富榮昌

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

工程力學課是工科專業(yè)中很重要的專業(yè)基礎課，對培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力和其他后續(xù)專業(yè)課程的教學都具有重要意義。在理工科學科的知識架構中，力學課處于連接基礎知識和專業(yè)知識的重要一環(huán)，為解決工程問題提供理論基礎和方法。力學課在長期的教學過程中形成的“以教師為中心”的傳統(tǒng)教學模式嚴重制約著學生綜合能力的培養(yǎng)，隨著信息技術快速的發(fā)展，新的教學模式如雨后春筍般涌現(xiàn)，如“翻轉(zhuǎn)課堂”“線上教學模式”“線上線下混合教學模式”等等，極大地補充和完善了傳統(tǒng)教學方式，為學生綜合能力的提高提供了新的途徑。但這些新的教學方式主要是依靠學生的自覺性，自主完成基礎力學知識的學習，教師起著啟發(fā)和引導的作用，如教學過程中管理不到位，沒有激起學生的學習興趣，教學效果將會打一定的折扣，影響學生的創(chuàng)新能力及綜合能力的培養(yǎng)。目前力學課的教學過程中普遍存在的問題是學生求解書本上力學題目的能力比較強，但解決工程實際問題的能力有待提高，特別是本科生在進行畢業(yè)設計及從事創(chuàng)新實驗等設計研究工作時，這個問題尤其凸顯出來。如何提高學生學習的自主性以及對力學課程的興趣，提升學生解決工程實際問題的綜合能力及創(chuàng)新能力是值得探討的一個主題。而全國周培源大學生力學競賽試題具有創(chuàng)新性、靈活性和趣味性，并且試題都是從工程實際中凝練出來的，特別是全國周培源大學生力學競賽“理論設計與操作”團體賽和“基礎力學實驗”團體賽更是以現(xiàn)場設計測試給出的結果為考核目標，這對大學生的創(chuàng)新性思維能力、綜合分析能力提出了很大的挑戰(zhàn)。所以以周培源大學生力學競賽促進工程力學課程教學方式改革，為提高大學生對力學課學習興趣、培養(yǎng)其創(chuàng)新能力及綜合能力提供了一個契機。以競賽為載體改革工程力學課程教學方式，能把基本內(nèi)容講透徹，使學生熟練地掌握并靈活應用；以競賽為導向設計綜合性的實驗，能培養(yǎng)學生的綜合能力。本文著眼點就是以全國周培源大學生力學競賽為載體結合金課建設改革工程力學課程教學方式，設計綜合性實驗，并把新理念、成果、新應用融入課程內(nèi)容中，提升大學生綜合能力。

1 周培源力學競賽及其對工程力學課教學的影響

全國周培源大學生力學競賽為教育部委托主辦的大學生科技活動，目的在于培養(yǎng)人才、服務教學、促進高等學校力學基礎課程的改革與建設。其有助于高等學校實施素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學生動手能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作精神；有助于增進大學生學習力學的興趣，吸引、鼓勵廣大青年學生踴躍參加課外科技活動；有助于發(fā)現(xiàn)和選拔力學創(chuàng)新的后繼人才。全國周培源大學生力學競賽以個人賽和團體賽相結合。個人賽體現(xiàn)學生對力學知識的掌握程度與思考深度；團體賽注重體現(xiàn)學生應用與實踐能力、動手操作能力以及力學知識運用能力。通過基礎知識鞏固與應用力學解決實際問題，使學生對力學的本質(zhì)有深刻認識，并且在新時代科學技術下，把力學進一步應用到與其他學科結合的工程中，讓力學學科繼續(xù)保持旺盛的活力與學科拓展、應用能力，為國民生活生產(chǎn)提供理論與應用基礎知識。

我校非常重視周培源大學生力學競賽并在歷屆周培源大學生力學競賽中都取得了比較好的成績，在全校的普及面廣，有機械工程學院、建筑工程學院、電氣工程學院、地礦學院和物理學院的學生參加，參賽學生多，在歷屆周培源力學競賽中獲獎人數(shù)在全區(qū)處于領先地位。以2019年第十二屆全國周培源力學競賽為例，新疆大學共有652名同學參加比賽，其中共有91名同學獲得獎項，其中全國三等獎（自治區(qū)一等獎）10名，全國優(yōu)秀獎（自治區(qū)二等獎）29名，自治區(qū)三等獎30名，自治區(qū)優(yōu)秀獎22名，我校獲獎人數(shù)居新疆高校之首。新疆大學代表新疆參加了第十二屆全國周培源大學生力學競賽“理論設計與操作”和“基礎力學實驗”團體賽，并取得優(yōu)秀獎，圖1為第十二屆全國周培源大學生力學競賽新疆賽區(qū)各高校獲獎人數(shù)統(tǒng)計圖。

圖1 第十二屆全國周培源大學生力學競賽新疆賽區(qū)各高校獲獎人數(shù)統(tǒng)計圖

全國周培源力學競賽極大地從促進了我校力學課的教學改革，提高了學生對力學課的學習興趣，但與全國其他“雙一流”高校相比，新疆大學的成績還很不理想，到目前為止還沒有取得過全國二等獎。以全國周培源大學生力學競賽為契機，加大工程力學教學方式的改革力度，使工程力學課力學基礎理論的教學與全國周培源力學競賽有機結合，以學生綜合能力的培養(yǎng)為主體，推動教學質(zhì)量和學生綜合素質(zhì)提高，在今后的周培源大學生力學競賽中確保新疆大學獲獎人數(shù)在新疆處于領先地位，并爭取獲得全國二等獎，以期達到以賽促教，以賽促學，以賽促改的目標，培養(yǎng)具有扎實力學基礎知識的創(chuàng)新實踐人才。

2 力學競賽促進工程力學教學方式的改革

周培源大學生力學競賽除考核學生對力學基礎知識的掌握程度外，更著重考查學生的思維能力。分析問題能力以及解決復雜的工程實際問題的能力。筆者對歷屆周培源大學生力學競賽的真題進行了分析、歸納和總結，凝練出考核的點，即力學基礎知識靈活應用能力、建立力學模型的能力、抓大放小及復雜問題簡單化的科學思維方式和綜合實踐能力。這些考核點是創(chuàng)新性人才應具備的能力，周培源大學生力學競賽的考核點如何與工程力學教學內(nèi)容和課堂教學有機地融入促進工程力學教學改革從而提高大學生的創(chuàng)新實踐能力是筆者所關注的，筆者認為這個問題的關鍵點是教學設計，要充分利用好每次課堂教學的90 min，精心設計教學內(nèi)容及實施方案，在工程力學課程的教學過程中以每次講授的教學內(nèi)容為切入點確定本次教學的知識目標、能力目標和育人目標，凝練出本次教學的重點和難點并精心設計教學的實施過程，明確學生課前完成的預習任務、課中進行的教學內(nèi)容以及課后復習任務，各個部分環(huán)環(huán)相扣促進教學水平的提高，這也極大地緩解了課堂教學的壓力，使老師在上課講授知識時也拓展講解思維方式以及育人方面的知識，激起學生的學習熱情，達到通過傳輸知識培養(yǎng)能力及育人的目的。

2.1 夯實力學基礎知識

工程力學課概念公式多，內(nèi)容抽象并要具備比較扎實的數(shù)學和物理基礎，因此對學生的學習產(chǎn)生了一定的困難，而扎實的力學基礎知識是取得周培源大學生力學競賽好成績的基本點，以賽促教，以賽促學，在工程力學教學中夯實力學基礎知識。工程力學課“形散而神不散”有很強的邏輯性，因此老師要好好打磨工程力學知識體系的邏輯關系，凝練好每一部分的難點和重點。工程力學靜力學部分主要解決的是受力分析、力系簡化和平衡條件，難點是約束及約束反力，如何突破難點，筆者認為以確定約束反力方向的準則，即約束反力與約束所能阻礙的運動方向相反為切入點，對常見的約束展開深入的分析并達到舉一反三的效果，使學生不僅熟練掌握常見約束反力的畫法，還具備分析新的約束反力的能力。對常用力系的平衡方程強調(diào)牢固記住并能熟練地使用。對材料力學的基本變形部分要梳理知識脈絡，建立由表及里、層層遞進的思維過程，建立由表面變形到內(nèi)部變形再到應力分布規(guī)律進而求出應力計算公式。要強調(diào)由桿的表面變形特點推理內(nèi)部變形規(guī)律時以平面假設為依據(jù)，由應變分布推出應力分布以物理方程為依據(jù)，所以在材料力學中平面假定及物理方程是推理過程的關鍵點。對內(nèi)力圖、應力計算公式和變形計算公式要求學生熟練掌握并達到熟能生巧的地步。應力狀態(tài)部分，對一點應力狀態(tài)的概念要深刻地理解，這是掌握這部分知識的金鑰匙，要求學生熟練掌握主應力及主方向，主應變及主方向以及四個強度理論的內(nèi)涵及計算公式，對組合變形主要要求學生掌握拆解組合變形為基本變形，由基本變形得出應力再疊加的計算步驟。對壓桿穩(wěn)定要求學生熟練地掌握臨界應力總圖。筆者在工程力學教學過程中講授完每一章節(jié)都會總結出應掌握的知識點并發(fā)給學生要求學生記憶，課程結束后要求學生在30 min中以內(nèi)復述出整個工程力學課的知識點，經(jīng)過反復地打磨知識點加深了學生對工程力學課內(nèi)容的理解和記憶，為解決復雜的工程實際問題打下了力學基礎。

2.2 培養(yǎng)力學建模能力

目前在工程力學教學過程中注重傳授知識的同時強調(diào)課后習題的求解方法，這是傳統(tǒng)教學方式的特點，而用力學的知識解決工程實際問題的關鍵是針對要解決的問題抓住主要因素，忽略次要因素并建立力學模型。周培源力學競賽中在這方面考核的力度也很大，如2006第六屆周培源全國大學生力學競賽題一“奇怪的獨木橋”，要解決該問題必須先建立獨木橋的力學模型，簡化后的力學模型為外伸梁，是個材料力學的彎曲問題，故建立獨木橋力學模型是解決過橋問題的關鍵。又如2015第十屆全國周培源大學生力學競賽試題中第3題，關于傳輸裝置力學問題的題目，首先要針對該問題的約束情況及幾何特征把傳輸裝置簡化為懸臂梁，再根據(jù)受力情況把載荷簡化為垂直方向和水平方向的均布載荷，建成傳輸裝置的力學模型。正確的建立力學模型是解決工程實際問題的關鍵，因此由力學競賽的考核點映射到工程力學的教學過程中，如何通過改革現(xiàn)行的工程力學教學方法培養(yǎng)大學生力學建模能力，這是作為力學工作者應該深思的問題。筆者通過雨課堂與工程力學課的深度融合，對每次課講授的內(nèi)容進行高度的凝練，通過雨課堂課前讓學生完成本次講授內(nèi)容的基本部分的學習，課后由雨課堂的重復功能提升及鞏固所學內(nèi)容，這樣緩解了教師上課時講授的壓力，拓展了講課的內(nèi)容，以點帶面的講解建立力學模型的思想，并把科研成果融入教學中。血流動力學是筆者的研究方向之一，在研究血流動力學問題時，需要對血管建立力學模型，最初血管的剛體模型到彈性體模型到黏彈性體模型再到多孔介質(zhì)模型，通過講解血管模型的演繹過程強調(diào)建立力學模型的思維方式，要以需解決的研究問題為目標，對研究問題起主要作用的因素要保留，不起主要作用的因素要忽略，在此基礎上進一步闡述如何判斷對研究問題而言哪些因素是主要的，哪些因素是次要的，通過每節(jié)課點點滴滴的拓展講解，使學生對力學模型的建立過程有了深刻的理解。

2.3 培養(yǎng)學生的科學思維方式及解決復雜工程實際問題的能力

科學的思維方式是解決工程實際問題的核心點，在周培源全國大學生力學競賽中也體現(xiàn)出來了，如2007第六屆全國周培源大學生力學競賽試題二“驕傲自滿的大力士”，首先對半個球門進行受力分析確定危險截面和危險點，然后用第三強度理論對危險點進行強度校核，在求極值時就要考核學生的抓大放小的科學思維方式，即當一個很大的數(shù)與一個很小的數(shù)相加時，很小的數(shù)可以忽略不計，如平時沒有建立抓大放小的思維方式，那么此題就無法進行下去。因此在平時的教學過程中要通過知識的講解強化思維方式的培養(yǎng)，材料力學中的小變形假設以及平面彎曲正應力的計算公式僅僅對細長梁成立，這些知識點就很好地體現(xiàn)了這一點，所以在講這些知識點時要延拓講課的內(nèi)容，融入周培源大學生力學競賽的內(nèi)容從而舉一反三，傳輸力學知識的過程中培養(yǎng)學生的科學思維方式，使知識傳輸與能力培養(yǎng)有機統(tǒng)一。

在周培源力學競賽中也體現(xiàn)了復雜問題簡單化的思想，這是解決復雜的工程實際問題行之有效的途徑。如2013第九屆全國周培源大學生力學競賽第4題“吊車設備”試題，該題首先根據(jù)題意可確定吊環(huán)的位置，用任何載荷都可表示為對稱載荷和反對稱載荷之和的知識點把作用在結構的載荷進行分解，再用結構對稱載荷對稱時截面上的反對稱內(nèi)力等于零，而結構對稱載荷反對稱時對稱截面上的對稱內(nèi)力等于零的知識點把結構進行分解，最后用材料力學的基本知識進行求解。這個題目充分地體現(xiàn)了復雜問題簡單化的思想，這種能力基于扎實的力學基本知識，特別是要具備一定的結構力學方面的知識，在工程力學教學過程中如何培養(yǎng)學生復雜問題簡單化的思想，這是應該關注的問題。筆者認為在超靜定梁的求解過程中培養(yǎng)這種思想是恰當?shù)模o定梁求解的關鍵是針對超靜定梁的約束建立變形協(xié)調(diào)方程，解除的多余約束不同，對應的靜定基及變形協(xié)調(diào)方程也不同，即可把阻礙轉(zhuǎn)動的約束作為多余約束，也可把阻礙移動的約束作為多余約束，有很多種選擇，講解各種可能性，找出最佳解決方法，培養(yǎng)學生復雜問題簡單化的思想，提高學生解決復雜工程實際問題的能力。

2.4 培養(yǎng)學生的綜合實踐能力

實踐教學是工程力學中很重要的教學環(huán)節(jié)，目前開設的工程力學基礎實驗為拉、壓、彎、扭及彈性模量測定實驗，綜合性實驗為彎扭組合、壓桿穩(wěn)定和沖擊實驗。目前所開設的工程力學實驗的特點為老師已設計好試驗步驟，學生只是按部就班地完成試驗，這限制了學生的實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而周培源力學競賽更注重針對研究問題設計試驗，以問題為導向，最終達到解決工程實際問題的目的，如1992年第二屆全國青年力學競賽第十題、2013第九屆全國周培源大學生力學競賽第4題以及歷屆周培源大學生力學競賽“基礎實驗力學”團體賽。因此在工程力學實踐教學過程中更應該培養(yǎng)學生的設計試驗能力及解決工程實際問題的能力。筆者認為在工程力學的教學過程中通過大作業(yè)的形式培養(yǎng)學生這方面的能力是行之有效的，教師精細準備4~5個綜合性實驗題目，學生自由組合下把全班學生分成4~5組，并在保證安全的前提下開放力學實驗室讓學生利用課后時間去實踐和摸索，再利用雨課堂的功能使教師與學生充分的交流和討論，并以答辯的形式評定成績并計入工程力學的平時成績中，從而達到提高學生綜合實踐能力的目的。

3 結語

周培源大學生力學競賽為教育部高等學校力學基礎課程教學指導委員會、中國力學學會及周培源基金會聯(lián)合舉辦的課程競賽，旨在培養(yǎng)人才、服務教學、促進高等學校力學基礎課程的改革與建設，筆者在對歷屆全國周培源大學生力學競賽試題進行分析和總結的基礎上凝練出了試題中的一些特點，即力學基礎知識靈活應用能力、建立力學模型能力、抓大放小及復雜問題簡單化的科學思維方式和綜合實踐能力等，針對這些特點提出了工程力學教學方式改革思路，達到了良好的教學目的。