機(jī)械電子工程專業(yè)“工程力學(xué)”教學(xué)改革與實(shí)踐

陳為林 劉軍 盧清華 張?jiān)浦?張清華

[摘 要] 針對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生對(duì)工程力學(xué)學(xué)習(xí)興趣不足、學(xué)習(xí)難度大、學(xué)習(xí)效果不佳的問(wèn)題，開(kāi)展機(jī)械電子工程專業(yè)工程力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐。首先，分析目前機(jī)械電子工程專業(yè)“工程力學(xué)”課程教學(xué)存在的問(wèn)題。其次，結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐提出教學(xué)優(yōu)化方法，以解決機(jī)械電子工程專業(yè)工程力學(xué)課程教學(xué)存在的學(xué)時(shí)不足問(wèn)題，提升學(xué)生對(duì)工程力學(xué)重要性的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生推導(dǎo)工程力學(xué)公式的能力，突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，貫徹課程思政教學(xué)改革要求。結(jié)果表明，“工程力學(xué)”的教學(xué)改革思考與實(shí)踐有利于進(jìn)一步提升機(jī)械電子工程專業(yè)的人才培養(yǎng)能力。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)械電子工程;工程力學(xué);教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2019年度教育部產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項(xiàng)目“‘雙學(xué)院制’模式下復(fù)合應(yīng)用型機(jī)器人創(chuàng)新人才培養(yǎng)（2020年立項(xiàng)）”（201902252031）;2020年度廣東省高等教育廳教育教學(xué)改革項(xiàng)目“‘科—產(chǎn)—教’融合背景下機(jī)電類(lèi)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的改革與實(shí)踐（2020年立項(xiàng)）”

[作者簡(jiǎn)介] 陳為林（1990—），男，廣東汕頭人，博士，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院副教授，主要從事工程力學(xué)教學(xué)與機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究;劉 軍（1967—），男，江西興國(guó)人，碩士，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院副院長(zhǎng)（通信作者），教授，主要從事機(jī)械工程教學(xué)管理與金屬材料加工技術(shù)研究;盧清華（1978—），男，江西修水人，博士，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院院長(zhǎng)，教授，主要從事機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器視覺(jué)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）20-0069-04 [收稿日期] 2021-07-26

引言

對(duì)于機(jī)械電子工程專業(yè)本科生而言，“工程力學(xué)”是一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)研究各種工程中機(jī)械運(yùn)動(dòng)與變形最普遍、最基本的規(guī)律，工程力學(xué)可以指導(dǎo)人們科學(xué)地從事工程技術(shù)工作。該課程以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)和大學(xué)物理為基礎(chǔ)，為機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等機(jī)械電子工程的專業(yè)核心課提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，力學(xué)技能和力學(xué)素養(yǎng)的全面培養(yǎng)是高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)[1]。然而，在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械電子工程專業(yè)“工程力學(xué)”課程教學(xué)存在諸多問(wèn)題，進(jìn)而影響機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課和實(shí)踐活動(dòng)中進(jìn)行正確的力學(xué)分析。因此，亟須結(jié)合機(jī)械電子工程專業(yè)的特點(diǎn)，開(kāi)展“工程力學(xué)”課程教學(xué)改革。

一、機(jī)械電子工程專業(yè)“工程力學(xué)”課程教學(xué)存在的問(wèn)題

首先，工程力學(xué)理論教學(xué)內(nèi)容多、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高、知識(shí)點(diǎn)抽象性強(qiáng)、思維方式跨越大，與機(jī)械電子工程專業(yè)工程力學(xué)課程理論學(xué)時(shí)短的特點(diǎn)相矛盾，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。工程力學(xué)課程涵蓋12單元主干內(nèi)容：受力分析、平面力系、空間力系、摩擦、拉伸與剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲內(nèi)力、彎曲應(yīng)力、彎曲變形、應(yīng)力應(yīng)變分析、組合變形、壓桿穩(wěn)定。并且，每單元內(nèi)容均涉及大量的公式推導(dǎo)與抽象的邊界條件分析。同時(shí)，在學(xué)習(xí)工程力學(xué)過(guò)程中，存在5次思維方式的跨越：受力分析“模糊化”、平衡方程的建立依托坐標(biāo)系、從工程力學(xué)靜力學(xué)部分主要進(jìn)行剛體分析跨越至材料力學(xué)的變形體分析、用微積分思想處理復(fù)雜變形、從靜力學(xué)部分對(duì)“正誤”的關(guān)注跨越至材料力學(xué)對(duì)“誤差”的關(guān)注。學(xué)生需要足夠的思考時(shí)間與練習(xí)來(lái)消化上述內(nèi)容與思維跨越。但是，以佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)為例，該專業(yè)工程力學(xué)課程理論學(xué)時(shí)為80學(xué)時(shí)，平均每單元僅有6.67學(xué)時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)壓力較大。

其次，學(xué)生對(duì)工程力學(xué)的重要性認(rèn)識(shí)不足。在機(jī)械電子工程專業(yè)中，有部分學(xué)生認(rèn)為，機(jī)械電子工程是一個(gè)偏“電”的專業(yè)，工程力學(xué)并不重要。還有部分學(xué)生認(rèn)為，目前許多仿真軟件可以進(jìn)行精準(zhǔn)的力學(xué)分析，在實(shí)際工作中并不需要像學(xué)習(xí)工程力學(xué)那樣進(jìn)行大量的推導(dǎo)計(jì)算，工程力學(xué)理論知識(shí)的重要性較低。上述認(rèn)識(shí)導(dǎo)致機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生對(duì)工程力學(xué)的學(xué)習(xí)積極性不高。機(jī)械電子工程專業(yè)強(qiáng)調(diào)機(jī)電一體化，涉及機(jī)器人等新興領(lǐng)域。該專業(yè)優(yōu)秀學(xué)生積極參與機(jī)器人相關(guān)競(jìng)賽（如Robomaster、Robocom），但通過(guò)與參加機(jī)器人競(jìng)賽的學(xué)生交流發(fā)現(xiàn)，由于不知如何在實(shí)際機(jī)器人開(kāi)發(fā)中應(yīng)用工程力學(xué)理論知識(shí)，導(dǎo)致即使是專業(yè)的優(yōu)秀學(xué)生也逐漸忽視該課程的重要性。

再次，綜合分析考試情況發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的工程力學(xué)推導(dǎo)能力薄弱，并未有效實(shí)現(xiàn)“培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力、邏輯思維能力、科學(xué)計(jì)算能力”的目標(biāo)。在后續(xù)專業(yè)課中，工程力學(xué)公式推導(dǎo)被廣泛使用。因此，工程力學(xué)考試仍應(yīng)當(dāng)以計(jì)算題為主，督促學(xué)生扎實(shí)訓(xùn)練公式推導(dǎo)能力。但是，綜合分析幾屆機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生的工程力學(xué)考試情況發(fā)現(xiàn)，學(xué)生計(jì)算題得分偏低，特別是需要公式變換的計(jì)算步驟。

最后，國(guó)內(nèi)大部分高校的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)范疇[1，2]，影響了學(xué)生解決實(shí)際工程力學(xué)問(wèn)題的能力。同時(shí)，受實(shí)驗(yàn)儀器臺(tái)套數(shù)的限制，學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的時(shí)間較少，不利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象工程力學(xué)理論的感性認(rèn)識(shí)。此外，工程力學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，具有傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力，以及進(jìn)行思想政治教育的雙重功能，承擔(dān)著培養(yǎng)大學(xué)生世界觀、價(jià)值觀、人生觀的職責(zé)[3]，但在教學(xué)實(shí)踐中，專任教師大多僅從“技能”層面講授工程力學(xué)知識(shí)，未能同步進(jìn)行思想政治教育。

二、機(jī)械電子工程專業(yè)“工程力學(xué)”課程教學(xué)的優(yōu)化方法

針對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)工程力學(xué)課程教學(xué)存在的學(xué)時(shí)不足、學(xué)生對(duì)工程力學(xué)的重要性認(rèn)識(shí)不足、學(xué)生的工程力學(xué)推導(dǎo)能力薄弱、實(shí)驗(yàn)教學(xué)局限性明顯、課程思政要求貫徹不充分五個(gè)問(wèn)題，可采用如下優(yōu)化方法。

第一，將有限課時(shí)集中于工程力學(xué)的關(guān)鍵基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。在機(jī)械電子工程專業(yè)中，工程力學(xué)主要支撐后續(xù)的專業(yè)核心課——“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”。在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”上，機(jī)構(gòu)僅討論平面機(jī)構(gòu)，而平面機(jī)構(gòu)受力形式為平面力系。因此，機(jī)械電子工程專業(yè)工程力學(xué)應(yīng)側(cè)重講解平面力系平衡問(wèn)題，并適當(dāng)壓縮空間力系的教學(xué)學(xué)時(shí)。在工程力學(xué)的材料力學(xué)部分，軸向拉伸與壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲三種基本變形形式是關(guān)鍵基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，如果能深入理解并掌握這三種基本變形形式的內(nèi)力、應(yīng)力與變形定量規(guī)律，經(jīng)過(guò)少量學(xué)時(shí)的引導(dǎo)，學(xué)生可以具備自學(xué)應(yīng)力應(yīng)變分析、組合變形、壓桿穩(wěn)定單元的能力。

第二，針對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生認(rèn)為工程力學(xué)及其推導(dǎo)不重要的問(wèn)題，應(yīng)在教學(xué)過(guò)程中講透工程力學(xué)對(duì)自動(dòng)控制原理、傳感器原理等專業(yè)課的重要作用，并通過(guò)具體工程案例講解其在機(jī)電工程控制、傳感器設(shè)計(jì)與分析領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用。在以自動(dòng)控制原理為基礎(chǔ)的機(jī)電工程控制中，機(jī)電系統(tǒng)傳遞函數(shù)的精準(zhǔn)建立必須結(jié)合理論建模與參數(shù)辨識(shí)，而機(jī)電系統(tǒng)理論建模離不開(kāi)工程力學(xué)理論推導(dǎo)。在機(jī)器人競(jìng)賽中，部分學(xué)生認(rèn)為傳遞函數(shù)可以直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)頻響函數(shù)獲得，無(wú)須理論建模。但這種純實(shí)驗(yàn)方法屬于黑箱模型，其準(zhǔn)確性易受實(shí)驗(yàn)精度影響，而且頻帶寬度較低。對(duì)于力傳感器而言，其本質(zhì)是將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)輸出信號(hào)，在上述轉(zhuǎn)換過(guò)程中，不僅需要電路，通常還需要梁、軸、桿等材料力學(xué)基本單元作為應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換媒介，而材料力學(xué)基本單元的力學(xué)模型是建立力傳感器優(yōu)化模型的基礎(chǔ)。只有建立基于壓阻材料的梁?jiǎn)卧牧W(xué)模型，才能進(jìn)一步優(yōu)化傳感器的輸入輸出特性，提升傳感器的靈敏度。運(yùn)用具體案例，講透工程力學(xué)對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)“電”類(lèi)專業(yè)核心課的重要作用，可以提升機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生對(duì)工程力學(xué)重要性的認(rèn)識(shí)。學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力是教學(xué)活動(dòng)達(dá)到預(yù)期效果的前提條件[4]。只有提升機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生對(duì)工程力學(xué)重要性的認(rèn)識(shí)，才能增強(qiáng)其對(duì)工程力學(xué)的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

第三，優(yōu)化過(guò)程性評(píng)價(jià)措施，引導(dǎo)學(xué)生在課外強(qiáng)化自主練習(xí)。在傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐中，一線教師主要通過(guò)平時(shí)作業(yè)批改與隨堂檢測(cè)等過(guò)程性評(píng)價(jià)措施，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的工程力學(xué)學(xué)習(xí)效果。平時(shí)作業(yè)是訓(xùn)練學(xué)生推導(dǎo)能力的重要途徑，但在批改作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生存在一定程度的作業(yè)抄襲現(xiàn)象，并未在完成作業(yè)過(guò)程中理解公式推導(dǎo)的本質(zhì)。隨堂檢測(cè)可以迅速檢驗(yàn)學(xué)生的聽(tīng)課效果，但限于課堂教學(xué)時(shí)間和學(xué)時(shí)安排，工程力學(xué)的隨堂測(cè)試一般為基礎(chǔ)概念題與簡(jiǎn)單計(jì)算題。在平時(shí)作業(yè)不能獨(dú)立完成的條件下，僅依靠課堂教學(xué)與隨堂測(cè)試，對(duì)于提升學(xué)生的工程力學(xué)推導(dǎo)能力而言，是完全不夠的。在教學(xué)改革實(shí)踐中，本文作者引入“作業(yè)修改成績(jī)”優(yōu)化過(guò)程性評(píng)價(jià)。實(shí)踐表明，通過(guò)批改學(xué)生的作業(yè)修改情況，并將作業(yè)修改成績(jī)計(jì)入平時(shí)成績(jī)，可以促使學(xué)生認(rèn)真對(duì)待平時(shí)作業(yè)修改，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)正確推導(dǎo)過(guò)程的印象。

第四，采用虛擬仿真的方法，拓展工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。從基本教學(xué)要求的角度，工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)實(shí)現(xiàn)三種目標(biāo)：提升學(xué)生對(duì)基本工程力學(xué)規(guī)律的感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生具備基本工程力學(xué)測(cè)量能力，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程力學(xué)理論適用范圍的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要聚焦前兩種目標(biāo)，但在第三種目標(biāo)的達(dá)成上較為欠缺。仿真實(shí)驗(yàn)作為一種虛擬方式，可以不受實(shí)驗(yàn)儀器臺(tái)套數(shù)的限制，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展髙效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果[5]，比如，讓所有學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)工程力學(xué)理論的適用范圍。以筆者所進(jìn)行的教學(xué)改革實(shí)踐為例，工程力學(xué)教材[6]指出，“雖然橫力彎曲和純彎曲存在差異，但進(jìn)一步分析表明，用純彎曲正應(yīng)力公式計(jì)算橫力彎曲時(shí)的正應(yīng)力，并不會(huì)引起太大的誤差”，該理論實(shí)際存在適用范圍，可以通過(guò)有限元仿真直觀認(rèn)識(shí)。

第五，結(jié)合機(jī)械電子工程前沿與熱門(mén)領(lǐng)域，以項(xiàng)目競(jìng)賽實(shí)踐為抓手，拓展工程力學(xué)實(shí)踐教學(xué)方式。機(jī)器視覺(jué)是機(jī)械電子工程的前沿與熱門(mén)領(lǐng)域，受到許多學(xué)生的青睞。而以Robomaster、Robocom為代表的機(jī)器人競(jìng)賽，以其競(jìng)技性強(qiáng)、評(píng)價(jià)體系客觀的特點(diǎn)，吸引著眾多優(yōu)秀學(xué)生。事實(shí)上，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)的方法與技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、材料科學(xué)、生物工程等領(lǐng)域的力學(xué)測(cè)試中[7]，完全可以為機(jī)器人競(jìng)賽中的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供重要的測(cè)量手段，例如：基于機(jī)器視覺(jué)的結(jié)構(gòu)形變測(cè)量、基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)器人射擊彈道測(cè)量。通過(guò)在機(jī)械電子工程專業(yè)中選拔優(yōu)秀學(xué)生參與機(jī)器人競(jìng)賽技術(shù)培訓(xùn)，并在技術(shù)培訓(xùn)中講授基于機(jī)器視覺(jué)的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，可以激發(fā)優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)工程力學(xué)的興趣。同時(shí)，傳統(tǒng)的必修驗(yàn)證性工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)、課外全體學(xué)生自行完成的工程力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)與選拔優(yōu)秀學(xué)生參與的基于機(jī)器視覺(jué)的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)，共同構(gòu)成了多層次工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，有效拓展了工程力學(xué)實(shí)踐教學(xué)方式。

第六，開(kāi)展工程力學(xué)課程思政教學(xué)改革，提升機(jī)械電子工程專業(yè)育人水平。貫徹落實(shí)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》[8]，將思想政治教育自然融入工程力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容中，既有利于增強(qiáng)機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)的責(zé)任感，也有利于提升機(jī)械電子工程專業(yè)的育人水平。工程力學(xué)的課程思政要素主要包括愛(ài)國(guó)主義精神、科學(xué)探索精神與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度[9]。本文作者通過(guò)案例教學(xué)，將思想政治教育自然融入工程力學(xué)教學(xué)內(nèi)容。例如，在工程力學(xué)緒論的教學(xué)中，以宋元戰(zhàn)爭(zhēng)襄陽(yáng)保衛(wèi)戰(zhàn)中元軍利用工程力學(xué)知識(shí)優(yōu)化投石機(jī)設(shè)計(jì)，突破宋軍深溝厚墻的防御工事為例，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到工程力學(xué)知識(shí)關(guān)系著國(guó)家的存亡;在彎曲變形章節(jié)，針對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)常用的工程力學(xué)公式——撓曲線微分方程及其近似形式，結(jié)合公式推導(dǎo)，講授伯努利家族圍繞撓曲線微分方程的接續(xù)探索，將傳授科學(xué)探索精神與講解公式推導(dǎo)的“技能”自然結(jié)合。

結(jié)語(yǔ)

為提升機(jī)械電子工程專業(yè)工程力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，本文首先分析了教學(xué)過(guò)程存在的學(xué)時(shí)不足、學(xué)生對(duì)工程力學(xué)的重要性認(rèn)識(shí)不足、學(xué)生的工程力學(xué)推導(dǎo)能力薄弱、實(shí)驗(yàn)教學(xué)局限性明顯、課程思政要求貫徹不充分五個(gè)問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合機(jī)械電子工程專業(yè)特點(diǎn)，提出了六種教學(xué)優(yōu)化方法并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)踐：將有限課時(shí)集中于工程力學(xué)關(guān)鍵基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn);講透工程力學(xué)對(duì)于后續(xù)專業(yè)課與專業(yè)技術(shù)的重要作用;優(yōu)化過(guò)程性評(píng)價(jià)措施，引導(dǎo)學(xué)生在課外強(qiáng)化自主練習(xí);采用虛實(shí)結(jié)合的方法，拓展工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段;結(jié)合機(jī)械電子工程前沿與熱門(mén)領(lǐng)域，以項(xiàng)目競(jìng)賽實(shí)踐為抓手，拓展工程力學(xué)實(shí)踐教學(xué)方式;開(kāi)展工程力學(xué)課程思政教學(xué)改革。

參考文獻(xiàn)

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Teaching Reform and Practice for Engineering Mechanics in the Major of Mechatronic Engineering CHEN Wei-lin， LIU Jun， LU Qing-hua， ZHANG Yun-zhi， ZHANG Qing-hua

（School of Mechatronics Engineering and Automation， Foshan University， Foshan，

Guangdong 528000， China）

Abstract： In view of the lack of interest， difficulty and poor learning effect of Engineering Mechanics for students majoring in mechanical and electronic engineering， the teaching reform and practice of Engineering Mechanics for students majoring in mechanical and electronic engineering are carried out. Firstly， we analyze the problems existing in the teaching of Engineering Mechanics course of mechanical and electronic engineering major. Secondly， combined with our own teaching practice， we put forward teaching optimization methods to solve the problem of insufficient class hours in the teaching of Engineering Mechanics， improve students’ understanding of the importance of Engineering Mechanics， enhance students’ ability to deduce Engineering Mechanics formulas， break through the limitations of experimental teaching， and implement the requirements of curriculum ideological and political teaching reform. The results show that the reflections and practice of teaching reform of Engineering Mechanics are conducive to further improving the talent training ability of mechanical and electronic engineering major.

Key words： mechanical and electronic engineering major; Engineering Mechanics; teaching reform