毛東風(fēng)

[摘要] 筆者在《工程力學(xué)》精品課程建設(shè)中,將傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教育思想和手段有機(jī)融合,在課程內(nèi)容體系、方法和手段以及雙語(yǔ)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)等改革措施方面進(jìn)行了積極的探索和嘗試。

[關(guān)鍵詞] 工程力學(xué) 教學(xué)改革 實(shí)踐

《工程力學(xué)》課是工科學(xué)生的重要基礎(chǔ)課,也是工科專業(yè)學(xué)生較難掌握的幾門重要課程之一。隨著高校的連續(xù)擴(kuò)招帶來(lái)的生源結(jié)構(gòu)變化,如何在課時(shí)大量壓縮的情況下,保障教學(xué)質(zhì)量,同時(shí)滿足石油工業(yè)對(duì)外向型及創(chuàng)新型人才的需要、賦予古老傳統(tǒng)力學(xué)課以新意,成為教學(xué)改革面臨的重要課題。中國(guó)石油大學(xué)(北京)力學(xué)課程建設(shè)小組,從十幾年前就開(kāi)始了有益的嘗試,并取得了令人滿意的效果。

一、課程體系及內(nèi)容改革

1.精心組織內(nèi)容結(jié)構(gòu),賦予傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)代氣息

工程力學(xué)盡管是較為傳統(tǒng)的學(xué)科,但在日新月異的新時(shí)代,它依然是解決各類工程技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題的關(guān)鍵,教學(xué)過(guò)程必須讓學(xué)生掌握其基本要義和精髓。我們?cè)谡n程內(nèi)容組織時(shí),精選經(jīng)典內(nèi)容,大刀闊斧地刪去原來(lái)工程力學(xué)與大學(xué)物理學(xué)的重疊部分,并適時(shí)引入反映課程應(yīng)用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)實(shí)例,介紹教師的科研新內(nèi)容和新成果,為學(xué)生掀開(kāi)科研的神秘面紗。在體系方面,以方法代之于對(duì)象作為章節(jié)的劃分。這樣即提高教學(xué)效率,讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何尋找事物的內(nèi)在聯(lián)系,掌握課程的精華,又將理論與應(yīng)用有機(jī)結(jié)合,使學(xué)生建立起工程意識(shí),將來(lái)工作起點(diǎn)高、上手快。例如,筆者承擔(dān)的國(guó)家“863”以及國(guó)家重大專項(xiàng)等科研項(xiàng)目中,都會(huì)涉及用工程力學(xué)的知識(shí)解決如深海石油工程、海底管道及儲(chǔ)運(yùn)工程等方面的問(wèn)題。學(xué)生聽(tīng)講時(shí),個(gè)個(gè)聚精會(huì)神,興致盎然。同時(shí),教師也注意提醒現(xiàn)有課程知識(shí)所不能解決的問(wèn)題,為今后的進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)力學(xué)設(shè)下伏筆,學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性得以提高。

2.突出思路與方法,促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思維

工程力學(xué)課在大二時(shí)開(kāi)設(shè),雖然已經(jīng)有了一年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活,但是長(zhǎng)期以來(lái),在應(yīng)試教育的影響下,相當(dāng)學(xué)生在中小學(xué)時(shí)養(yǎng)成的“依賴”性的學(xué)習(xí)習(xí)慣尚未完全改變。求解問(wèn)題不思考如何分析,總是想著先看答案,并由此去猜過(guò)程。不會(huì)站在更高的層面看問(wèn)題,想著如何用普遍規(guī)律去解決具體問(wèn)題,而只喜歡“文山題?！笔降膽?zhàn)術(shù),從大量練習(xí)中被動(dòng)地慢慢體會(huì)內(nèi)涵,也就是只會(huì)從眾多個(gè)例來(lái)建立普遍規(guī)律。學(xué)生的計(jì)算能力普遍較高,在給定參數(shù),利用公式計(jì)算方面基本沒(méi)有問(wèn)題。然而,定性分析問(wèn)題的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,而這恰恰是開(kāi)展科學(xué)研究、解決工程問(wèn)題的基本要素。因此,我們?cè)谡n堂講述中,淡化繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo),摒棄啰嗦的數(shù)字計(jì)算,強(qiáng)化定性分析,突出思路與方法。在促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思維方面,謝絕滿堂灌與一言堂,適時(shí)展開(kāi)課堂討論,讓學(xué)生在討論中自己得出結(jié)論,在討論結(jié)束前再提出問(wèn)題,留出讓學(xué)生思考的空間,讓他們學(xué)會(huì)探究式的學(xué)習(xí)方法。例如,材料力學(xué)的學(xué)習(xí)中,幾大基本假設(shè)可能是學(xué)生遇到的首個(gè)真正意義上的數(shù)學(xué)建模問(wèn)題。講授時(shí)不僅介紹其內(nèi)容,還要說(shuō)明各假設(shè)所具有的數(shù)學(xué)意義,對(duì)問(wèn)題求解所起到的作用等。在拉-壓、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的推導(dǎo)時(shí),引導(dǎo)學(xué)生注意靜力平衡條件、幾何關(guān)系、物理關(guān)系的共同運(yùn)用,在彎曲應(yīng)力的推導(dǎo)時(shí),自然會(huì)想到這幾個(gè)方程。這樣,不僅使此處進(jìn)展順利,還為將來(lái)的彈塑性分析作了鋪墊。在得到彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式σ瓁=M瓂瑉I瓃時(shí),討論彎矩M﹜、截面慣性矩I﹝及點(diǎn)到中性軸距離|z|對(duì)橫截面上一點(diǎn)正應(yīng)力的影響,并以T形截面、非對(duì)稱放置的鑄鐵外伸梁為例,讓學(xué)生討論如何布置梁能更好的達(dá)到使用目的。此時(shí)學(xué)生往往注意到了截面關(guān)于中性軸的不對(duì)稱及材料拉壓強(qiáng)度的不等,按照彎矩圖的正負(fù)對(duì)截面正立或倒立作調(diào)整,當(dāng)均不能達(dá)到安全使用要求時(shí),就可能放棄。這時(shí)教師要詢問(wèn),這樣的調(diào)整在公式中體現(xiàn)了那些項(xiàng)的變化?是否還有別的辦法?可能就有同學(xué)打破定勢(shì)思維,發(fā)現(xiàn)彎矩其實(shí)是可以通過(guò)支座的調(diào)節(jié)而發(fā)生變化的。而對(duì)于調(diào)節(jié)到何處最好,則作為課后練習(xí),讓學(xué)生自己去求解。至于解決方法,又可開(kāi)展討論。將支座位置——相當(dāng)于載荷作用位置作為未知量帶入彎矩表達(dá)式,并利用高等數(shù)學(xué)極值知識(shí)進(jìn)行最小值求解。并告訴學(xué)生,這就是優(yōu)化設(shè)計(jì),而優(yōu)化目標(biāo)就是彎矩最小(應(yīng)力最小、承載能力最高)。這樣講解,學(xué)生感覺(jué)將前后知識(shí)連貫與融合起來(lái)了,視野更開(kāi)闊,收獲更大,對(duì)未來(lái)的學(xué)習(xí)信心更飽滿。

二、用現(xiàn)代教育思想和手段促進(jìn)教學(xué)水平不斷提高

1.從簡(jiǎn)單原理出發(fā),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

教與學(xué)是教學(xué)活動(dòng)的兩個(gè)基本方面,由教師和學(xué)生共同完成。它的生動(dòng)開(kāi)展必須堅(jiān)持以人為本的原則,既要重視發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用,又必須尊重學(xué)生的主體地位。本著“興趣是最好的老師”的理念,在教的過(guò)程中,積極引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。例如,在講摩擦?xí)r,介紹同學(xué)們熱愛(ài)的F1賽車上利用摩擦原理進(jìn)行的設(shè)計(jì),螺紋擰緊自鎖的原理;在學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí),利用行星輪上一點(diǎn)的軌跡,說(shuō)明鉆方孔的原理(此時(shí)他們往往很驚訝);在分析截面慣性矩對(duì)彎曲應(yīng)力的影響時(shí),順手拿起手邊的鋼板尺演示當(dāng)沿橫截面兩不同主軸彎曲時(shí),為何在一個(gè)方向易彎,而在另一個(gè)方向則很難?以彎曲的書(shū)中間鼓起部分壓下時(shí)頁(yè)面間的相對(duì)滑移錯(cuò)動(dòng),解釋梁彎曲時(shí),構(gòu)件層間的剪切作用;并以此說(shuō)明,若在傾斜地層中確定井位,在油氣產(chǎn)出后地層發(fā)生沉降時(shí),油井套管易于受地層剪切而破壞的道理。某些看似不易實(shí)現(xiàn)的工藝——鉆方孔,難于解釋的成因——套管損壞,所運(yùn)用的原理其實(shí)并不復(fù)雜,作為大二學(xué)生是完全可以理解的,這極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這興趣將引領(lǐng)他們開(kāi)啟探索與發(fā)現(xiàn)的美妙之旅。

2.重視啟發(fā)教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維

大科學(xué)家愛(ài)因斯坦在《物理學(xué)的進(jìn)化》中說(shuō):“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更為重要,因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題也許是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技巧問(wèn)題。而提出新的問(wèn)題、新的可能性,從新的角度看舊問(wèn)題,卻需要?jiǎng)?chuàng)造性的想像力,而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步?！钡袼芗伊_丹說(shuō):“美不在于存在,而在于發(fā)現(xiàn)?！笨茖W(xué)與藝術(shù),兩個(gè)距離多么遙遠(yuǎn)的領(lǐng)域,最終卻統(tǒng)一于相同的哲學(xué)理念。社會(huì)的進(jìn)步在于創(chuàng)造,創(chuàng)造的源泉在于發(fā)現(xiàn)。然而,長(zhǎng)期的應(yīng)試教育在很大程度上束縛了學(xué)生的創(chuàng)造性。他們不善于提問(wèn),面對(duì)權(quán)威時(shí)不敢提問(wèn),日積月累,最終導(dǎo)致只會(huì)慣性式的接受而難于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。解放人的個(gè)性,培養(yǎng)人的獨(dú)立精神與創(chuàng)造性,讓年輕人以文明人的好奇心去接受知識(shí),學(xué)會(huì)與他人合作溝通,是大學(xué)教育的根本與責(zé)任。為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性的思維習(xí)慣,在工程力學(xué)課的某些教學(xué)中,根據(jù)課程內(nèi)容,我們采用問(wèn)題教學(xué)模式。一方面,在提出新理論與新方法時(shí)闡述發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的原因,例如,在講力線平移定理時(shí),先問(wèn)學(xué)生:如果僅依靠平行四邊形法則、通過(guò)兩兩力線交點(diǎn)作平行四邊形求力系的合力,會(huì)有什么問(wèn)題?力系簡(jiǎn)單時(shí)、在一張足夠大的紙上畫圖還比較好辦,力系復(fù)雜時(shí)、特別是遇到兩力線不相交時(shí)怎么辦?能否利用匯交力系、力偶系的簡(jiǎn)化結(jié)果、同時(shí)不必畫圖的解析方法進(jìn)行簡(jiǎn)化?另一方面,由初期的教師問(wèn)學(xué)生答的方式逐步向?qū)W生問(wèn)教師或其他學(xué)生答過(guò)渡,鼓勵(lì)學(xué)生大膽提問(wèn)。根據(jù)問(wèn)題的難易程度,可以選擇教師當(dāng)堂答、或組織學(xué)生討論,也可以留作課后答,或?qū)W生和老師課后查完資料再回到課堂討論。作為教師,對(duì)于學(xué)生獨(dú)立思維的創(chuàng)造性和勇于挑戰(zhàn)權(quán)威和課本的批判性要接受并加以維護(hù)。這樣的教學(xué)方式不僅活躍了課堂氣氛,教學(xué)效果好,也讓學(xué)生學(xué)會(huì)表達(dá)自己的思想,明白討論與爭(zhēng)鳴是溝通與合作的一種正常方式。

3.發(fā)揮多媒體優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足工程力學(xué)課的特點(diǎn)之一是內(nèi)容豐富。反映在教學(xué)上就是板書(shū)多,需要畫的圖多,所用公式也多。要在課時(shí)減少情況下,按時(shí)完成教學(xué)任務(wù),并將枯燥的內(nèi)容變得生動(dòng)活潑,必須借助計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)手段,充分發(fā)揮其在視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)上的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)文字、圖形的動(dòng)靜配合、色彩的和諧搭配,吸引學(xué)生的注意力,進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。我們所有課程內(nèi)容都采用Powerpoint制成電子教案。為體現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)過(guò)程,電子教案內(nèi)容及公式按照邏輯關(guān)系編輯并逐條顯示在投影屏幕上。內(nèi)容中應(yīng)重點(diǎn)突出,文字?jǐn)?shù)量盡量要少,以利學(xué)生課堂上邊聽(tīng)、邊看、并適當(dāng)記錄。對(duì)于遇到的復(fù)雜結(jié)構(gòu),還可以通過(guò)flash動(dòng)畫加以演示。這樣,盡管課程信息量大,由于圖形形象生動(dòng)、畫面賞心悅目,學(xué)生不疲勞,仍能保證教學(xué)效果良好。為便于學(xué)生課下學(xué)習(xí),我們積極利用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì),最大限度享用公共資源,建立了學(xué)習(xí)網(wǎng)站。學(xué)生可在網(wǎng)上下載所有電子教案,在網(wǎng)上預(yù)約開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)課,網(wǎng)上還建立了質(zhì)疑和解答區(qū)。

4.開(kāi)展自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生動(dòng)手能力

為了給學(xué)生施展創(chuàng)新能力提供空間,力學(xué)實(shí)驗(yàn)室是開(kāi)放式的。學(xué)生可以預(yù)約實(shí)驗(yàn)及時(shí)間。除開(kāi)展拉、壓、彎、扭、沖擊及疲勞等常規(guī)實(shí)驗(yàn)外,還增加了自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以自主選擇感興趣的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、資料查閱、儀器設(shè)備選擇,到實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)施,所有的環(huán)節(jié)均由學(xué)生自己確定和完成。教師負(fù)責(zé)把關(guān)。如:學(xué)生選擇用懸臂梁實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證梁橫截面上正應(yīng)力分布特點(diǎn)和材料的泊桑比。他在查閱相關(guān)資料后,經(jīng)過(guò)必要的計(jì)算和分析,給出應(yīng)變片布置方案、載荷范圍、應(yīng)變儀連接方式等。在方案經(jīng)指導(dǎo)老師校核通過(guò)后,學(xué)生自己打磨試件、粘貼應(yīng)變片、連接應(yīng)變儀、安裝試件、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完畢,寫出報(bào)告并總結(jié)心得。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)造能力,學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性也得到提高?？梢哉f(shuō),工程力學(xué)課做到了“教、學(xué)、練”一體化。

此外,我們鼓勵(lì)和扶持學(xué)生積極參加各種相關(guān)知識(shí)技能大賽,將所學(xué)的力學(xué)知識(shí)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題。如:通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生參加結(jié)構(gòu)大賽,學(xué)生的結(jié)構(gòu)分析能力得到極大鍛煉。

5.開(kāi)展雙語(yǔ)教學(xué),為國(guó)際合作型人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)

為適應(yīng)石化行業(yè)的發(fā)展越來(lái)越國(guó)際化、外向化、對(duì)復(fù)合型人才的需求量日益增大的特點(diǎn),同時(shí)也為學(xué)生學(xué)習(xí)英語(yǔ)提供使用環(huán)境,工程力學(xué)課從1990年代中期就嘗試全面使用雙語(yǔ)教學(xué)。不僅特別編輯了適合于本校學(xué)生使用的英文教材,還有與之配套的英文電子教案,學(xué)生作業(yè)與考試也全部采用英文。這些年的實(shí)踐使教師在雙語(yǔ)教學(xué)上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),學(xué)生在雙語(yǔ)教學(xué)環(huán)境的熏陶下,專業(yè)英語(yǔ)水平和英語(yǔ)寫作水平均有大幅提高。學(xué)生的綜合素質(zhì)與工作競(jìng)爭(zhēng)力得到提升。在石化行業(yè)國(guó)際合作型人才的選拔中,我校的畢業(yè)生頗受青睞。

三、結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)石油大學(xué)(北京)力學(xué)課程組一貫重視課程建設(shè)與改革,使工程力學(xué)課做到了新內(nèi)容、新體系、新方法、新手段的有機(jī)結(jié)合,保證了優(yōu)良的教學(xué)效果。課程組的教師不僅做教學(xué)的骨干,更做科研的中堅(jiān),同時(shí)不斷將科研成果轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源,有力地促進(jìn)了產(chǎn)學(xué)研一體化。這也是工程力學(xué)課一直保持為學(xué)校的傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)課的重要原因。經(jīng)過(guò)課程組全體教師的不懈努力,課程建設(shè)與改革取得豐厚成果,先后獲得多項(xiàng)教學(xué)獎(jiǎng)勵(lì)。它們是:中油集團(tuán)公司優(yōu)秀教學(xué)成果三等獎(jiǎng)1項(xiàng);校優(yōu)秀教學(xué)成果一、二、三等獎(jiǎng)6項(xiàng);校重點(diǎn)課程建設(shè)2項(xiàng);IET教育基金青年教師獎(jiǎng)1項(xiàng);北京市高等學(xué)校優(yōu)秀青年骨干教師1項(xiàng);中國(guó)石油大學(xué)(北京)品牌課教師1項(xiàng)等。

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