架起力學(xué)與實踐的橋梁——“力學(xué)與實踐”課程建設(shè)1)

魏 莎 宋亦誠 宋麗芬 鄭冰月

*(上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444)

?(上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所，上海 200072)

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，是學(xué)生最直接的知識來源。近年來，我國高校力學(xué)教師積極投身課程教學(xué)改革，并取得了積極成效[1-4]。然而，在目前大的形勢和背景下，一方面理論課程壓縮課時，另一方面學(xué)生實踐能力弱、應(yīng)用能力差。工業(yè)界對近年來高校畢業(yè)生的力學(xué)專業(yè)知識應(yīng)用能力評價也并不高。在力學(xué)教育中，以前通常是通過設(shè)置大作業(yè)或?qū)嶒灥葘嵺`環(huán)節(jié)來鞏固所學(xué)知識。然而，在以技術(shù)創(chuàng)新為使命的研究工程師培養(yǎng)過程中，實踐環(huán)節(jié)不僅要起到鞏固知識的作用，還應(yīng)具有培養(yǎng)創(chuàng)新能力的作用。高水平的實踐環(huán)節(jié)設(shè)計，既應(yīng)做到培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力，也應(yīng)做到培養(yǎng)學(xué)生批判性思維等創(chuàng)新能力[5-6]。

為了探討力學(xué)理論與創(chuàng)新實踐相結(jié)合的課程教學(xué)改革，本文分析總結(jié)“力學(xué)與實踐”課程建設(shè)情況，包括課程內(nèi)容、教學(xué)特點和學(xué)生參與等幾個方面。希望本課程建設(shè)的實踐與探索不僅可以幫助學(xué)生提高批判性思維、運用知識解決問題和團隊協(xié)作能力，也可為其他學(xué)科建立專業(yè)理論知識與實踐的橋梁提供借鑒參考。

1 課程內(nèi)容

本課程的教學(xué)目標(biāo)是以能力培養(yǎng)為中心，強化課外培養(yǎng)，擴大學(xué)生學(xué)習(xí)自主權(quán)，使得學(xué)生能夠綜合應(yīng)用理論、計算和實驗方式研究工程實際中的機構(gòu)運動和結(jié)構(gòu)振動，并進(jìn)行有效溝通和交流。

本課程迄今共講過23輪。1997年成立力學(xué)系，1998年即開設(shè)本課程，當(dāng)時主要包括“商業(yè)有限元軟件應(yīng)用”、“計算機實習(xí)”和“生產(chǎn)實習(xí)”三門課。從2019年起，筆者擴充體系將其整合為系列課程，貫穿本科生前三年級，開設(shè)在每年夏季學(xué)期。課程包括力學(xué)與實踐（1）、力學(xué)與實踐（2）和力學(xué)與實踐（3）三個階段。力學(xué)與實踐（1）是上海大學(xué)大類招生學(xué)生分流后第一次接觸力學(xué)學(xué)科，對學(xué)生主要起到專業(yè)認(rèn)知的作用，讓學(xué)生知道未來會學(xué)什么，有哪些發(fā)展方向。力學(xué)與實踐（2）和（3）偏向能力培養(yǎng)，在鞏固力學(xué)理論知識的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生開展一些最新科研項目或結(jié)合課程做一些延伸性的工作。本課程教學(xué)參考書包括國內(nèi)外主流的參考資料[7-10]。

力學(xué)與實踐（1）面向一年級本科生，共20學(xué)時，主要介紹了上海大學(xué)的力學(xué)學(xué)科現(xiàn)狀、主要方向和領(lǐng)域進(jìn)展，引導(dǎo)同學(xué)們了解部分的力學(xué)理論及在實際問題中的廣泛應(yīng)用等，特別是本學(xué)科教師在理論與應(yīng)用方面的工作。力學(xué)與實踐（2）面向二年級本科生，共60學(xué)時，簡要回顧理論力學(xué)和振動力學(xué)的相關(guān)知識點，以小組為單位，運用MATLAB和ABAQUS軟件求解理論力學(xué)運動學(xué)和動力學(xué)問題、振動力學(xué)常見連續(xù)體振動的基本規(guī)律，并從最新科研項目中提取相關(guān)問題開展課程項目研究，同時選擇多篇力學(xué)前沿英文學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行綜述型文獻(xiàn)和研究型文獻(xiàn)的閱讀與匯報，提交課程報告，并在課堂上組織學(xué)生以小組為單位對課程進(jìn)行回顧和總結(jié)。力學(xué)與實踐（3）面向三年級本科生，共60學(xué)時，主要圍繞材料力學(xué)、理論力學(xué)和機器學(xué)習(xí)方法等開展相關(guān)計算機模擬和實驗，例如包括采用強化學(xué)習(xí)方法通過不依賴框架和基于框架的程序?qū)崿F(xiàn)小車倒立擺控制問題等。

2 學(xué)生參與

本課程的教學(xué)設(shè)計是以學(xué)生發(fā)展為中心，學(xué)生的全程參與是課程取得良好效果的重要因素。除課堂聽課外，學(xué)生以課外自主學(xué)習(xí)、課堂PPT分享、實驗操作和學(xué)習(xí)總結(jié)等方式參與整個教學(xué)過程。在力學(xué)與實踐（1）中，教師引導(dǎo)學(xué)生課外調(diào)研不同高校力學(xué)學(xué)科的發(fā)展情況，并以PPT分享的形式進(jìn)行對比分析。在力學(xué)與實踐（2）和（3）中，教師課堂復(fù)習(xí)基本理論知識，并講授仿真軟件的基本操作和核心思想，要求學(xué)生根據(jù)安排的實踐題目進(jìn)行課外自主學(xué)習(xí)，并整理學(xué)習(xí)報告進(jìn)行小組內(nèi)討論，隨后在課堂上就仍未解決的問題進(jìn)行組間討論和教師指導(dǎo)，這充分強化了課外培養(yǎng)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)權(quán)。最后，在最后一次課上組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行課程回顧、分析、討論和總結(jié)，形成一個研究的閉環(huán)。

文獻(xiàn)閱讀與匯報是教師指定多篇力學(xué)前沿英文學(xué)術(shù)文獻(xiàn)(包括1篇綜述型文獻(xiàn)和多篇研究型文獻(xiàn))[11-14]，要求學(xué)生根據(jù)課堂講授方法進(jìn)行自主閱讀和研究分析，并進(jìn)行“組會”匯報，讓學(xué)生感受學(xué)術(shù)研究的氛圍和樂趣，培養(yǎng)其高階思維能力。

實驗操作主要根據(jù)計算機模擬的對象進(jìn)行針對性的實驗研究，對比分析計算機模擬結(jié)果與實驗結(jié)果，并分析誤差原因，這部分題目主要來自于教師最新開展的科研項目。例如，力學(xué)與實踐（2）中授課教師將正在開展科研項目的研究對象退化為圓柱殼結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析問題，組織學(xué)生分為6個小組，分別對該問題進(jìn)行理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真和實驗測試，并給出部分實驗參照結(jié)果，請學(xué)生們自主分析該問題。學(xué)生反饋收獲良多，通過該課題體會到了一個振動問題應(yīng)該如何入手、如何驗證、如何分析。

最后，每位同學(xué)會針對課堂題目提交對應(yīng)的課程報告和文獻(xiàn)閱讀報告。除對報告內(nèi)容考核外，對報告的書寫規(guī)范性也會有相應(yīng)的考察，并向?qū)W生明確學(xué)術(shù)規(guī)范，提交的報告如果與書刊、文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)資料等重合度超過20%，又無特殊說明將扣分。

3 課程特點

實際上，本科生培養(yǎng)有一個完整的閉環(huán)，即理論知識講授及分析、計算機模擬、工程實驗、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果驗證?！傲W(xué)與實踐”課程主要補充除理論知識講授之外的后面幾部分，和純粹的理論知識傳授形成互補。這系列課程使得學(xué)生全程參與之外，還延伸了理論力學(xué)、材料力學(xué)和振動力學(xué)的理論知識，實現(xiàn)了學(xué)生批判性思維、運用知識解決問題和團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)，架起了力學(xué)基礎(chǔ)理論知識和仿真軟件的橋梁，實現(xiàn)了力學(xué)在工程中的應(yīng)用窗口。具體有下列主要特色。

首先是書本知識傳授的延伸。以力學(xué)與實踐（2）為例，除了簡要回顧理論力學(xué)和振動力學(xué)的核心知識點之外，還講授了與教材相關(guān)的MATLAB和ABAQUS軟件實現(xiàn)思路與步驟、計算模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析的內(nèi)容，延伸了理論力學(xué)、材料力學(xué)和振動力學(xué)的知識。除此之外，圍繞擬開展的課程訓(xùn)練項目，本課程講授了文獻(xiàn)閱讀與匯報方法，幫助學(xué)生進(jìn)行自主分析與學(xué)習(xí)。從知識上看，本課程擴展了力學(xué)理論知識的講授內(nèi)容，擴展的程度是達(dá)到學(xué)生可以進(jìn)行基本的工程問題分析。

其次是力學(xué)基礎(chǔ)理論知識和仿真軟件的橋梁。例如，在力學(xué)與實踐（2）中，將航天器對接結(jié)構(gòu)的振動問題退化為圓柱殼對接結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析問題，通過課程訓(xùn)練項目的形式，幫助學(xué)生綜合運用振動力學(xué)理論知識、ABAQUS仿真軟件和實驗?zāi)B(tài)分析等方式研究工程實際中的結(jié)構(gòu)振動問題。從方法上看，在其他課程基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)與力學(xué)知識相關(guān)的仿真軟件，架起了力學(xué)基礎(chǔ)理論知識和仿真軟件的橋梁。

最后是力學(xué)在工程中的應(yīng)用窗口。同樣以力學(xué)與實踐（2）為例，在課程訓(xùn)練項目的選擇上，教師注重從最新的科研院所合作項目中提煉基礎(chǔ)科學(xué)問題，將該問題設(shè)計為包含所學(xué)力學(xué)知識、仿真計算及實驗測試的訓(xùn)練項目方式，培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決實際問題的能力。從應(yīng)用上看，讓學(xué)生參與有實際工程背景的問題研究，實現(xiàn)了力學(xué)在工程中的應(yīng)用窗口作用。

4 結(jié)語

以上是“力學(xué)與實踐”課程建設(shè)情況。本課程的教學(xué)內(nèi)容圍繞學(xué)科現(xiàn)狀與前沿學(xué)術(shù)進(jìn)展、理論力學(xué)、材料力學(xué)、振動力學(xué)和機器學(xué)習(xí)方法的計算機模擬與實驗、力學(xué)前沿英文文獻(xiàn)閱讀與匯報等開展。本課程是書本知識傳授的延伸，是力學(xué)基礎(chǔ)理論知識和仿真軟件的橋梁，是力學(xué)在工程中的應(yīng)用窗口。教學(xué)實踐表明，“力學(xué)與實踐”課程可為本科生架起力學(xué)與實踐的橋梁。