應(yīng)用型本科高校力學(xué)課程教學(xué)改革研究

［摘 要］隨著高等教育改革步入“深水區(qū)”，帶來了許多新情況、新問題、新觀點。不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，探究各種教學(xué)現(xiàn)象的根源，并采用積極穩(wěn)妥的舉措，可以建立“面向工程、強化基礎(chǔ)、提升能力、塑造價值”的力學(xué)課程教學(xué)體系，提升力學(xué)課程教學(xué)的生命力。文章以淮陰工學(xué)院力學(xué)課程教學(xué)為例，著重討論其教學(xué)核心，構(gòu)想其教學(xué)模式，提出其優(yōu)化策略，強化在教學(xué)過程中若干關(guān)系的平衡。

［關(guān)鍵詞］力學(xué)課程；教學(xué)核心；教學(xué)模式；優(yōu)化策略

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）12-0024-05

力學(xué)是近代工程技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)之一，主要研究物體的空間位置和形狀隨時間變化的機械運動規(guī)律，為揭示自然界中與機械運動有關(guān)的內(nèi)在聯(lián)系提供有效的工具[1]。理論力學(xué)研究移動和轉(zhuǎn)動，材料力學(xué)研究變形，流體力學(xué)或空氣動力學(xué)則研究流動。按學(xué)生所學(xué)專業(yè)需要可細分為結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、振動力學(xué)、生物力學(xué)等。力學(xué)課程知識與自然現(xiàn)象、生產(chǎn)實際聯(lián)系密切，在基礎(chǔ)課與專業(yè)課間起著重要的橋梁作用。

淮陰工學(xué)院是一所地方應(yīng)用型本科高校，其二級學(xué)院機械與材料工程學(xué)院（以下簡稱學(xué)院）將力學(xué)課程作為必修課。學(xué)生掌握力學(xué)知識的程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果。多數(shù)學(xué)生畢業(yè)后進入生產(chǎn)一線從事實踐工作。為了培養(yǎng)學(xué)生具有扎實的專業(yè)理論功底和比較豐富的專業(yè)知識，學(xué)院堅持以應(yīng)用為出發(fā)點和落腳點，不斷優(yōu)化力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容，深入開展教學(xué)改革、更新和升級，將學(xué)生固有的或潛在的智慧由內(nèi)而外地激發(fā)出來。

一、以強化學(xué)生力學(xué)思維分析能力為教學(xué)核心

應(yīng)用型高校的教學(xué)目標(biāo)是學(xué)業(yè)期滿的學(xué)生應(yīng)有比較高的思維分析水平，能夠分析、解決具體工程問題。力學(xué)教育主旋律是教會學(xué)生思維分析[2]。力學(xué)知識與力學(xué)思維分析有密切的關(guān)系，但兩者的內(nèi)涵不相同。力學(xué)教材知識和教師講課內(nèi)容不會自動鉆進學(xué)生頭腦，也不能代替學(xué)生進行思維分析，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮思維分析能力，對比相關(guān)物體之間的異同點，分析相關(guān)現(xiàn)象中物體的因果關(guān)系、排中關(guān)系、依存關(guān)系、對立關(guān)系等，通過獨立琢磨、思索、構(gòu)想、推斷、歸納，認清物體或知識的本質(zhì)、特征，并化感性認識為理性認識。例如，教師完成理論力學(xué)課程各個階段的教學(xué)后，可以安排學(xué)生分別做靜力學(xué)的受力分析、力系簡化、平衡方程、摩擦、桁架內(nèi)力等內(nèi)容的思維導(dǎo)圖，運動學(xué)的坐標(biāo)描述、剛體簡單運動、點的合成運動、剛體平面運動等內(nèi)容的思維導(dǎo)圖，以及動力學(xué)的質(zhì)點運動微分方程、動量定理、動量矩定理、動能定理等內(nèi)容的思維導(dǎo)圖[3]。隨著一系列精心授課和有效實訓(xùn)的開展，學(xué)生在力學(xué)知識的學(xué)習(xí)上漸漸入門，熟悉并掌握思維分析的方法、路徑，悉數(shù)學(xué)會轉(zhuǎn)換思維分析尺度、維度、角度、梯度的訣竅，嫻熟處理力學(xué)要素之間的搭配，就能將學(xué)到的力學(xué)知識付諸應(yīng)用，以力學(xué)思維孕育創(chuàng)新思維。

二、探索實踐新型的力學(xué)課程教學(xué)模式

（一）開放式教學(xué)模式

科學(xué)發(fā)展及新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，對力學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。創(chuàng)建學(xué)生自主學(xué)習(xí)實踐的開放式課堂，將學(xué)生置于力學(xué)科技信息最新發(fā)展區(qū)，不斷拓寬學(xué)生的視野，放大學(xué)生的想象空間，成為力學(xué)課程教學(xué)改革的當(dāng)務(wù)之急。課程教學(xué)知識要及時補充課外實用的反映現(xiàn)代科技成果的內(nèi)容，并同經(jīng)典力學(xué)基本概念相互呼應(yīng)。特別在電腦軟件計算工具問世以來，力學(xué)教學(xué)不能停留在手工方法計算上，而應(yīng)要求學(xué)生運用數(shù)字設(shè)備的強大功能，把力學(xué)學(xué)科知識與有關(guān)聯(lián)的其他學(xué)科知識聯(lián)系起來，研究荷載、結(jié)構(gòu)更加錯綜復(fù)雜的力學(xué)對象[4]。改變教師總在課堂上一枝獨秀的狀況，突出學(xué)生在課程教學(xué)中的主體地位，加強師生、生生溝通、合作，大家各抒己見、暢所欲言，共同探索力學(xué)的問題性質(zhì)，借助力學(xué)理論剖析工程項目，分享所獲結(jié)論的力學(xué)意義[5]。鼓勵學(xué)生不要滿足于課堂教學(xué)的信息量，積極上網(wǎng)、在圖書館查閱力學(xué)學(xué)科的文獻資料，進行自我擴充、積累，依靠自身能力排除學(xué)習(xí)上的障礙，并在固定程序或范例束縛之外解題，盡量做到推陳出新。組織學(xué)生前往實習(xí)基地或參觀生產(chǎn)設(shè)備作業(yè)現(xiàn)場，深刻體驗力學(xué)的物質(zhì)表現(xiàn)形式和內(nèi)在道理。

（二）個性化教學(xué)模式

尊重學(xué)生的獨特性和差異性，在教學(xué)大綱范圍內(nèi)嚴格執(zhí)行力學(xué)課程質(zhì)量標(biāo)準，有目的、有計劃、有步驟地開展個性化教學(xué)活動，盡量使每個學(xué)生都能得到充分的可持續(xù)的發(fā)展。根據(jù)教學(xué)班學(xué)生的專業(yè)特點、知識基礎(chǔ)、鉆研水平，教師對部分教學(xué)內(nèi)容進行適當(dāng)刪減或添補、細化或簡化、提前或推后。對于那些對力學(xué)學(xué)科知識學(xué)習(xí)興趣濃厚、能力較強的學(xué)生，可在課堂上適當(dāng)引導(dǎo)他們進行略有難度的思考，加強其認知張力。超出教學(xué)大綱范圍，提出力學(xué)建模題目（如正應(yīng)力、位移、加速度等）和應(yīng)把握的要點，指導(dǎo)學(xué)生個人或興趣小組學(xué)習(xí)創(chuàng)新設(shè)計力學(xué)模型。學(xué)生創(chuàng)造模型后，經(jīng)過多種參數(shù)變化的運行，如果其結(jié)果能滿足一定精確度的要求，并與仿真或?qū)嶒炐Ч辔呛?，則及時予以肯定和贊許；如果學(xué)生創(chuàng)造模型的求解精度較差的，則提示他們從哪幾個方面去分析原因并加以改進、研究解決途徑，或者讓他們留待以后用更強的建模能力來完成。對于學(xué)習(xí)進步緩慢的學(xué)生則需多費一番周折，通過批改作業(yè)找到其出錯的原因，進行一對一的師生輔導(dǎo)或?qū)W生小組幫扶。

（三）服務(wù)型教學(xué)模式

學(xué)生在力學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)占據(jù)主動地位，教師應(yīng)處于為學(xué)生提供各種引導(dǎo)、助力的位置。教師在教學(xué)實踐中真誠為學(xué)生服務(wù)，一切從學(xué)生實際出發(fā)，把學(xué)生的剛需納入教學(xué)安排[6]。在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，他們能想到的要為他們雪中送炭，及時滿足他們的合理需求和愿望；他們暫時沒有想到的，也要提醒他們提前做好準備，便于其擺脫困境。教師可將自己精心制作的力學(xué)課程視頻上傳至本校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程平臺，以便學(xué)生結(jié)合自己的學(xué)習(xí)進度自主學(xué)習(xí)，不懂的地方反復(fù)看、反復(fù)聽，直至明白為止。建立學(xué)生力學(xué)課程各階段學(xué)習(xí)狀況的檔案記錄，以便對癥下藥、服務(wù)到位。為了使學(xué)生能夠提高學(xué)習(xí)效率，營造良好的教學(xué)環(huán)境，教學(xué)單位購置各種臺（套）的小型便攜式教具，如曲柄滑塊、牛頭刨床、制動機構(gòu)、行星輪系等，收藏更多可以用于教學(xué)用具的學(xué)生參加省級以上力學(xué)競賽的獲獎作品，如無碳小車、連桿式機器人、全自動轉(zhuǎn)輪、電動螺絲刀等；教研組建立教學(xué)案例庫、思政案例庫、教師課堂提問題庫、學(xué)生討論題庫等。教師要提高將資源為我所用、物盡其用的能力，在課堂教學(xué)、實驗課教學(xué)中恰當(dāng)、巧妙地發(fā)揮它們應(yīng)有的作用。

三、力學(xué)課程課堂教學(xué)、實驗室教學(xué)優(yōu)化策略

（一）提高課堂教學(xué)的效率

教師在課堂上耐心講解力學(xué)知識，吸引學(xué)生的注意力，把課前預(yù)設(shè)在課堂變現(xiàn)，把教學(xué)初衷轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)實踐。力學(xué)概念往往比較抽象，教師講授相關(guān)內(nèi)容時盡量從具體的事物入手，舉一些生產(chǎn)、生活中的例子，可使學(xué)生形成感性認識，便于其更好地理解和掌握理論知識。例如在講解受力平衡時，分析人采用頭頂或肩挑負重，使重物的重力沿著脊椎的軸線方向作用而只承受壓力的做法是科學(xué)的；在講解點的加速度合成運動時介紹柏而定律，并告訴學(xué)生在地球科里奧利力的作用下，北半球的人鞋底的右側(cè)往往比左側(cè)先磨破，而南半球的人則相反；在講解剛體對定點的動量矩定理時，引入抖空竹中的力學(xué)問題，即人將線繩繞在短軸上用力來回抽拉，利用線繩對短軸的摩擦力帶動空竹旋轉(zhuǎn)。線下課堂授課的優(yōu)勢是面對面啟發(fā)學(xué)生，教師需開展有深度的問答，例如可提問“為什么吊車由于起吊位置選擇不合適沒有吊起重物，反而引起翻倒”，指定學(xué)生按照力矩理論來回答原因何在?？偠灾?，在力學(xué)課程教學(xué)過程中激活學(xué)生的思維，觸發(fā)其能動反應(yīng)，促使其迸發(fā)靈感火花，達到活學(xué)、活用的目的。

（二）強化多媒體教學(xué)的作用

把多媒體教學(xué)設(shè)備用得得心應(yīng)手，逐步提高教學(xué)課件的質(zhì)量。將原本在黑板上書寫本課程教學(xué)的體系、脈絡(luò)類文字內(nèi)容改由多媒體展示，節(jié)省課堂教學(xué)時間，可以向?qū)W生輸送更多的教學(xué)信息與資源。力學(xué)理論離不開抽象的嚴謹?shù)恼Z言表述，教師要吃透力學(xué)課程內(nèi)容的精髓，使用信息技術(shù)將抽象的原理和計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為可視化課件。自制或從網(wǎng)上下載相應(yīng)的照片、圖畫、漫畫、動畫、示意圖、曲線圖、統(tǒng)計表、幻燈片、錄像等，然后用多媒體教學(xué)設(shè)備在課堂上同步播放，用以配合教師講授的一些難以用語言表述清楚的內(nèi)容，使學(xué)生能夠直接感知描述性的知識，以便達到化難為易、化繁為簡的效果。最后將相關(guān)的分散內(nèi)容升格為系統(tǒng)、高級的認知。

例如可以用ANSYS仿真軟件及手段制作相應(yīng)理論模型的課件[7]，反映測算不同截面形狀懸臂梁的強度、剛度。第一步，在屏幕展示懸臂梁的示意圖。第二步，在屏幕展示梁的矩形、工字形、圓形、圓管、箱形、三角形環(huán)狀截面示意圖，假定控制各截面面積S=1200mm2，測算這6種形狀截面邊線的長度尺寸。第三步，計算這6種形狀截面梁的慣性矩大小。第四步，計算這6種形狀截面懸臂梁在自由端受1200N載荷作用下固定端的最大彎曲正應(yīng)力理論解。第五步，計算這6種形狀截面懸臂梁在自由端受1200N載荷作用下自由端的最大撓度理論解。第六步，計算這6種形狀截面梁在ANSYS中的有限元模擬解：（1）在屏幕展示所建立的幾何模型圖；（2）在屏幕展示計算機求解上述形狀截面懸臂梁在自由端受1200N載荷作用下的位移云圖；（3）在屏幕展示與前述相同條件下的等效應(yīng)力云圖；（4）在屏幕展示繪制的前述6種形狀截面懸臂梁的數(shù)據(jù)分析表格，并進行與理論值的誤差計算。第七步，對問題進行分析總結(jié)。全例在屏幕上總共展示各種圖25幅、表格1份。

（三）注重確保實驗室教學(xué)的成效

材料力學(xué)、工程力學(xué)、熱流體學(xué)基礎(chǔ)等課程的教學(xué)大綱規(guī)定有一定比例課時的實驗項目教學(xué)。通過實驗室教學(xué)，學(xué)生能學(xué)到許多理論課堂上學(xué)不到的東西。把課程理論貫穿到力學(xué)性能實驗中，以實驗為理論教學(xué)服務(wù)，使學(xué)生切身體驗理論知識的應(yīng)用；將理論知識和實驗相結(jié)合，經(jīng)過思維加工過程得到新的認識。例如可安排學(xué)生進行矩形、圓形、工字形、T形等截面的單體梁在純彎曲狀態(tài)下橫截面上的正應(yīng)力實驗，觀察其橫截面正應(yīng)力的大小以及分布規(guī)律，驗證彎曲正應(yīng)力公式，然后指導(dǎo)學(xué)生在單體梁實驗的基礎(chǔ)上增加疊合梁實驗，測出其橫截面上的正應(yīng)力數(shù)據(jù)，用電腦和應(yīng)用軟件的處理功能呈現(xiàn)模擬實驗結(jié)果，并將其與單體梁的正應(yīng)力數(shù)據(jù)進行對比分析，根據(jù)實驗規(guī)律推導(dǎo)疊合梁橫截面上正應(yīng)力的計算公式。教師還可以嘗試翻轉(zhuǎn)實驗教學(xué)，告訴學(xué)生實驗?zāi)繕?biāo)以及常規(guī)實驗設(shè)備儀器的使用方法和注意事項后，下達實驗任務(wù)，要求學(xué)生自行選擇、設(shè)計、修改實驗方案，錯了可以再試。當(dāng)然，教師必須及時跟蹤點評，必要時親自演示規(guī)范操作辦法。

四、有效開展力學(xué)課程教學(xué)需要處理好的關(guān)系

（一）傳統(tǒng)教法與現(xiàn)代教法的關(guān)系

教學(xué)改革大力推行現(xiàn)代教法，是出于提高力學(xué)課程教學(xué)效率和降低教學(xué)成本的需要，絕非全盤否定傳統(tǒng)教法。妥善處理傳統(tǒng)教法與現(xiàn)代教法的關(guān)系，要將傳統(tǒng)教法的優(yōu)勢與現(xiàn)代教法的優(yōu)勢進行有機結(jié)合，爭取更好的教學(xué)效果?？筛鶕?jù)不同的教學(xué)內(nèi)容、背景、條件、對象，合理采用現(xiàn)代教法和傳統(tǒng)教法?，F(xiàn)代教法強調(diào)自由發(fā)揮，教師可以圍繞所教主題闡述課本知識和自己積累的知識，組織學(xué)生暢所欲言等。例如開展理論力學(xué)課程的教學(xué)時，可在摩擦章節(jié)引入某航天器軸承轉(zhuǎn)子的滑動與滾動形式，解析滑動摩擦與滾動摩擦的區(qū)別與聯(lián)系；在平面運動章節(jié)引入人造關(guān)節(jié)這一與生物力學(xué)交叉的學(xué)科知識，讓學(xué)生在理解結(jié)構(gòu)平面運動規(guī)律的同時，了解力學(xué)在前沿科技中的重要應(yīng)用。參照《力學(xué)學(xué)報》《機械工程學(xué)報》等期刊介紹的相關(guān)資訊，組織學(xué)生對活塞式壓縮機中的各種力（氣體力、慣性力、摩擦力以及綜合活塞力）進行計算分析。不過現(xiàn)代教法仍然需要部分沿用傳統(tǒng)教法中的講授法，畢竟教師首先要通過課堂講解把教材上的內(nèi)容教給學(xué)生?，F(xiàn)在高校力學(xué)課程教學(xué)幾乎離不開應(yīng)用多媒體的輔助功能。由于學(xué)生有時閱讀所播放課件內(nèi)容的速度跟不上教師講解的速度，在課堂上來不及思考，就容易失去參與互動的機會。針對這一現(xiàn)象，教師推演如流體力學(xué)課程中恒定流能量方程（伯努利方程）的證明過程，可以沿用“黑板+粉筆”的傳統(tǒng)教法，邊寫邊講，甚至可重復(fù)幾遍，掌控好教學(xué)節(jié)奏。現(xiàn)代教法倡導(dǎo)學(xué)生用自己的思維方法解題，順藤摸瓜找到打開所有“鎖芯”的每一把“鑰匙”，但這也建立在完成一定數(shù)量的具有典型性、代表性的練習(xí)題作業(yè)的基礎(chǔ)之上[8]。

（二）粗放教學(xué)與精細教學(xué)的關(guān)系

粗放教學(xué)和精細教學(xué)融為一體、相得益彰，或兩者取其一，獨立發(fā)揮作用。教師課堂講解應(yīng)確保是最基本、最重要的內(nèi)容，如材料力學(xué)課程內(nèi)容的核心、主干、重點和難點：材料力學(xué)的基本概念和基本假設(shè)、軸向拉壓時的強度計算和變形計算，圓軸扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力、應(yīng)變計算，求剪力方程和彎矩方程以及橫力彎曲正應(yīng)力、彎曲剪應(yīng)力的計算等，務(wù)必從點到線、從線到面地進行仔細講解，確保學(xué)生能夠前后連貫、觸類旁通。有些內(nèi)容比較淺顯，如軸向拉壓的應(yīng)力、疊加法求彎矩、變形等；有些內(nèi)容過于陳舊，如有些已講內(nèi)容或意思相近的內(nèi)容。學(xué)生運用高等數(shù)學(xué)知識很容易理解的那些公式推導(dǎo)，教師可以粗線條講解、提速講解或點撥講解，讓學(xué)生課后溫習(xí)、自修。學(xué)生綜合學(xué)習(xí)成績，粗放計算是按照期中考試、期末考試和實驗考查的分數(shù)加權(quán)平均后確定。這樣的好處是計分程序公平，學(xué)生追求的直接目標(biāo)比較清晰。精細計算是按照學(xué)生考試考查成績以及完成課外作業(yè)數(shù)量、質(zhì)量，在課堂上回答教師提問時的表現(xiàn)和其他評價等情況規(guī)定的比例計算。這樣能夠促使學(xué)生求真篤學(xué)、學(xué)思踐悟，但也可能摻入教師的主觀因素。

（三）力學(xué)教育與思政教育的關(guān)系

力學(xué)教育要做到對學(xué)生價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)的有機統(tǒng)一。三尺講臺既是傳授力學(xué)課程知識的平臺，也是傳播黨的方針政策、弘揚中華民族偉大復(fù)興的精神、宣傳愛崗敬業(yè)的職業(yè)道德等的重要陣地[9]。將思政案例無縫嵌入所講的力學(xué)課程內(nèi)容里，能夠?qū)W(xué)生進行春風(fēng)化雨、潤物無聲的隱性教育，幫助學(xué)生“求知、鑄魂、踐行”。其實，力學(xué)知識里蘊藏著許多力學(xué)文化的元素，找到力學(xué)知識與思政案例的邏輯鏈，大量生動、鮮明、得體的案例就會呼之欲出[10]。例如在講解考慮摩擦的平衡問題時可介紹電影《我和我的祖國》中的一個片段：黃渤出演電動旗桿設(shè)計安裝者林治遠，為確保升旗儀式萬無一失，反復(fù)測試并排除一個個問題，最終保障升旗儀式順利進行。黃渤在片中爬旗桿用的腳扣，又叫“克京鐵鞋”，是淄博一名供電工人張克京發(fā)明的。以此激勵學(xué)生樹立鍥而不舍的科學(xué)態(tài)度，增強學(xué)生愛國情懷。又如在講解靜力學(xué)受力分析時，可謳歌港珠澳大橋、重慶朝天門大橋等工程建設(shè)者艱苦創(chuàng)業(yè)、無私奉獻的精神。當(dāng)然，力學(xué)課程教學(xué)以專業(yè)內(nèi)容為主，插入思政內(nèi)容不能占用整塊、大段時間，一個教學(xué)單元講解思政內(nèi)容或播放思政課件的時間控制在兩三分鐘為宜。

五、結(jié)語

將力學(xué)課程知識一分為二，一半是理論基礎(chǔ)知識，另一半是應(yīng)用知識。理論基礎(chǔ)知識是應(yīng)用知識的基礎(chǔ)，應(yīng)用知識是理論基礎(chǔ)知識的發(fā)展，兩者互為支撐、不可或缺。力學(xué)課程教學(xué)改革不僅要夯實學(xué)生的力學(xué)理論知識基礎(chǔ)，提高其包括力學(xué)眼光、力學(xué)思維等在內(nèi)的學(xué)科素質(zhì)，而且要推動學(xué)生努力積累力學(xué)應(yīng)用知識，不斷提高機械工程設(shè)計、制造方面的專業(yè)技術(shù)水平與動手能力，以適應(yīng)新時代產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級、技術(shù)持續(xù)更新迭代的需要。

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［責(zé)任編輯：龐丹丹］