魏 莎 宋亦誠(chéng) 宋麗芬 鄭冰月

*(上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444)

?(上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所，上海 200072)

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，是學(xué)生最直接的知識(shí)來(lái)源。近年來(lái)，我國(guó)高校力學(xué)教師積極投身課程教學(xué)改革，并取得了積極成效[1-4]。然而，在目前大的形勢(shì)和背景下，一方面理論課程壓縮課時(shí)，另一方面學(xué)生實(shí)踐能力弱、應(yīng)用能力差。工業(yè)界對(duì)近年來(lái)高校畢業(yè)生的力學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用能力評(píng)價(jià)也并不高。在力學(xué)教育中，以前通常是通過(guò)設(shè)置大作業(yè)或?qū)嶒?yàn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)來(lái)鞏固所學(xué)知識(shí)。然而，在以技術(shù)創(chuàng)新為使命的研究工程師培養(yǎng)過(guò)程中，實(shí)踐環(huán)節(jié)不僅要起到鞏固知識(shí)的作用，還應(yīng)具有培養(yǎng)創(chuàng)新能力的作用。高水平的實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，既應(yīng)做到培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力，也應(yīng)做到培養(yǎng)學(xué)生批判性思維等創(chuàng)新能力[5-6]。

為了探討力學(xué)理論與創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合的課程教學(xué)改革，本文分析總結(jié)“力學(xué)與實(shí)踐”課程建設(shè)情況，包括課程內(nèi)容、教學(xué)特點(diǎn)和學(xué)生參與等幾個(gè)方面。希望本課程建設(shè)的實(shí)踐與探索不僅可以幫助學(xué)生提高批判性思維、運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，也可為其他學(xué)科建立專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)與實(shí)踐的橋梁提供借鑒參考。

1 課程內(nèi)容

本課程的教學(xué)目標(biāo)是以能力培養(yǎng)為中心，強(qiáng)化課外培養(yǎng)，擴(kuò)大學(xué)生學(xué)習(xí)自主權(quán)，使得學(xué)生能夠綜合應(yīng)用理論、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方式研究工程實(shí)際中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)，并進(jìn)行有效溝通和交流。

本課程迄今共講過(guò)23輪。1997年成立力學(xué)系，1998年即開(kāi)設(shè)本課程，當(dāng)時(shí)主要包括“商業(yè)有限元軟件應(yīng)用”、“計(jì)算機(jī)實(shí)習(xí)”和“生產(chǎn)實(shí)習(xí)”三門(mén)課。從2019年起，筆者擴(kuò)充體系將其整合為系列課程，貫穿本科生前三年級(jí)，開(kāi)設(shè)在每年夏季學(xué)期。課程包括力學(xué)與實(shí)踐（1）、力學(xué)與實(shí)踐（2）和力學(xué)與實(shí)踐（3）三個(gè)階段。力學(xué)與實(shí)踐（1）是上海大學(xué)大類(lèi)招生學(xué)生分流后第一次接觸力學(xué)學(xué)科，對(duì)學(xué)生主要起到專(zhuān)業(yè)認(rèn)知的作用，讓學(xué)生知道未來(lái)會(huì)學(xué)什么，有哪些發(fā)展方向。力學(xué)與實(shí)踐（2）和（3）偏向能力培養(yǎng)，在鞏固力學(xué)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展一些最新科研項(xiàng)目或結(jié)合課程做一些延伸性的工作。本課程教學(xué)參考書(shū)包括國(guó)內(nèi)外主流的參考資料[7-10]。

力學(xué)與實(shí)踐（1）面向一年級(jí)本科生，共20學(xué)時(shí)，主要介紹了上海大學(xué)的力學(xué)學(xué)科現(xiàn)狀、主要方向和領(lǐng)域進(jìn)展，引導(dǎo)同學(xué)們了解部分的力學(xué)理論及在實(shí)際問(wèn)題中的廣泛應(yīng)用等，特別是本學(xué)科教師在理論與應(yīng)用方面的工作。力學(xué)與實(shí)踐（2）面向二年級(jí)本科生，共60學(xué)時(shí)，簡(jiǎn)要回顧理論力學(xué)和振動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，以小組為單位，運(yùn)用MATLAB和ABAQUS軟件求解理論力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、振動(dòng)力學(xué)常見(jiàn)連續(xù)體振動(dòng)的基本規(guī)律，并從最新科研項(xiàng)目中提取相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展課程項(xiàng)目研究，同時(shí)選擇多篇力學(xué)前沿英文學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行綜述型文獻(xiàn)和研究型文獻(xiàn)的閱讀與匯報(bào)，提交課程報(bào)告，并在課堂上組織學(xué)生以小組為單位對(duì)課程進(jìn)行回顧和總結(jié)。力學(xué)與實(shí)踐（3）面向三年級(jí)本科生，共60學(xué)時(shí)，主要圍繞材料力學(xué)、理論力學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法等開(kāi)展相關(guān)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)，例如包括采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法通過(guò)不依賴(lài)框架和基于框架的程序?qū)崿F(xiàn)小車(chē)倒立擺控制問(wèn)題等。

2 學(xué)生參與

本課程的教學(xué)設(shè)計(jì)是以學(xué)生發(fā)展為中心，學(xué)生的全程參與是課程取得良好效果的重要因素。除課堂聽(tīng)課外，學(xué)生以課外自主學(xué)習(xí)、課堂PPT分享、實(shí)驗(yàn)操作和學(xué)習(xí)總結(jié)等方式參與整個(gè)教學(xué)過(guò)程。在力學(xué)與實(shí)踐（1）中，教師引導(dǎo)學(xué)生課外調(diào)研不同高校力學(xué)學(xué)科的發(fā)展情況，并以PPT分享的形式進(jìn)行對(duì)比分析。在力學(xué)與實(shí)踐（2）和（3）中，教師課堂復(fù)習(xí)基本理論知識(shí)，并講授仿真軟件的基本操作和核心思想，要求學(xué)生根據(jù)安排的實(shí)踐題目進(jìn)行課外自主學(xué)習(xí)，并整理學(xué)習(xí)報(bào)告進(jìn)行小組內(nèi)討論，隨后在課堂上就仍未解決的問(wèn)題進(jìn)行組間討論和教師指導(dǎo)，這充分強(qiáng)化了課外培養(yǎng)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)權(quán)。最后，在最后一次課上組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行課程回顧、分析、討論和總結(jié)，形成一個(gè)研究的閉環(huán)。

文獻(xiàn)閱讀與匯報(bào)是教師指定多篇力學(xué)前沿英文學(xué)術(shù)文獻(xiàn)(包括1篇綜述型文獻(xiàn)和多篇研究型文獻(xiàn))[11-14]，要求學(xué)生根據(jù)課堂講授方法進(jìn)行自主閱讀和研究分析，并進(jìn)行“組會(huì)”匯報(bào)，讓學(xué)生感受學(xué)術(shù)研究的氛圍和樂(lè)趣，培養(yǎng)其高階思維能力。

實(shí)驗(yàn)操作主要根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的對(duì)象進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分析誤差原因，這部分題目主要來(lái)自于教師最新開(kāi)展的科研項(xiàng)目。例如，力學(xué)與實(shí)踐（2）中授課教師將正在開(kāi)展科研項(xiàng)目的研究對(duì)象退化為圓柱殼結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析問(wèn)題，組織學(xué)生分為6個(gè)小組，分別對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并給出部分實(shí)驗(yàn)參照結(jié)果，請(qǐng)學(xué)生們自主分析該問(wèn)題。學(xué)生反饋收獲良多，通過(guò)該課題體會(huì)到了一個(gè)振動(dòng)問(wèn)題應(yīng)該如何入手、如何驗(yàn)證、如何分析。

最后，每位同學(xué)會(huì)針對(duì)課堂題目提交對(duì)應(yīng)的課程報(bào)告和文獻(xiàn)閱讀報(bào)告。除對(duì)報(bào)告內(nèi)容考核外，對(duì)報(bào)告的書(shū)寫(xiě)規(guī)范性也會(huì)有相應(yīng)的考察，并向?qū)W生明確學(xué)術(shù)規(guī)范，提交的報(bào)告如果與書(shū)刊、文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)資料等重合度超過(guò)20%，又無(wú)特殊說(shuō)明將扣分。

3 課程特點(diǎn)

實(shí)際上，本科生培養(yǎng)有一個(gè)完整的閉環(huán)，即理論知識(shí)講授及分析、計(jì)算機(jī)模擬、工程實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果驗(yàn)證?！傲W(xué)與實(shí)踐”課程主要補(bǔ)充除理論知識(shí)講授之外的后面幾部分，和純粹的理論知識(shí)傳授形成互補(bǔ)。這系列課程使得學(xué)生全程參與之外，還延伸了理論力學(xué)、材料力學(xué)和振動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生批判性思維、運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)，架起了力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)和仿真軟件的橋梁，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)在工程中的應(yīng)用窗口。具體有下列主要特色。

首先是書(shū)本知識(shí)傳授的延伸。以力學(xué)與實(shí)踐（2）為例，除了簡(jiǎn)要回顧理論力學(xué)和振動(dòng)力學(xué)的核心知識(shí)點(diǎn)之外，還講授了與教材相關(guān)的MATLAB和ABAQUS軟件實(shí)現(xiàn)思路與步驟、計(jì)算模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的內(nèi)容，延伸了理論力學(xué)、材料力學(xué)和振動(dòng)力學(xué)的知識(shí)。除此之外，圍繞擬開(kāi)展的課程訓(xùn)練項(xiàng)目，本課程講授了文獻(xiàn)閱讀與匯報(bào)方法，幫助學(xué)生進(jìn)行自主分析與學(xué)習(xí)。從知識(shí)上看，本課程擴(kuò)展了力學(xué)理論知識(shí)的講授內(nèi)容，擴(kuò)展的程度是達(dá)到學(xué)生可以進(jìn)行基本的工程問(wèn)題分析。

其次是力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)和仿真軟件的橋梁。例如，在力學(xué)與實(shí)踐（2）中，將航天器對(duì)接結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題退化為圓柱殼對(duì)接結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析問(wèn)題，通過(guò)課程訓(xùn)練項(xiàng)目的形式，幫助學(xué)生綜合運(yùn)用振動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)、ABAQUS仿真軟件和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析等方式研究工程實(shí)際中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題。從方法上看，在其他課程基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)與力學(xué)知識(shí)相關(guān)的仿真軟件，架起了力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)和仿真軟件的橋梁。

最后是力學(xué)在工程中的應(yīng)用窗口。同樣以力學(xué)與實(shí)踐（2）為例，在課程訓(xùn)練項(xiàng)目的選擇上，教師注重從最新的科研院所合作項(xiàng)目中提煉基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，將該問(wèn)題設(shè)計(jì)為包含所學(xué)力學(xué)知識(shí)、仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的訓(xùn)練項(xiàng)目方式，培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。從應(yīng)用上看，讓學(xué)生參與有實(shí)際工程背景的問(wèn)題研究，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)在工程中的應(yīng)用窗口作用。

4 結(jié)語(yǔ)

以上是“力學(xué)與實(shí)踐”課程建設(shè)情況。本課程的教學(xué)內(nèi)容圍繞學(xué)科現(xiàn)狀與前沿學(xué)術(shù)進(jìn)展、理論力學(xué)、材料力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法的計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)、力學(xué)前沿英文文獻(xiàn)閱讀與匯報(bào)等開(kāi)展。本課程是書(shū)本知識(shí)傳授的延伸，是力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)和仿真軟件的橋梁，是力學(xué)在工程中的應(yīng)用窗口。教學(xué)實(shí)踐表明，“力學(xué)與實(shí)踐”課程可為本科生架起力學(xué)與實(shí)踐的橋梁。