謝立敏 翁紅林

(福建農(nóng)林大學(xué) 機電工程學(xué)院 機械工程系，福建 福州 350002)

隨著我國社會主義市場經(jīng)濟的繁榮和發(fā)展，新時代的大學(xué)生不僅僅需要熟練地掌握良好的解題方法和先進的計算技術(shù)手段，更需要掌握解決實際工程問題的能力。按照教育部有關(guān)工程教育專業(yè)認證規(guī)定對本科生的畢業(yè)要求，學(xué)生不僅需要掌握書本的知識，更重要的是要能夠運用學(xué)習到的理論知識解決實際的復(fù)雜工程問題。為達此目的，高校教師在授課過程中也需要以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標[1]。

“理論力學(xué)”是高校機械、土木、交通等多個專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程基于工程實際問題，進行理論化總結(jié)歸納，為學(xué)生后續(xù)掌握材料力學(xué)、流體力學(xué)、機械原理、機械設(shè)計等科類基礎(chǔ)課和專業(yè)課奠定必要的基礎(chǔ)。通過本門課程的學(xué)習，使學(xué)生建立科學(xué)的思維方式與正確的世界觀；掌握理論力學(xué)研究的方法，能對實際問題進行分析和求解，為將來能夠針對工程領(lǐng)域的相關(guān)問題進行有效表達與建模，并根據(jù)已知條件和參數(shù)進行分析與計算奠定一定的理論基礎(chǔ)。但是由于“理論力學(xué)”所要學(xué)習的內(nèi)容多、范圍廣，加之在學(xué)習過程中對數(shù)學(xué)知識和計算工具的運用要求比較高，許多學(xué)生存在著畏難情緒，學(xué)習積極性和主動性較低。為了突破目前困境，實現(xiàn)新型人才的培養(yǎng)目標，“理論力學(xué)”課堂教學(xué)模式和內(nèi)容的改革勢在必行。

目前，力學(xué)課程的教學(xué)改革已得到高校的重視[2-5]。劉靜[6]等人對“工程力學(xué)”課程進行了相關(guān)改革，設(shè)計了啟發(fā)式、研討課和研究型相結(jié)合的教學(xué)模式，以實現(xiàn)對學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。郭易圓[7]等人以剛體平面運動為例，提出一種理論與實驗相結(jié)合的探究型教學(xué)模式。徐小麗[8]等人分別從教師和學(xué)生的角度提出了提高“理論力學(xué)”教學(xué)質(zhì)量的一些措施。張速[9]等人將全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽輔導(dǎo)中采用三種邏輯方法應(yīng)用于“理論力學(xué)”課程教學(xué)中，收到良好效果。上述研究從整體的角度討論了力學(xué)課程的教學(xué)改革并提出了許多有效的措施。本文著眼“理論力學(xué)”的首要任務(wù)——力學(xué)建模，以提高學(xué)生力學(xué)建模能力為目的，在教學(xué)過程中采用案例式教學(xué)模式并設(shè)置實踐環(huán)節(jié)，選用不同難度的實踐項目，讓學(xué)生自主地將理論知識應(yīng)用于工程實際問題的探索研究中并最終完成成果匯報。從教學(xué)成果看，所采取的方法不僅能提高學(xué)生的力學(xué)建模能力，更能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

1 “理論力學(xué)”建模的意義和重要性

采用理論力學(xué)知識對工程實際問題進行分析時，首先需要利用力學(xué)知識并結(jié)合工程經(jīng)驗建立起抽象的力學(xué)模型；然后利用相關(guān)的力學(xué)知識對問題進行數(shù)學(xué)演繹、邏輯推演，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，再借助于數(shù)學(xué)工具對其進行分析和計算；最后重新回到實踐中去檢查和驗證理論的正確性，并在更高的理論水平上指導(dǎo)實踐，從而不斷地完善和發(fā)展相關(guān)理論。從整個過程可看出，在力學(xué)課程的教學(xué)過程和工程實際問題的解決過程中，力學(xué)模型是核心[10]。力學(xué)建模是解決問題的第一步，是我們進行力學(xué)分析和計算的重要基礎(chǔ)。它是力學(xué)研究和實際應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。所以，在“理論力學(xué)”課程教學(xué)改革的過程中，首先要做的就是有關(guān)力學(xué)建模的教學(xué)改革。

2 當前“理論力學(xué)”課程教學(xué)中存在的問題

2.1 教材內(nèi)容不合理

目前，普通高等院校的“理論力學(xué)”課程所采用的教材大多數(shù)只注重理論而忽視了實踐。例如在力學(xué)建模部分僅僅說明了某個結(jié)構(gòu)可以被簡化為某種力學(xué)模型，而對于為何能被簡化，如何簡化，在進行簡化時應(yīng)該特別注意哪些問題，往往闡述不夠。后續(xù)的例題或練習題往往跳過力學(xué)建模的步驟，直接給出已被簡化的力學(xué)模型進行求解，對工程實際問題的描述更是少之又少。這從根本上降低了學(xué)生對工程實際問題的認知。

2.2 學(xué)時安排不合理

目前，在本科生教學(xué)中，“理論力學(xué)”課程通常存在學(xué)時少、內(nèi)容多的問題。教學(xué)內(nèi)容包含靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的幾乎所有基本內(nèi)容。教師在授課過程中為了能夠在有限時間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，往往只能按照教材的內(nèi)容直接針對已有的力學(xué)簡圖進行講解。學(xué)生們通常只學(xué)會如何對已給出的力學(xué)模型進行分析、計算，卻缺乏獨立對工程實際問題進行力學(xué)建模的能力。

2.3 學(xué)生認知不同步

作為工科類基礎(chǔ)課，“理論力學(xué)”通常被安排在大二的上學(xué)期，此時學(xué)生還未進行認知實習，也未開始相關(guān)的專業(yè)課程設(shè)計。由于對工程實踐沒有充分的了解和認知，學(xué)生無法對工程中的真實機構(gòu)進行平面和空間之間的相互轉(zhuǎn)換。

2.4 考核方式單一

考試是最有效的檢驗學(xué)生學(xué)習效果的手段。目前“理論力學(xué)”課程的考核主要為單一的閉卷考試，且考試題目基本為計算題，考試內(nèi)容主要為理論知識的運用。學(xué)生只要機械地套用公式求解題目即可，缺少對學(xué)生力學(xué)建模能力和解決工程實際問題能力的考核。這樣的考核方式是片面的，不符合社會對人才的要求，不能達成培養(yǎng)目標。

因此，如果教師不對現(xiàn)有的教學(xué)方式進行改進，不加強學(xué)生在力學(xué)建模方面的能力培養(yǎng)，必然會直接導(dǎo)致一部分學(xué)生無法理解力學(xué)的基本概念和方法，從而有礙于后續(xù)知識的學(xué)習。

3 “理論力學(xué)”建模的教學(xué)實踐設(shè)計

3.1 注重課堂教學(xué)中的案例教學(xué)

在“理論力學(xué)”課堂教學(xué)時，教師在有限的學(xué)時中盡量多安排一些學(xué)時放在力學(xué)建模問題的講解上。所謂“磨刀不誤砍柴工”，只有把基礎(chǔ)打牢了才能更好地進行后續(xù)學(xué)習。同時，引入案例教學(xué)，教師應(yīng)該充分利用學(xué)生所熟悉的一些工程或生活中的例子進行講解。例如，教師在講授約束類型這個知識點時，可以直接以教室里的門或窗為例，直觀地解釋什么是鉸鏈約束、鉸鏈約束的特點是什么。然后再回到課本，指導(dǎo)學(xué)生如何用力學(xué)簡圖表示鉸鏈約束。而對于一些無法在教室中獲得的例子，可以充分運用多媒體軟件平臺，通過視頻或圖片的形式使學(xué)生們得到充分的視覺感受，獲得更直觀的理解。這樣把生活中的約束實例與理論模型聯(lián)系起來，既便于學(xué)生的理解和接受，同時也調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習興趣和積極性，有助于促進學(xué)生“消化”和“吸收”，加深記憶和理解。

3.2 課后設(shè)置力學(xué)建模實踐項目

大學(xué)生普遍缺乏實踐經(jīng)驗，僅憑課堂上的講解無法直接和深刻地對現(xiàn)實情況進行分析和判斷。在課后，教師針對教學(xué)進展的不同階段和培養(yǎng)目的，設(shè)計了兩種漸進難度的力學(xué)建模實踐項目，并對學(xué)生完成情況進行評分。這兩項實踐項目的成績作為學(xué)生平時成績的一部分。兩個力學(xué)建模實踐項目的具體要求和內(nèi)容如下：

(1)初級階段。

在學(xué)習初期，為了讓學(xué)生能夠?qū)⒄n堂上學(xué)到的力學(xué)建模方法運用到實際問題的建模中，掌握基本力學(xué)建模方法，并具有對簡單模型進行分析的能力，教師在靜力學(xué)部分的力學(xué)建模和受力圖的知識點講授完成后，要求學(xué)生完成一份簡單的靜力學(xué)建模練習。具體要求為：觀察并思考身邊的力學(xué)問題，以實際產(chǎn)品或生活、學(xué)習用品為研究對象，提煉、抽象出該對象的靜力學(xué)簡化模型，畫出力學(xué)模型的簡圖，并對力學(xué)模型進行受力分析，畫出受力圖。

在初級階段，所選取的研究對象比較簡單，并且只需畫出力學(xué)簡圖和受力圖，并未要求學(xué)生對約束力進行求解計算。顯然這樣的要求太低，未達到“理論力學(xué)”課程對學(xué)生的畢業(yè)要求。因此，在學(xué)期末，又設(shè)置了一個進階階段的教學(xué)實踐項目。

(2)進階階段。

在學(xué)習末期，為了培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神、團隊領(lǐng)導(dǎo)與溝通能力，使學(xué)生能夠在工程(生活)實踐中綜合運用力學(xué)的基本原理，通過建立的力學(xué)模型與數(shù)學(xué)模型對簡單的工程問題中的各種力學(xué)參數(shù)及計算結(jié)果進行辨識和判斷。教師在期末按照自愿原則將學(xué)生分成3—4人為一組的研究小組，要求學(xué)生完成一份綜合性研究報告。具體要求為：從身邊的生活或工程實際問題中選擇一個具有復(fù)雜力學(xué)問題的物體作為研究對象，建立力學(xué)模型，畫出力學(xué)簡圖，進行受力分析；然后進行運動學(xué)、動力學(xué)分析并計算；最后對計算結(jié)果進行總結(jié)，得出結(jié)論，完成項目研究報告。完成時間為3周左右。

4 教學(xué)實踐的成果分析

本次教學(xué)改革實踐以機電工程學(xué)院2019級機械專業(yè)3、4班和2019級農(nóng)業(yè)機械專業(yè)1班共82名學(xué)生為教學(xué)對象進行試點。經(jīng)過教學(xué)改革試點，取得了良好的教學(xué)成效。下面對各階段教學(xué)成果進行展示分析。

4.1 課堂教學(xué)成果分析

在課堂教學(xué)過程中，教師改變了傳統(tǒng)的只重視理論的教學(xué)方式，采用案例式教學(xué)，從案例出發(fā)將枯燥難懂的力學(xué)知識與實際相結(jié)合，加深了學(xué)生對力學(xué)理論知識的理解，拓展了思路，取得了較好的效果。一是課堂出勤率顯著提高。出勤率往往能反映學(xué)生對課程的興趣程度。學(xué)生每節(jié)課都利用學(xué)習通平臺進行簽到，出勤率均在95%以上。二是學(xué)生上課的積極性提高。學(xué)生對視頻和圖片的興趣比較大，課堂上教師充分利用多媒體工具，一方面能夠更加直觀地讓學(xué)生理解力學(xué)知識，另一方面也吸引了學(xué)生的注意力。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生上課的注意力有很大提高，能夠積極主動地參與到案例的討論中。三是期末卷面平均成績提高。由于出勤率提高，上課積極性提高，學(xué)生學(xué)習更加認真主動，因此學(xué)生在期末考試時能取得較好的成績。相較于非教學(xué)試點班，教學(xué)試點班的學(xué)生期末卷面平均成績高出7.8分。

4.2 力學(xué)建模實踐項目的成果分析

4.2.1 初級階段的成果分析

成果：在82名學(xué)生提交的報告中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生選擇的研究對象為身邊觸手可及的物品，比如掛著的物品(見圖1、圖2)、靠在杯子里的勺子(見圖3)、臺燈(見圖4)、門或柜子的合頁(見圖5、圖6)等。學(xué)生能夠?qū)λx擇的研究對象進行力學(xué)建模和約束類型分析，畫出受力圖。

圖1 掛著的小包

教師從受力分析過程、建模結(jié)果的準確度和書寫格式等角度對學(xué)生提交的報告進行評分。統(tǒng)計結(jié)果為：得分為90分以上的學(xué)生有22人，占總?cè)藬?shù)的26.8%；得分為80-90分的學(xué)生有47人，占總?cè)藬?shù)的57.3%；得分為70—80分的學(xué)生有13人，占總?cè)藬?shù)的15.9%；得分為60—70分的學(xué)生有0人；不及格0人。

分析：從學(xué)生完成力學(xué)建模初級階段的報告及成績可看出，大多數(shù)學(xué)生能夠在生活中留心觀察并抽象出力學(xué)模型，對其進行受力分析。說明大多數(shù)學(xué)生掌握了簡單的力學(xué)建模方法，能夠進行簡單的力學(xué)分析。

4.2.2 進階階段的成果和分析

成果：教學(xué)班共82人，按照3—4人自由組合的方式分成26組，每組提交一份大項目研究報告。在提交的26份大項目報告中，學(xué)生們的選題各不相同，例如：“雨傘結(jié)構(gòu)分析”“階梯教室課桌椅力學(xué)分析”“抽水馬桶工作原理”“自動拖把的脫水機構(gòu)的力學(xué)分析”“電動牙刷的力學(xué)分析”“便攜式折疊椅力學(xué)分析”“電腦支架靜力學(xué)分析”……選題都具有一定的研究意義，且研究對象均為生活中的常見物品，這意味著學(xué)生能夠通過觀察和測量獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析和計算。

教師從選題、分析過程、計算過程、結(jié)論、書寫格式等方面對學(xué)生提交的報告進行評分。統(tǒng)計結(jié)果表明：得分為90分以上5組，占總組數(shù)的19.2%；得分為80—90分有11組，占總組數(shù)的42.3%；得分為70—80分有8組，占總組數(shù)的30.8%；得分為60—70分有2組，占總組數(shù)的7.7%；不及格0組。

分析：從整個實踐項目的實施過程看出，學(xué)生對這種項目模式的學(xué)習任務(wù)不僅不抵觸，反而表現(xiàn)出極大的熱情和積極性，具有強烈的探索欲望。這是因為教師給了學(xué)生充分的自主權(quán)，從選題開始就讓學(xué)生自己去探索，教師僅給予適當?shù)闹笇?dǎo)和鼓勵，學(xué)生在整個實踐過程中自然而然地便將理論力學(xué)中學(xué)到的理論知識應(yīng)用到實際問題的分析和求解過程中，實現(xiàn)了理論聯(lián)系實際。學(xué)生們也反映，通過實踐活動大家覺得“理論力學(xué)原來并不只是理論”“生活中處處都有力學(xué)”。雖然報告中大多存在著不完善的地方，但這并不重要，因為考查的不是學(xué)生數(shù)值計算的正確率，而是考查他們運用理論力學(xué)的知識分析、解決實際問題的能力，以及團隊合作能力，而這些能力正是未來工程及其他領(lǐng)域?qū)θ瞬诺哪芰σ?。從學(xué)生完成大項目報告的情況可看出，大多數(shù)學(xué)生能夠綜合運用力學(xué)基本原理，通過建立力學(xué)模型與數(shù)學(xué)模型對簡單工程問題中的力學(xué)參數(shù)及計算結(jié)果進行識別、判斷。

5 結(jié)語

以往高?！袄碚摿W(xué)”課程教學(xué)通常只注重課本知識的傳授，而課本中的內(nèi)容大多基于已有的力學(xué)模型進行分析計算，側(cè)重于解題計算能力的培養(yǎng)。長此以往，將導(dǎo)致學(xué)生脫離課堂后無法對實際問題進行分析，即缺乏將實際生活或工程中的模型提煉、抽象出力學(xué)模型再進行分析求解的能力。簡單來講，就是沒有做到理論聯(lián)系實際，只注重理論學(xué)習而忽視了實踐感知與運用。本著培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)的大學(xué)生的宗旨，我們在教學(xué)過程中，改進教學(xué)方法，增加力學(xué)建模和分析能力培養(yǎng)模塊。通過改變課堂教學(xué)方法，引入案例教學(xué)，并在課后設(shè)計力學(xué)建模實踐項目，使學(xué)生能夠運用力學(xué)知識建立力學(xué)模型，并解決工程實際中的復(fù)雜問題。整個教學(xué)實踐的實施過程及結(jié)果表明，通過“理論+實踐+理論”的教學(xué)實踐活動全過程，拉近了學(xué)生學(xué)習書本理論知識與解決工程應(yīng)用實際問題的距離，開闊了學(xué)生視野，培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)工程技術(shù)應(yīng)用的意識和能力。另外，實踐活動還培養(yǎng)了學(xué)生的團隊協(xié)作能力和自主動手能力，增進了師生間的交流，為“立德樹人”營造了良好的氛圍。