基于先進(jìn)力學(xué)分析方法的“理論力學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐改革初探

郭劍鋒 胡延安 王沿朝 何盼莉 王韶迪

摘?要：針對(duì)少課時(shí)“理論力學(xué)”課程背景下學(xué)員力學(xué)實(shí)踐及運(yùn)用能力不足的突出問(wèn)題，課題組創(chuàng)新性地將先進(jìn)力學(xué)仿真分析方法引入“理論力學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐之中，并從教員“教”、學(xué)員“學(xué)”以及學(xué)習(xí)全過(guò)程考核等三個(gè)方面開(kāi)展了初步探索，取得了良好的教學(xué)效果，相關(guān)方法可為推動(dòng)我?！袄碚摿W(xué)”課程教學(xué)改革提供有力的支撐。

關(guān)鍵詞：理論力學(xué)；仿真方法；教學(xué)實(shí)踐；教學(xué)評(píng)價(jià)；教學(xué)效果

Abstract：In?response?to?the?prominent?problem?of?lack?of?mechanical?practice?and?application?ability?among?students?in?the?background?of?less?class?hours?of?theoretical?mechanics，the?research?group?innovatively?introduced?advanced?mechanical?simulation?methods?into?the?teaching?practice?in?theoretical?mechanics?courses.Then，preliminary?explorations?are?conducted?from?three?aspects：teacher?teaching，student?learning，and?whole?process?assessment.Good?teaching?results?have?been?achieved，and?relevant?methods?will?provide?strong?support?for?promoting?the?teaching?reform?of?theoretical?mechanics?courses.

Keywords：theoretical?mechanics；mechanical?simulation?methods；teaching?and?leaning?practice；teaching?evaluation；teaching?effects

1?概述

“理論力學(xué)”課程是我校工科專(zhuān)業(yè)高等教育（本科）武器發(fā)射工程、土木工程、機(jī)械工程等專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程以經(jīng)典力學(xué)理論為基礎(chǔ)，綜合利用“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等基礎(chǔ)知識(shí)研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，同時(shí)也是一門(mén)對(duì)工程對(duì)象進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析的技術(shù)基礎(chǔ)課程?！袄碚摿W(xué)”在航空航天、土木水利、機(jī)械能源等諸多工程技術(shù)領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用。此外，該課程還是“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“彈性力學(xué)”“飛行力學(xué)”及“空氣動(dòng)力學(xué)”等后續(xù)課程的先導(dǎo)課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)員利用力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力對(duì)進(jìn)一步塑造學(xué)員的力學(xué)素養(yǎng)具有至關(guān)重要作用［1］。

需要指出的是，“理論力學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱是其突出問(wèn)題［24］。在少課時(shí)背景下，“理論力學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐僅僅是作為理論教學(xué)的附屬和補(bǔ)充，很難再為其安排足夠的學(xué)時(shí)，師生普遍重理論而輕實(shí)踐。而在少量的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)員一般只是嚴(yán)格按照教師或書(shū)本給出的步驟“依葫蘆畫(huà)瓢”，需要自主思考的實(shí)踐能力無(wú)法得到有效鍛煉和提高，更無(wú)法靈活應(yīng)用力學(xué)知識(shí)探索開(kāi)展深層次的力學(xué)創(chuàng)新活動(dòng)，導(dǎo)致學(xué)員普遍存在“力學(xué)實(shí)踐能力差”的問(wèn)題，學(xué)員力學(xué)素養(yǎng)亟待提高［57］。針對(duì)這一問(wèn)題，課題組創(chuàng)新性地將先進(jìn)仿真分析方法引入“理論力學(xué)”教學(xué)實(shí)踐改革之中，以期提升“理論力學(xué)”課堂的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)員的力學(xué)實(shí)踐能力，并為進(jìn)一步優(yōu)化我校專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革工作，提升我?；A(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，并為最終實(shí)現(xiàn)大學(xué)育人的使命任務(wù)提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

2?先進(jìn)力學(xué)分析方法在“教”中的實(shí)踐運(yùn)用

在“基礎(chǔ)力學(xué)”課程學(xué)時(shí)被普遍壓縮的情況背景下，為了完成“基礎(chǔ)力學(xué)”理論知識(shí)的傳授，傳統(tǒng)的理論力學(xué)課堂往往按照“內(nèi)容回顧”“概念介紹”“定理推導(dǎo)”“例題講解剖析”和“課堂小結(jié)”等定式環(huán)節(jié)來(lái)開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施，以“教師講學(xué)生聽(tīng)”為主，課堂結(jié)構(gòu)緊湊，學(xué)員疲于應(yīng)付。除此之外，傳統(tǒng)教學(xué)課堂中教員與學(xué)員的課堂互動(dòng)也明顯不足，學(xué)員的課堂參與度和思考積極性都不高，力學(xué)素養(yǎng)更無(wú)法得到有效的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

基于此，課題組在近年來(lái)力學(xué)科學(xué)研究的基礎(chǔ)上，探索性地將先進(jìn)的數(shù)值仿真技術(shù)引入理論力學(xué)教學(xué)實(shí)踐之中，如基于Abaqus、Adams及SolidWorks等仿真軟件強(qiáng)大的數(shù)值建模及仿真功能，對(duì)教材中的經(jīng)典力學(xué)問(wèn)題開(kāi)展二維及三維建模、數(shù)值仿真及靜/動(dòng)力學(xué)分析，獲取了經(jīng)典力學(xué)問(wèn)題的全過(guò)程動(dòng)態(tài)解，為學(xué)員拓展示范了先進(jìn)的分析方法及技術(shù)，并為力學(xué)課堂提供了生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)演示和課堂案例。

在前述課堂教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，課題組還進(jìn)一步依托火箭軍特色背景及機(jī)械、土木等行業(yè)背景，以先進(jìn)力學(xué)分析方法為基礎(chǔ)建立了一批生動(dòng)的虛擬教學(xué)實(shí)踐工程案例庫(kù)（見(jiàn)圖1），如典型的四連桿機(jī)構(gòu)、曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)、牛頭刨床機(jī)構(gòu)及火箭飛行運(yùn)動(dòng)模型等，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容，并使得課堂教學(xué)緊貼實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)目標(biāo)。以這些案例中的典型力學(xué)問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，打通了課前預(yù)習(xí)—課堂研討—課后創(chuàng)新實(shí)踐等重要教學(xué)環(huán)節(jié)，顯著豐富了課堂教學(xué)手段，取得了良好的教學(xué)示范效果。

為了讓學(xué)員能夠掌握先進(jìn)數(shù)值分析方法的流程與步驟，課題組預(yù)先錄制了教學(xué)視頻并上傳至網(wǎng)上課堂，以ABAQUS為例，整個(gè)建模分析過(guò)程中的典型步驟包括創(chuàng)建模型部件、設(shè)置材料與截面屬性、定義裝配件、設(shè)置分析步驟和輸出、施加載荷和約束、劃分網(wǎng)格并提交分析及結(jié)果后處理等步驟。學(xué)員通過(guò)課下時(shí)間自由觀看教學(xué)視頻即可學(xué)習(xí)掌握大部分建模分析流程，而剩下的部分問(wèn)題則可通過(guò)與同學(xué)交流或向教師請(qǐng)教得到有效解決。

3?先進(jìn)力學(xué)分析方法在“學(xué)”中的實(shí)踐運(yùn)用

在傳統(tǒng)填鴨式課堂中，主要以教員講、學(xué)員聽(tīng)的形式展開(kāi)，在這樣的課堂模式下，學(xué)員處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)動(dòng)力明顯不足。此外，受限于課堂時(shí)間，學(xué)員所能接收的知識(shí)點(diǎn)不夠充分，更無(wú)法對(duì)所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通和有效運(yùn)用。通過(guò)對(duì)以往學(xué)過(guò)“理論力學(xué)”的高年級(jí)學(xué)員的調(diào)研和座談發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)員在學(xué)完“理論力學(xué)”課程后都有“學(xué)會(huì)了但不會(huì)用”的感覺(jué)，面對(duì)具體工程問(wèn)題時(shí)仍然不知從何下手。出現(xiàn)這一問(wèn)題的主要原因其一是書(shū)本中的案例與例題都是高度抽象化的，無(wú)法讓學(xué)員將其與工程實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，更不易建立工程思維；二是傳統(tǒng)的“理論力學(xué)”課程實(shí)踐大都只是對(duì)某一更為復(fù)雜綜合的力學(xué)題目進(jìn)行分析求解，這些問(wèn)題雖然比教材中的案例更加復(fù)雜綜合，但其仍然很抽象，學(xué)員也只是按照教員的理論方法“依葫蘆畫(huà)瓢”，無(wú)法真正將力學(xué)知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際之中。

因此，課題組在開(kāi)展“傳統(tǒng)力學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在課堂中引入了計(jì)算機(jī)編程及數(shù)值仿真等先進(jìn)力學(xué)計(jì)算分析手段，對(duì)學(xué)員進(jìn)行簡(jiǎn)單培訓(xùn)，讓學(xué)員了解先進(jìn)數(shù)值建模仿真方法中的模型建立—裝配加載—提交分析—結(jié)果處理的全流程。然后，在教員的引導(dǎo)下，學(xué)員對(duì)前述工程案例庫(kù)中的案例及教材中的經(jīng)典例題進(jìn)行建模分析，自主探索經(jīng)典力學(xué)問(wèn)題的全過(guò)程動(dòng)態(tài)解，并通過(guò)與書(shū)本結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證激發(fā)學(xué)員的求知欲和探索欲。

在此基礎(chǔ)上，基于教員指定和學(xué)員自擬題目相結(jié)合的方式為學(xué)員在“理論力學(xué)”的《靜力學(xué)》《運(yùn)動(dòng)學(xué)》及《動(dòng)力學(xué)》三個(gè)篇章中分別設(shè)置三次自主探索大作業(yè)實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)員對(duì)教材或工程實(shí)際中感興趣的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行自主探索和建模分析，這一過(guò)程可由學(xué)員獨(dú)立完成或以小組形式鍛煉學(xué)員的軟件使用能力并培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，進(jìn)一步提高學(xué)員解決實(shí)際問(wèn)題能力。

除了課內(nèi)實(shí)踐活動(dòng)之外，課題組還以學(xué)科競(jìng)賽為牽引，引導(dǎo)學(xué)員積極參加全國(guó)周培源力學(xué)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽、大學(xué)生科技創(chuàng)新比賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等各類(lèi)力學(xué)與機(jī)械類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽，將課程內(nèi)容與學(xué)科競(jìng)賽有機(jī)結(jié)合，競(jìng)賽的獲獎(jiǎng)成果進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情（見(jiàn)圖2）。這樣從課內(nèi)到課外層層遞進(jìn)，不僅加深了學(xué)員對(duì)力學(xué)概念的理解和力學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情與內(nèi)驅(qū)力，使學(xué)習(xí)變被動(dòng)為主動(dòng)，更能夠有效拓展實(shí)踐范疇，解決學(xué)員力學(xué)實(shí)踐能力差的問(wèn)題。

4?先進(jìn)力學(xué)分析方法在教學(xué)考核中的實(shí)踐運(yùn)用

傳統(tǒng)“理論力學(xué)”課程在進(jìn)行教學(xué)考核時(shí)，大都只采用單一的期末閉卷考試形式進(jìn)行，這一考核方式的弊端在于：部分學(xué)員平時(shí)不努力學(xué)習(xí)，僅僅在考試之前進(jìn)行突擊復(fù)習(xí)，雖然也可能通過(guò)最終的期末考試，但在后續(xù)學(xué)習(xí)其他專(zhuān)業(yè)課程時(shí)就會(huì)明顯表現(xiàn)出基礎(chǔ)知識(shí)不牢固的現(xiàn)象，后續(xù)課程的學(xué)習(xí)明顯感到吃力。

因此，在“理論力學(xué)”教學(xué)實(shí)踐改革的基礎(chǔ)上，課題組對(duì)本課程的教學(xué)考核方法進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，采取多元化剛?cè)岵?jì)的考核方式取代了傳統(tǒng)的考核方式。具體而言，就是在傳統(tǒng)筆試考核的剛性要求基礎(chǔ)上引入線上學(xué)習(xí)成績(jī)、實(shí)踐項(xiàng)目探究、登臺(tái)展示介紹及小組討論互評(píng)等柔性的、非筆試考核方式。突出探究性的能力考核，以激發(fā)學(xué)員通過(guò)刻苦學(xué)習(xí)收獲力學(xué)實(shí)踐能力和力學(xué)素養(yǎng)養(yǎng)成的成就感。

具體來(lái)講，對(duì)于學(xué)員的線上學(xué)習(xí)效果，可以通過(guò)雨課堂實(shí)時(shí)跟蹤，讓學(xué)員能夠及時(shí)了解自己的學(xué)習(xí)與進(jìn)步情況。對(duì)于實(shí)踐項(xiàng)目探究可以采取開(kāi)放項(xiàng)目式研究，不限定具體的研究目標(biāo)、流程和方法并允許失敗。學(xué)員可以獨(dú)立或者以小組形式開(kāi)展探索實(shí)踐，并將最后的實(shí)踐結(jié)果以PPT的形式在課堂展示。同時(shí)，在課堂展示結(jié)束后可讓其他小組學(xué)員對(duì)展示的學(xué)員進(jìn)行評(píng)價(jià)并打分，并總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及失敗教訓(xùn)。在這樣的多元化考核方式下，學(xué)員的主體作用得以強(qiáng)化，并進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)習(xí)效果得到了有效提升。

結(jié)語(yǔ)

“理論力學(xué)”課程是我校工科專(zhuān)業(yè)的核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)員的力學(xué)思維與創(chuàng)新能力至關(guān)重要。為引導(dǎo)學(xué)員從“要我學(xué)”的學(xué)習(xí)觀念轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”的學(xué)習(xí)理念，切實(shí)提升學(xué)員的力學(xué)能力和力學(xué)素養(yǎng)，項(xiàng)目組針對(duì)“理論力學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱的突出問(wèn)題，創(chuàng)新性地將先進(jìn)仿真分析方法引入了教學(xué)實(shí)踐之中，讓學(xué)員在掌握先進(jìn)力學(xué)分析方法的基礎(chǔ)上，積極主動(dòng)探索、深入研究，有效培養(yǎng)了學(xué)員的力學(xué)思維與創(chuàng)新能力，提升了教與學(xué)的效果，取得了良好的教學(xué)示范效應(yīng)。

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項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于負(fù)剛度放大系統(tǒng)的地下大型人防工程防爆抗震性能提升機(jī)理研究”（52108387）；火箭軍工程大學(xué)教育改革項(xiàng)目“基礎(chǔ)課程青年教員‘教與學(xué)教學(xué)互動(dòng)機(jī)制研究”（HJJKTD2023006）

作者簡(jiǎn)介：郭劍鋒（1981—?），男，漢族，湖南桃源人，碩士，副教授，研究方向?yàn)楣こ塘W(xué)。

*通訊作者：王沿朝（1991—?），男，漢族，湖北應(yīng)城人，博士，講師，研究方向?yàn)楣こ塘W(xué)。