jié)合

《板殼力學(xué)》作為力學(xué)類專業(yè)課，內(nèi)容比較抽象，具有概念多、公式繁瑣、計算量大等特點，同時《板殼力學(xué)》也是與工程實踐結(jié)合非常緊密的一門課程，飛機(jī)中大量使用的薄壁結(jié)構(gòu)，其力學(xué)建模與應(yīng)力分析均要用到板殼力學(xué)的知識。因此，在該課程的教學(xué)過程中，不僅要給學(xué)生展現(xiàn)抽象的力學(xué)概念、基于假設(shè)簡化的力學(xué)模型以及嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，還應(yīng)結(jié)合大量的工程實例分析，幫助學(xué)生理論聯(lián)系實際，增強(qiáng)學(xué)生面對實際工程問題的力學(xué)建模與分析能力。

法國工程師培養(yǎng)體系歷來重視力學(xué)理論與工程實踐的結(jié)合，在教學(xué)過程中采取了一系列措施，例如：在習(xí)題中采用了大量簡化的飛機(jī)舷窗、機(jī)身、薄壁結(jié)構(gòu)算例，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)力學(xué)理論用于實際工程，取得了良好的教學(xué)效果。但就《板殼力學(xué)》這門課程而言，在課程講授環(huán)節(jié)引入的工程案例分析仍較少。此外，由于課程原來是由法方兩位教授分開講授，因此習(xí)題中所采用的工程算例也是分開的，缺乏靜力學(xué)與動力學(xué)綜合運用的工程算例。

2. 缺乏實驗及數(shù)值計算方面的內(nèi)容

理論、實驗、數(shù)值計算是力學(xué)分析的三個重要手段，三者相輔相成，缺一不可。在我院建設(shè)初期，許多實驗平臺處于在建狀態(tài)，并未投入教學(xué)使用，因此開設(shè)的《板殼力學(xué)》課程內(nèi)容主要側(cè)重力學(xué)理論以及工程算例的講解，并沒有涉及實驗方面的教學(xué)內(nèi)容。此外，限于課時，《板殼力學(xué)》課程在數(shù)值計算方面的內(nèi)容涉及較少，并且都是直接展示數(shù)值計算的結(jié)果，缺乏學(xué)生自己動手進(jìn)行數(shù)值計算的環(huán)節(jié)。

3. 缺乏科技前沿與學(xué)科交叉方面的內(nèi)容

隨著航空科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)科之間進(jìn)一步交叉融合，新型航空材料與壁板結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，如復(fù)合材料、3D打印等，科技前沿與學(xué)科交叉給《板殼力學(xué)》這門傳統(tǒng)的力學(xué)課程帶來了很多新的內(nèi)容。遺憾的是，目前這門課程的內(nèi)容仍相對傳統(tǒng)，并沒有涉及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)前沿，對于力學(xué)與材料科學(xué)等其他學(xué)科的交叉也很少提及。

4. 人文色彩不足

如前文所述，《板殼力學(xué)》的課程內(nèi)容主要是力學(xué)建模、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、工程算例計算，內(nèi)容比較抽象，略顯呆板，缺乏科學(xué)精神與人文素養(yǎng)的相互融合。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程時往往感覺比較枯燥，學(xué)習(xí)熱情不高。此外，新工科理念強(qiáng)調(diào)高校培養(yǎng)的工程人才不僅在專業(yè)上有所建樹，還應(yīng)具有家國情懷，服務(wù)社會的精神，目前《板殼力學(xué)》課程在這方面的內(nèi)容有待加強(qiáng)。

（二）教學(xué)方式相對單一

教學(xué)過程離不開一定的教學(xué)方式，各種教學(xué)方式既有其優(yōu)越的一面，也有其不可避免的弊端[5]。目前中歐學(xué)院的《板殼力學(xué)》課程沿用法國工程師培養(yǎng)體系的大課+習(xí)題課教學(xué)模式（16學(xué)時大課，16學(xué)時習(xí)題課）。大課以教師講授為主，習(xí)題課學(xué)生先做習(xí)題，最后老師統(tǒng)一講解。該教學(xué)模式學(xué)生動手算題的時間較多，注重培養(yǎng)學(xué)生將理論知識用于解決實際問題的能力，采用的習(xí)題多為簡化的航空工程算例，在理論知識的掌握及工程應(yīng)用方面具有一定優(yōu)勢。然而，該教學(xué)方式仍比較傳統(tǒng)，無法進(jìn)一步滿足學(xué)生的個性化、信息化需求。此外，采用的習(xí)題通常具有標(biāo)準(zhǔn)答案，答題內(nèi)容也僅限于課程所授知識，學(xué)生不需要自行查閱文獻(xiàn)，也不需要團(tuán)隊協(xié)作，因此該教學(xué)模式在學(xué)生創(chuàng)新意識、團(tuán)隊協(xié)作能力的培養(yǎng)方面顯得不足。

（三）評價體系不完善

評價體系在學(xué)生培養(yǎng)過程中起著“指揮棒”的作用，為響應(yīng)新工科背景下高級工程人才培養(yǎng)的要求，評價體系需全面考查學(xué)生對知識的理解和掌握情況、工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新思維與團(tuán)隊協(xié)作能力。目前《板殼力學(xué)》課程采用傳統(tǒng)的平時成績+期末考試的評價方式，該評價方式可以有效地考察學(xué)生對基礎(chǔ)知識掌握情況、針對簡單工程問題的力學(xué)建模與計算能力，但在考核解決復(fù)雜工程問題的能力、查閱文獻(xiàn)能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊協(xié)作能力等方面顯得力不從心，迫切需要進(jìn)一步完善評價體系。

二、板殼力學(xué)教學(xué)改革措施

針對《板殼力學(xué)》在課程內(nèi)容、教學(xué)方式和評價體系三個層面存在的不足，建議采取如下教學(xué)改革措施，在保留法方工程教育優(yōu)點的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步傳承與創(chuàng)新，交叉與融合，滿足新工科背景下高級工程人才的培養(yǎng)需求。

（一）優(yōu)化課程內(nèi)容

1. 在課程講授時引入更多的相關(guān)航空工程應(yīng)用實例，分析飛機(jī)中實際構(gòu)件的受載、變形和振動，拉近航空工程實踐與理論課程之間的距離，增強(qiáng)學(xué)生面對實際工程問題的力學(xué)建模與分析能力。在習(xí)題課中補(bǔ)充綜合考慮靜力學(xué)和動力學(xué)的工程算例，將兩部分內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生的綜合分析能力。

2. 增加實驗與數(shù)值計算方面的內(nèi)容，實驗方面可采用新型測量技術(shù)，如數(shù)字圖像相關(guān)方法等，測量簡單薄壁結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形規(guī)律;數(shù)值計算方面可采用Abaqus等大型力學(xué)軟件分析薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布及振動模態(tài);理論分析，實驗測量與計算模擬相結(jié)合，讓學(xué)生親自動手參與其中，加深學(xué)生對板殼力學(xué)知識的理解。

3. 引入科技前沿和學(xué)科交叉的相關(guān)內(nèi)容。當(dāng)前航空領(lǐng)域科技發(fā)展日新月異，復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)，金屬3D打印結(jié)構(gòu)等新型材料和結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，可在課程講授時適當(dāng)?shù)亟榻B相關(guān)的最新研究成果，幫助學(xué)生了解航空材料與結(jié)構(gòu)科學(xué)研究的前沿。同時在這過程中簡要介紹力學(xué)與材料科學(xué)等其他學(xué)科的交叉融合，適當(dāng)?shù)赝卣埂栋鍤ちW(xué)》的課程內(nèi)容，開拓學(xué)生的視野。

4. 課程講授過程中融入學(xué)科發(fā)展歷程，介紹本領(lǐng)域歷史上著名科學(xué)家的事跡，以及推動學(xué)科發(fā)展的重要事件。例如，20世紀(jì)50年代英國“彗星”號噴氣客機(jī)發(fā)生一系列災(zāi)難性事故，才促使人們重視飛機(jī)的疲勞設(shè)計。這樣可以增加課程的趣味性，同時培養(yǎng)學(xué)生的人文素養(yǎng)。此外，還應(yīng)結(jié)合我國航空發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，介紹對我國航空事業(yè)做出突出貢獻(xiàn)的專家學(xué)者，鼓勵學(xué)生投身我國航空事業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷。

（二）采用多元化教學(xué)方式

單一的教學(xué)方式具有各自的優(yōu)缺點，采用多元化教學(xué)方式更能有效地達(dá)成預(yù)期的教學(xué)效果。在教學(xué)方式方面，建議在傳統(tǒng)“講授+習(xí)題”模式基礎(chǔ)上，增加以下形式：

1. 增加形象化、開放式教學(xué)方式

《板殼力學(xué)》課程內(nèi)容比較抽象，學(xué)生理解相對困難，在理論課程講授過程中充分利用動畫、視頻以及一些虛擬實驗，可將枯燥、繁復(fù)的知識點形象化，幫助學(xué)生理解。增加案例分析，小組討論等比較開放的教學(xué)方式，例如：選擇一些工程案例，讓學(xué)生組隊完成案例分析，學(xué)生自行分組、查閱課外資料、分工協(xié)作，完成案例的力學(xué)建模與分析。

2. 結(jié)合信息化教學(xué)方式

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)通訊的普及使線上教學(xué)、輔導(dǎo)、交流和展示成為可能?？蓪ⅰ栋鍤ちW(xué)》的課件、習(xí)題、案例教學(xué)、實驗及模擬結(jié)果等資料放在網(wǎng)上，并與學(xué)生互動交流;學(xué)生可以根據(jù)自己的時間自由學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，交流討論，還可以查閱其他高?！栋鍤ちW(xué)》課程的資料，自主獲取更多參考資料。

（三）建立綜合評價體系

在傳統(tǒng)期末考試的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充案例分析的這一開放考核形式，“案例分析+期末考試”相結(jié)合，綜合考查學(xué)生對知識的掌握與工程應(yīng)用能力。其中案例分析采用航空工程中的典型案例或者科學(xué)研究前沿關(guān)注的問題，讓學(xué)生自行分組，每組選擇一個問題，展開文獻(xiàn)閱讀，討論力學(xué)分析思路，進(jìn)行力學(xué)建模與分析，完成文字報告，并進(jìn)行幻燈片展示與答辯。通過案例分析提高學(xué)生解決實際工程問題的能力、查閱文獻(xiàn)能力、創(chuàng)新能力與團(tuán)隊協(xié)作能力。期末考試應(yīng)減少機(jī)械記憶類試題，注重力學(xué)理論的綜合運用，重點考察學(xué)生對力學(xué)建模與分析思路的理解。建立上述綜合評價體系，通過以考促學(xué)，全面提升學(xué)生各項能力。

三、結(jié)束語

《板殼力學(xué)》是力學(xué)理論與工程實踐聯(lián)系緊密的力學(xué)類課程，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)與材料專業(yè)研究生必須的一門專業(yè)課。隨著科技的進(jìn)步，《板殼力學(xué)》的課程內(nèi)容，教學(xué)方式和評價體系需要與時俱進(jìn)、傳承創(chuàng)新。在新工科背景下，在保留法方工程教育優(yōu)點的基礎(chǔ)上，《板殼力學(xué)》老師需要積極探索《板殼力學(xué)》課程的教學(xué)改革與實踐，努力提高課程的教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)具有“家國情懷、全球視野、實踐能力和創(chuàng)新精神”的高級工程人才提供一些經(jīng)驗和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]鐘登華.服務(wù)國家戰(zhàn)略需求提供一流創(chuàng)新支撐[J].中國高等教育，2018（6）：15-17.

[3]陳亞軍，楊新湦，蘇志剛.基于中外合作辦學(xué)的實踐教學(xué)體系研究與應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2019（1）：203-208.

[4]楊旭東.基于中法合作辦學(xué)《梁的線性理論》課程建設(shè)與改革[J].高教學(xué)刊，2017（13）：117-119.

[5]郭德紅，聶建峰.論大學(xué)教學(xué)方法改革的系統(tǒng)性[J].國家教育行政學(xué)院學(xué)報，2014（2）：36-41.