劉 靜, 周曉玲, 汪中厚

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 222293）

淺談工程力學(xué)教學(xué)中實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

劉 靜, 周曉玲, 汪中厚

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 222293）

在分析工程力學(xué)教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出針對(duì)實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的工程力學(xué)教學(xué)方法。通過(guò)在課堂理論教學(xué)中滲透工程實(shí)踐,設(shè)置綜合性課程實(shí)驗(yàn),開(kāi)展基于課題的綜合課程設(shè)計(jì)；進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué),研討課教學(xué)和研究型教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力,從而在提高教學(xué)效果的同時(shí),實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用與創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

工程力學(xué)；教學(xué)；實(shí)踐；創(chuàng)新

一、工程力學(xué)教學(xué)特點(diǎn)

工程力學(xué)課程是工科眾多專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，包括理論力學(xué)和材料力學(xué)。通過(guò)理論力學(xué)教學(xué)，使學(xué)生掌握質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系和剛體機(jī)械運(yùn)動(dòng)（包括平衡）的基本規(guī)律和研究方法，能進(jìn)行多物體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析，求解多自由度系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并具備從身邊的力學(xué)問(wèn)題中，建立初步的力學(xué)模型進(jìn)行定性分析和研究的能力。通過(guò)材料力學(xué)的教學(xué)，使學(xué)生掌握構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的計(jì)算方法，掌握材料力學(xué)的基本概念和理論，能夠求解變形體在受力后的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問(wèn)題。

工程力學(xué)課程涉及的專業(yè)面廣，學(xué)生人數(shù)眾多，為工科學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程起承上啟下的橋梁作用，并且其理論在工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它既具有廣泛的通用性和較強(qiáng)的理論性，又具有鮮明的實(shí)踐性和工程性［1］，同時(shí)又具有伴隨科技和學(xué)科發(fā)展的更新和創(chuàng)新性。這就要求工程力學(xué)教學(xué)要適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的需要，從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)三方面，思考和重視教學(xué)設(shè)計(jì)與規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)以知識(shí)為載體，以教學(xué)為平臺(tái)，以科學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)為手段，達(dá)到學(xué)生既能扎實(shí)掌握工程力學(xué)的理論體系，又能分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題，并主動(dòng)運(yùn)用創(chuàng)新思維及方法，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用和創(chuàng)新的目的，從而培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

二、教學(xué)中的實(shí)踐能力培養(yǎng)探索

(一)理論中滲透工程實(shí)踐的課堂教學(xué)

工程力學(xué)的理論知識(shí)比較抽象，而學(xué)生又缺少對(duì)工程實(shí)際的認(rèn)識(shí)，所以在課堂教學(xué)中教師應(yīng)注意教學(xué)的直觀性，充分利用實(shí)物、多媒體等手段，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，從而加深對(duì)理論的理解。在課堂教學(xué)中，講解課程基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，引入大量的工程實(shí)例以及生活中的力學(xué)問(wèn)題，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)其工程分析能力，使學(xué)生掌握基本的工程計(jì)算方法。同時(shí)，注重多媒體課件的設(shè)計(jì)，在課件中插入大量的工程圖片、例題和動(dòng)畫(huà)，以及各種力學(xué)分析CAE軟件。如此，通過(guò)增加每堂課的信息量，來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生的課堂積極性，拓展學(xué)生視野，使其在加深教學(xué)內(nèi)容理解的同時(shí)，了解基本理論在工程實(shí)際中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋和解決問(wèn)題的習(xí)慣，鍛煉他們的力學(xué)思維能力。

例如，在理論力學(xué)教學(xué)中，就具體的工程案例，進(jìn)行理論推導(dǎo)求解之后，可以利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立相應(yīng)的可視化力學(xué)模型，并快速求解和顯示動(dòng)力學(xué)參數(shù)。如圖1，為講解桁架結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)的一個(gè)例子，講授用節(jié)點(diǎn)法和截面法求解桁架中各桿的受力情況。在ADAMS中建立一個(gè)典型桁架的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，運(yùn)行仿真之后，在后處理窗口可以很直觀方便地查看每個(gè)桿的受力情況，再同理論推導(dǎo)結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證理論推導(dǎo)結(jié)果的正確性。同樣在材料力學(xué)教學(xué)中，講解物體受力變形，可以利用有限元仿真軟件ANSYS，建立三維有限元模型，直觀顯示物體在不同的受力及約束條件下，不同位置的變形、應(yīng)力、應(yīng)變情況。如，在推導(dǎo)應(yīng)力公式時(shí)，通過(guò)演示經(jīng)過(guò)映射網(wǎng)格劃分后的桿、梁的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)變形動(dòng)畫(huà)，學(xué)生可以清楚地看到相鄰截面間的變形情況。利用軟件的三維可視性，可以激發(fā)學(xué)生的興趣，加深對(duì)理論知識(shí)的掌握和理解。

圖1 桁架結(jié)構(gòu)的ADAMS力學(xué)仿真Fig.1 Dynam ic sim ulation of truss in ADAMS

在理論教學(xué)中穿插工程實(shí)踐的求解案例，不僅有助于學(xué)生對(duì)力學(xué)理論的掌握，而且可以幫助學(xué)生了解工程力學(xué)領(lǐng)域知識(shí)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)和分析軟件的興趣，在活躍課堂氣氛的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)應(yīng)用能力，取得良好的教學(xué)效果。

(二)綜合性課程實(shí)驗(yàn)

在工程力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)方面，設(shè)置基礎(chǔ)的課程實(shí)驗(yàn)和綜合性的課程實(shí)驗(yàn)，將教師所從事的部分科研內(nèi)容節(jié)選下來(lái)輔助該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這樣，學(xué)生既能掌握工程力學(xué)課程基本的實(shí)驗(yàn)方法，又能學(xué)習(xí)實(shí)際應(yīng)用中的其它先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，提高解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

綜合實(shí)驗(yàn)部分的內(nèi)容要體現(xiàn)其綜合性，并非單一性?？梢葬槍?duì)幾個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，綜合多種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)解決問(wèn)題。例如，同時(shí)設(shè)置減速箱齒輪嚙合時(shí)齒根應(yīng)力集中系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)、減速箱輸出軸的動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)、減速箱輸出軸的振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)等。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)均要求學(xué)生在掌握動(dòng)態(tài)電測(cè)、平面光彈等實(shí)驗(yàn)手段的基礎(chǔ)上，以團(tuán)隊(duì)形式，對(duì)一個(gè)具體的工程問(wèn)題，就實(shí)驗(yàn)原理及方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、標(biāo)定，用計(jì)算機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等手段記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)自己編寫(xiě)程序處理數(shù)據(jù)，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。圖2是學(xué)生自己搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，其實(shí)驗(yàn)情況如表1所示［2］。這些實(shí)驗(yàn)可以鍛煉學(xué)生查詢資料、搭建實(shí)驗(yàn)裝置、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)、撰寫(xiě)報(bào)告以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等多種能力。

圖2 學(xué)生自主搭建的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experim ental apparatus built by students

表1 學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況Tab.1 Experimental conditions of students

(三)基于課題的綜合課程設(shè)計(jì)

工程力學(xué)的工程應(yīng)用背景廣泛，很多課題研究都與力學(xué)相關(guān)，為了鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力，可借助相關(guān)課題平臺(tái)，在大課題中提取相關(guān)的小模塊，作為學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)的題目。通過(guò)以解決實(shí)際工程問(wèn)題為背景的課程設(shè)計(jì)，學(xué)生的工程實(shí)踐能力得以鍛煉和提高，以期畢業(yè)后能迅速解決工程實(shí)際問(wèn)題，從而滿足企業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的要求。

例如，在工程力學(xué)課程設(shè)計(jì)中設(shè)置工程計(jì)算模塊，通過(guò)進(jìn)行具體計(jì)算等環(huán)節(jié)的實(shí)踐及訓(xùn)練，讓學(xué)生掌握當(dāng)前國(guó)際上先進(jìn)的有限元計(jì)算方法，在加深理解工程力學(xué)基本理論知識(shí)的同時(shí)，其工程計(jì)算能力也得到鍛煉和提高（見(jiàn)表2）。

表2 工程力學(xué)課程設(shè)計(jì)安排表Fig.2 Course design schedule of engineeringmechanics

三、教學(xué)中的創(chuàng)新能力培養(yǎng)探索

(一)啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)就是通過(guò)在教材的重點(diǎn)、難點(diǎn)、疑點(diǎn)處創(chuàng)設(shè)一種問(wèn)題情境，以引起學(xué)生注意，并作適當(dāng)啟發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)地、獨(dú)立地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題［3］。這樣既增加了學(xué)生的自信心，又激發(fā)了學(xué)生的求知欲，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還可以引導(dǎo)學(xué)生的思維導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生思考、分析問(wèn)題的能力［4］。

在工程力學(xué)教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)方法，可以從教學(xué)內(nèi)容及專業(yè)背景入手，利用講座、圖片、多媒體等多種形式，介紹學(xué)科的最新發(fā)展以及學(xué)科發(fā)展史中一些創(chuàng)新實(shí)例，讓學(xué)生了解相關(guān)知識(shí)應(yīng)用的價(jià)值，并認(rèn)識(shí)到力學(xué)是推動(dòng)科技進(jìn)步的基礎(chǔ)學(xué)科，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。在課堂教學(xué)中，針對(duì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，可以結(jié)合講授工程實(shí)例，提出開(kāi)闊思維的問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生通過(guò)查找資料，提出自己的見(jiàn)解，并給出解決方案。教師通過(guò)組織討論分析，對(duì)學(xué)生的每一種想法要給予引導(dǎo)，并給出建設(shè)性的積極評(píng)價(jià)，從而打開(kāi)學(xué)生的想象空間，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，將灌輸式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)式教學(xué)。

(二)研討課教學(xué)

研討課教學(xué)是讓學(xué)生參與教學(xué)，教學(xué)相長(zhǎng)，師生互動(dòng)，通過(guò)專題研討使學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)和拓展知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力［5］。教師可以針對(duì)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，設(shè)置相應(yīng)學(xué)時(shí)的專題討論課。在討論課上，采用教師引導(dǎo)、學(xué)生主動(dòng)、互動(dòng)交流、方法為主、拓寬視野的教學(xué)模式［6］，教師設(shè)置適當(dāng)?shù)挠懻擃}目，這些題目可以沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，也可以有多種解決方法，讓學(xué)生分組準(zhǔn)備。研討課的題目要與課程內(nèi)容相關(guān)，應(yīng)當(dāng)是學(xué)科前沿及熱點(diǎn)，需要學(xué)生課后查閱文獻(xiàn)，自己提出思路、分析和解答。在研討課上由教師引導(dǎo)，每組學(xué)生選代表主講，通過(guò)板書(shū)、圖片、多媒體、PPT等多種靈活形式展示，并由教師與其他同學(xué)進(jìn)行提問(wèn)、討論，最后教師進(jìn)行總結(jié)和點(diǎn)評(píng)。這種教學(xué)形式改變了傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)，課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)從“以教師為中心”向“以學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)變；在教學(xué)目的上實(shí)現(xiàn)從“以知識(shí)傳授為目的”向“以能力培養(yǎng)為中心”轉(zhuǎn)變；在授課效果上實(shí)現(xiàn)從聽(tīng)課學(xué)習(xí)知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殄憻捥岣哐芯縿?chuàng)新綜合素質(zhì)。研討課不僅是課堂教學(xué)的必要補(bǔ)充，更是實(shí)現(xiàn)師生交流的手段與過(guò)程，是強(qiáng)化教學(xué)效果、發(fā)展學(xué)生個(gè)性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

(三)探索研究型教學(xué)

“教學(xué)”和“科研”是大學(xué)教育的“兩條腿”［7］，兩者的相輔相成和有機(jī)結(jié)合是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要保障，開(kāi)展研究型教學(xué)應(yīng)視為高校教學(xué)活動(dòng)的一部分。學(xué)校要注重師資隊(duì)伍建設(shè)，重視教師的研究型教學(xué)活動(dòng)，要切實(shí)保障教師有時(shí)間、有精力、有資金從事創(chuàng)新和發(fā)明創(chuàng)造，因?yàn)橹挥袆?chuàng)新的教師才能培養(yǎng)創(chuàng)新的人才。

教師需要參與科研，了解、熟悉本學(xué)科的前沿和發(fā)展動(dòng)態(tài)，不斷提高自己的科研能力，以學(xué)科前沿研究帶動(dòng)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新。同時(shí)教師在教學(xué)過(guò)程中要將科研的各種最新成果應(yīng)用于教學(xué)，針對(duì)性地挖掘與科研環(huán)節(jié)相融合的教學(xué)內(nèi)容，充分利用每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，開(kāi)展研究或?qū)嶒?yàn)，將研究型教學(xué)的理念貫穿于教學(xué)過(guò)程，從講授型教學(xué)向研究型教學(xué)過(guò)渡。將科研創(chuàng)新融入大學(xué)課堂，指導(dǎo)學(xué)生緊跟學(xué)科前沿，開(kāi)拓視野，只有這樣，才能培養(yǎng)出富有創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力的人才。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析工程力學(xué)課程教學(xué)的特點(diǎn)，并結(jié)合作者自身的教學(xué)及科研體會(huì)，就如何在工程力學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，在課堂理論教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置以及教學(xué)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了一些思考和探索。旨在增加學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐的感性認(rèn)識(shí)，提高力學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，改進(jìn)工程力學(xué)的教學(xué)效果，促進(jìn)教學(xué)改革，為學(xué)校長(zhǎng)期培養(yǎng)工程應(yīng)用和創(chuàng)新人才教育的目標(biāo)提供有效的途徑。

［1］段潔利，盧玉華，嚴(yán)慕容，等.工程力學(xué)教學(xué)方法的創(chuàng)新探索與實(shí)踐［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2211（7）：56-57，62.

［2］周曉玲，汪中厚，徐名聰.機(jī)械系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的構(gòu)思與實(shí)踐［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2211，33（1）：72-75.

［3］李享榮，張雷.對(duì)理論力學(xué)教學(xué)改革的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2225，27（2）：27-28，63.

［4］黃超，劉德華，武建華，等.提高材料力學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量體會(huì)［J］.高等建筑教育，2211，22（5）：88-91.

［5］閻紹澤，申永勝.研究型大學(xué)機(jī)械類精品課程教學(xué)的六個(gè)基本要素［J］.中國(guó)大學(xué)教育，2229（9）：5-7.

［6］張根保，任艷君，程巖松.機(jī)械工程新生研討課教學(xué)模式探討［J］.高等建筑教育，2212，19（3）：86-92.

［7］仇灝，王尉平，周迎會(huì)，等.高校研究型教學(xué)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)芻議［J］.江蘇教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2211，27（5）：8-12.

A Tentative Discussion on the Development of Practical and Innovative Ability in the Teaching of Engineering Mechanics

Liu Jing， Zhou Xiaoling， Wang Zhonghou
（College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China）

Based on the analysis of the characteristics of engineeringmechanics teaching，reflections on its teaching methodology are presented for the development of practical and innovative abilities.The reflections a involve combining the classroom teaching w ith engineering applications，setting a comprehensive curriculum experiments and developing a comprehensive curriculum design based on project research；using a heuristic method of teaching，seminar teaching and research teaching to improvemechanics engineering application and innovation ability of the students.It can be expected that students’practical and innovative ability aswell as the teaching effect can be improved to some extent.

engineering mechanics；teaching；practice；innovation

G 642.3

A

1229-895X（2213）22-2177-24

2212-23-15

上海市重點(diǎn)課程建設(shè)資助項(xiàng)目；上海市第三期本科教育高地建設(shè)資助項(xiàng)目

劉 靜（1977-），女，講師。研究方向:CAE技術(shù)及應(yīng)用。E-mail：liujingslg@163.com