郭寧 徐超 王樂

摘? ? 要 ：文章針對新工科背景下航空航天卓越工程師培養(yǎng)的需求，分析了“飛行器結(jié)構(gòu)力學”課程在教學過程中的不足，提出了教學改革目標，并結(jié)合教學實踐，開展引入概念結(jié)構(gòu)力學知識、融入工程背景和典型案例分析、借助有限元仿真技術(shù)以及增加實驗實踐教學等具體的教學改革，從優(yōu)化教學內(nèi)容和構(gòu)建實踐平臺等方面提出了進一步改革的構(gòu)想。力求讓學生在掌握結(jié)構(gòu)力學基本概念的同時，不斷了解新知識，鍛煉工程能力，從而培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：飛行器結(jié)構(gòu)力學;航空航天;新工科;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2021）10-0012-04

為了應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，推動工程教育改革創(chuàng)新，教育部先后開展了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”、“新工科”建設(shè)、“雙一流”建設(shè)等教育改革規(guī)劃[1-3]，旨在培養(yǎng)造就一大批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力和高素質(zhì)的交叉復(fù)合型科技人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)[4-5]。2019年1月9日，西北工業(yè)大學為了深入貫徹落實全國教育大會、全國高校思想政治工作會議和全國高等學校本科教育工作會議精神，進一步落實立德樹人根本任務(wù)，牢固樹立人才培養(yǎng)的核心地位，全面深化教育教學改革，推動學校“雙一流”建設(shè)，召開了人才培養(yǎng)大討論動員大會，明確了堅持“以學生為根、以育人為本、以學者為要、以學術(shù)為魂、以責任為重”的辦學理念，以培養(yǎng)具有家國情懷，追求卓越、引領(lǐng)未來的領(lǐng)軍人才為目標，全面開展人才培養(yǎng)模式改革[6-7]。

人才培養(yǎng)模式改革的基礎(chǔ)是課程改革?！帮w行器結(jié)構(gòu)力學”課程是西北工業(yè)大學航空航天大類高年級本科生的一門必修專業(yè)核心課程。在航空航天大類的培養(yǎng)方案中，“飛行器結(jié)構(gòu)力學”具有舉足輕重的地位，是聯(lián)系基礎(chǔ)力學課程（理論力學和材料力學等）與工程設(shè)計課程（飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計等）的橋梁，是從力學基本理論過渡到工程實際應(yīng)用的重要支撐[8-9]。在國內(nèi)外航空航天工程學科本科階段培養(yǎng)體系中，“飛行器結(jié)構(gòu)力學”均視為最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。

一、新工科背景下的飛行器結(jié)構(gòu)力學課程教學改革的必要性

西北工業(yè)大學所沿用的飛行器結(jié)構(gòu)力學教學體系基本來自前蘇聯(lián)，特別強調(diào)結(jié)構(gòu)的定量計算和求解技巧，在計算機仿真技術(shù)尚不發(fā)達的情況下，對提高學生解決實際問題的能力具有重要的意義。然而，隨著計算機技術(shù)和有限元分析技術(shù)的迅猛發(fā)展，工程實際中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定量分析都要借助專用有限元分析軟件進行，并且已經(jīng)逐步寫入行業(yè)設(shè)計規(guī)范中。在這樣的背景下，一方面，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學課程所突出的適合手算或者簡單計算器計算的定量分析方法在當前工程應(yīng)用中有明顯的不足，掌握這些定量分析和求解技巧與實際工程應(yīng)用就顯得有所脫節(jié)。另一方面，大型商業(yè)軟件的應(yīng)用具有黑箱化和傻瓜化的特點，這就要求使用者必須具備判斷軟件分析結(jié)果的能力。換言之，培養(yǎng)學生掌握牢固的力學概念，能夠?qū)⒘W概念與實際工程進行緊密聯(lián)系并有效融合，進而在概念分析基礎(chǔ)上進行合理的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，這成為當下和未來飛行器設(shè)計工程師培養(yǎng)的主要目標，也符合卓越工程師和新工科教育培養(yǎng)計劃中強化培養(yǎng)學生工程能力和創(chuàng)新能力的具體要求。因此，如何應(yīng)對新工科背景下航空航天卓越工程師人才培養(yǎng)的需求，針對“飛行器結(jié)構(gòu)力學”課程教學中的不足進行適應(yīng)性改革，是目前構(gòu)建西北工業(yè)大學航空航天大類培養(yǎng)體系中亟待解決的問題。

二、新工科背景下“飛行器結(jié)構(gòu)力學”課程教學改革目標

立足當前新工科人才培養(yǎng)需求，改變以往教師供給主導(dǎo)的教學模式和“重知識，輕能力;重理論，輕實踐”的教學理念，以提高學生自我認知和技能為目標，開展“飛行器結(jié)構(gòu)力學”教學改革。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學課程中計算能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)之上，突出結(jié)構(gòu)概念、定性分析與工程思維能力的培養(yǎng)，同時探索與培養(yǎng)目標相適應(yīng)的教學方式，從而形成集知識性、趣味性、工程性和思維性于一體的“飛行器結(jié)構(gòu)力學”創(chuàng)新性教學模式。

三、“飛行器結(jié)構(gòu)力學”教學改革實踐

“飛行器結(jié)構(gòu)力學”課程的改革應(yīng)以培養(yǎng)學生具備堅實的力學概念和靈活運用基本概念定性分析結(jié)構(gòu)問題為主線，以工程實踐為背景，以案例分析為手段，以學生的工程思維訓練與創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為根本目標來具體實施。

（一）從定量結(jié)構(gòu)力學到定性結(jié)構(gòu)力學

傳統(tǒng)飛行器結(jié)構(gòu)力學中，主要強調(diào)采用力法和位移法等矩陣位移分析方法對平面桁架、空間桁架、平面剛架、空間剛架和板—桿結(jié)構(gòu)等進行定量分析。這些方法最早是在20世紀初由于當時計算機技術(shù)和數(shù)值分析方法的發(fā)展不足而建立起來的一些特殊的定量計算方法。這些方法的教學占了“飛行器結(jié)構(gòu)力學”課程的三分之二以上，具有“定量”結(jié)構(gòu)力學的特點。

一方面隨著商業(yè)有限元分析工具的成熟和廣泛應(yīng)用，很多傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學計算方法已經(jīng)凸顯出不足，另一方面新工科背景下的教學培養(yǎng)中更注重學生應(yīng)用知識解決問題能力的培養(yǎng)。筆者嘗試對課程教學內(nèi)容從“定量”向“定性”轉(zhuǎn)變，重視力學基本概念的教學。首先，對原課程體系的定量部分內(nèi)容進行刪減，變?yōu)樽孕迌?nèi)容。刪除的內(nèi)容有：結(jié)構(gòu)位移計算的彎矩圖乘法、摩爾圓法、變剖面機翼計算結(jié)構(gòu)力學等。增加定性結(jié)構(gòu)力學內(nèi)容，定性結(jié)構(gòu)力學也稱為概念結(jié)構(gòu)力學[10-12]，突出采用定性分析的方法對結(jié)構(gòu)體系進行基本認識，掌握定性結(jié)構(gòu)力學方法是學生簡化復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)，得到有限元等計算模型的基礎(chǔ)，同時也是判別有限元計算結(jié)果（如應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖等）是否正確的主要手段。另外，還新增加了傳力分析、飛行器典型結(jié)構(gòu)體系以及靜不定體系的簡化分析方法等內(nèi)容。傳力分析部分重點講解對復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的傳力分析內(nèi)容;飛行器典型結(jié)構(gòu)體系的講解以工程中蒙皮骨架和半硬殼式結(jié)構(gòu)為主要對象，將典型氣動面承載體和艙體承力體系作為主要講授內(nèi)容，幫助學生建立基本的結(jié)構(gòu)概念體系;靜不定體系的簡化分析方法重點講解對工程中的典型靜不定體系進行簡化計算的內(nèi)容，簡化計算是指能直接手算給出各構(gòu)件大致力學狀態(tài)的方法。

（二）從理論教學到有限元仿真輔助教學

“飛行結(jié)構(gòu)力學”課程內(nèi)容具有計算量大、概念抽象和邏輯性強等特點，學生在學習過程中很難直觀理解結(jié)構(gòu)的受力特性和傳力特性，導(dǎo)致學生無法較容易地掌握理論分析方法，更談不上對其有深刻的理解。隨著力學分析軟件的普及，有限元仿真輔助教學已逐步開始融入到力學類課程的理論教學中[13-16]。因此，筆者同樣利用商業(yè)有限元分析軟件建立了典型構(gòu)件受力特性的數(shù)字化案例庫。在此需要說明的是，在教學中不需要對有限元分析軟件和有限元方法進行介紹，僅僅利用商業(yè)有限元分析軟件強大的后處理顯示功能。

教學中，教師在講解完理論知識點，讓學生利用理論知識進行例題的練習之后，再展現(xiàn)相應(yīng)的有限元分析結(jié)果，讓學生通過對比理論結(jié)果與有限元分析結(jié)果之間的異同，并獨自分析原因，來加深對知識點的認識。例如，在靜定薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算中“板元件的平衡”部分的教學中，我們通常的教學方法是：首先給出基本假設(shè);其次讓學生進行板元件的受力分析;再次根據(jù)平面力系平衡求解得到未知力;最后總結(jié)出板元件的受力特點。具體如表1所示。

然而，經(jīng)過多年的教學發(fā)現(xiàn)，學生在學習完此小節(jié)課程后，大多有如下疑問：（1）桿板式薄壁結(jié)構(gòu)計算模型的基本假設(shè)在解決實際工程問題時是否適用;（2）理論分析結(jié)果是否與實際相符;（3）如何根據(jù)分析結(jié)果來校核結(jié)構(gòu)的強度。為了明確回答學生提出的疑問，我們可利用已建立的有限元數(shù)字化案例庫中的實例，利用直觀詳細的應(yīng)力云圖結(jié)果回答學生的上述疑問。如，本小節(jié)的教學中，通過展示靜定三角形、矩形、平行四邊形和梯形桿板式薄壁結(jié)構(gòu)的有限元模型分析結(jié)果（即σ11、σ22和т12應(yīng)力云圖，詳見表2），首先讓學生獨立對比理論結(jié)果與有限元結(jié)果之間的差異，培養(yǎng)學生的獨立思考能力;其次，引導(dǎo)學生分析兩者結(jié)果之間的異同，深化對力學基本概念（如，板元件內(nèi)力分布假設(shè)）的認識，并了解理論知識向?qū)嶋H工程應(yīng)用轉(zhuǎn)變時的差異，培養(yǎng)學生的工程應(yīng)用能力;最后，讓學生了解飛行器結(jié)構(gòu)力學理論知識在當前飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要地位，提高學生學習理論知識的積極性。

（三）從課堂教學到工程實踐教學

根據(jù)各章節(jié)知識點，在講授新知識前，通過在線資源構(gòu)造實際工程情景，引出具體的教學內(nèi)容。例如，在桁架結(jié)構(gòu)分析部分，分別以飛機不同的著陸方式、月球車著陸等工程事件為切入點，培養(yǎng)學生從工程中提煉問題，將復(fù)雜工程問題提煉為簡化的結(jié)構(gòu)力學問題，將復(fù)雜工程對象簡化為結(jié)構(gòu)力學計算模型的能力。

在結(jié)構(gòu)分析部分，首先從大量的實際結(jié)構(gòu)，如國內(nèi)外實際型號的運載火箭、飛機和航天器等具體結(jié)構(gòu)抽取出待分析結(jié)構(gòu)，再直接應(yīng)用課程中講授的方法進行結(jié)構(gòu)分析。例如，在傳力結(jié)構(gòu)分析中，直接以我國紅旗-2號地空導(dǎo)彈彈翼為對象，進行力學模型構(gòu)建、傳力途徑分析的教學。通過典型的工程案例式教學，讓學生在潛移默化中就能將工程思維滲透到結(jié)構(gòu)力學的學習過程中。

為進一步提高學生對結(jié)構(gòu)力學概念的應(yīng)用和工程實踐能力，在改革后的課程中增加了實驗實踐教學環(huán)節(jié)。目前已開設(shè)的實驗內(nèi)容有：等強度梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與實驗研究、靜定彎扭組合實驗研究、靜定薄壁結(jié)構(gòu)實驗研究、壓桿穩(wěn)定實驗研究等。增加的實踐環(huán)節(jié)有典型飛行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計和傳力分析。實驗實踐教學部分采用小組教學的模式，學生分成若干課題小組，利用所學知識完成實驗內(nèi)容和實例設(shè)計任務(wù)，并以學術(shù)報告會的形式進行成果展示。通過實驗實踐教學，學生將課堂所學的結(jié)構(gòu)力學的基本概念、所認識的承載體系和結(jié)構(gòu)力學的分析方法等融會貫通，既強化了理論知識的理解，又培養(yǎng)了學生的實踐動手能力。

四、結(jié)語

經(jīng)過改革實踐，學生對于“飛行器結(jié)構(gòu)力學”課程的總體滿意率較高，特別對實驗實踐等環(huán)節(jié)的評價較高，但目前“飛行器結(jié)構(gòu)力學”教學模式還可以進一步改進，以更好地為培養(yǎng)航空航天卓越工程師服務(wù)。

（一）進一步優(yōu)化課程內(nèi)容

目前正處于飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)快速發(fā)展和結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范快速更新期，在這一過程中，結(jié)構(gòu)力學的內(nèi)容也在推陳出新，如復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學、智能結(jié)構(gòu)力學等內(nèi)容;同時也有很多經(jīng)典內(nèi)容經(jīng)久不衰，被認為是結(jié)構(gòu)力學中的核心知識。如何優(yōu)化經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學教學內(nèi)容，使之與當下快速發(fā)展的結(jié)構(gòu)技術(shù)密切結(jié)合，讓學生在掌握結(jié)構(gòu)力學基本概念的同時，不斷了解新的結(jié)構(gòu)知識，鍛煉工程思維能力，將是下一步課程優(yōu)化的重點。

（二）構(gòu)建自主式實驗實踐平臺

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，學生普遍對小組式實驗實踐環(huán)節(jié)很感興趣，這充分體現(xiàn)了學生對加強工程實踐能力培養(yǎng)的渴望。但目前課程教學仍是教師命題和集中完成的“做作業(yè)”模式，還不能充分鍛煉和培養(yǎng)學生的概念應(yīng)用、工程實踐和創(chuàng)新能力。在今后的教學改革中，應(yīng)著重構(gòu)建開放式結(jié)構(gòu)力學課程平臺，針對課程內(nèi)容，增設(shè)多個模擬工程實踐項目，供學生自主選題并可常態(tài)化開發(fā)，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐;同時充分利用3D打印等技術(shù)，鼓勵學生將結(jié)構(gòu)設(shè)計模型實物化，從而真正實現(xiàn)工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，全面提高航空航天卓越工程師的綜合能力。

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