基于创新能力培养目标的工程力学教学改革与实践

刘新柱+王冬+潘佳卉

摘 要：基于大学生创新能力的培养，围绕工程力学教学质量提高这一核心目标，分析了工程力学的教学现状，并从教学内容、教学方法、考核方式等方面提出了工程力学教学改革的路径。

关键词：工程力学；创新；教学改革；高校

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2014）01-0039-02

工程力学主要研究工程技术的基本规律，是工科学生一门重要的专业基础课，既承担着为后续专业课打基础的重任，同时又具有自己的独立意义，即培养学生建立力学思维，培养学生利用工程力学知识解决工程实际问题的能力。对工科专业学生而言，力学知识的掌握及运用程度直接影响着学生的创新能力。目前国内高校工程力学教学普遍面临着工程力学教学时数减少，教学内容不变、甚至略有增加，教学要求不断提高的困难[1-2]。在现有条件下，如何针对课程的特点和学生的接受能力，遵循知识发展规律，探索与实践形式新、效果好的教学方法，已成为高校力学教师必须进行研究的课题。因此，在近几年的教学实践中，我们以增强学生的创新能力为目标，为提高工程力学的教学质量，从教学内容、教学方法、考核方式等方面进行了一些工程力学教学改革的研究与实践。

一、优化教学内容，加强理论教学与工程实际问题的联系

工程力学主要包括理论力学和材料力学两大部分。大部分理论力学教材体系都是由静力学、运动学、动力学三篇组成，初学者往往会觉得似乎很多内容在物理学中都曾学习过，但在解决具体问题时却无从入手。其实不然，理论力学虽然是近代物理学的一个分支，但是发展到现在，已经完全超出物理学的范畴，理论力学的研究对象和研究方法与物理学都有很大的差别[3]。理论力学是研究物体的机械运动及物体间相互机械作用一般规律的学科，考虑目前教学时数普遍减少、对学生的创新能力要求逐渐提高的现状，在授课过程中应尽量避免与物理学中相似的理论推导，而是将课程重点转移到理论力学的应用方面，引导学生多做一些综合性的训练内容，尤其是以最新工程实例为研究对象，培养学生将其有效简化，建立其等效的力学模型并求解的能力，实现在学习基本力学知识的同时又具备了解决工程实际问题的能力，实现理论与实践的完美结合。

材料力学的特点是概念多、公式多，初学者学起来很吃力。目前国内大多材料力学教材是以四种基本变形为主线进行讲解的，我们认为这种课程体系具有一定的弊端，即各章节内在关联较少、相对独立，以基本变形为主线将重复进行内力、应力、变形的讲解，这样既浪费学时，又不利于学生记忆和掌握相关重要概念、公式。如将其改成以内力、强度、刚度为主线讲解，可以避免相同概念重复讲解，从而节约了宝贵的教学时间，同时还可以令学生对相似概念的掌握在对比中清晰、牢靠。例如，研究扭转应力时要掌握极惯性矩Ip的定义及其计算方法，在研究弯曲应力时要掌握惯性矩Iz的定义及其计算方法，如果按照内力、应力、变形的主线讲授，就可以在比较中令学生加深记忆，因为对于圆形截面而言，Ip=πd4/32，而Iz=πd4/64，在比较中更容易理解它们内在的联系与本质的差别。又如，研究构件的内力时必须要画内力图，按照以内力、强度、刚度为主线的新体系，可按顺序讲解轴力图、扭矩图、剪力图、弯矩图，在讲解基本作图方法后，在比较中又可找寻其共同的规律，即在集中力作用截面轴力图和剪力图都将产生突变，突变的方向和集中力的方向一致，突变的大小等于集中力的大小；而集中力偶作用截面扭矩图和弯矩图又将产生突变，掌握这些基本规律可以极大地提高作图的速度和正确率。经过教学实践，我们发现以内力、强度、刚度为主线的材料力学知识体系具有结构紧凑、知识点衔接自然、较容易被学生接受等优点，目前我们已经开始着手编写此种类型的材料力学教材。

二、改进教学方法，营造生动活泼的教学氛围

传统教学方式中，每章节的知识点往往通过重点、难点等形式介绍给学生，这种方式过于单调，久而久之，学生容易产生厌倦心理，从而导致对知识点的理解不清、掌握不牢。力学源于实践，为改进课堂教学效果，我们首先以力学史、力学家逸事、力学趣话为载体，将人文因素引入到工程力学教学中，借助力学之美激发学生的学习兴趣，令课堂教学变得生动、活泼[4]。例如，在讲解提高梁的抗弯强度措施时要涉及抗弯截面模量，可以北宋时期李诫在其名著《营造法式》中所指出的在圆木中截取矩形木梁的合理高宽比为例，让学生利用现代力学、数学知识去分析其理论依据，得出高宽比近似于1.5的矩形木梁会具有最高的抗弯强度这一结论，从而令学生在活跃的课堂氛围中掌握了重要的知识点。同时，1000年前我国劳动人民就有如此高的力学成就这一史实也必将激发学生积极探索、勇于创新。其次，我们采用“问题—求解—结论”的教学方式改变知识点的导出方式，每节课前，我们根据课程重点内容设置一个问题，然后对其进行分析、讨论，最终得出的结论也就是该次课的重点内容。例如在研究扭转时，首先提出“大型载货汽车的传动轴为什么是空心的”这一问题，然后从强度角度进行分析，证明在相同工作强度时空心轴要比实心轴节省材料，最后得出以扭转变形为主的构件在等质量的情况下将实心轴改为空心轴可以提高其抗扭强度这一结论，同时课后思考题可以布置为“是不是所有的传动轴都可以设计成空心的？”运用以上教学方法后，工程力学教学变得生动了，学生的学习积极性，发现问题、自主学习以及创新思维能力都得到了显著的提高。

三、完善教学手段，合理利用多媒体教学

多媒体教学具有信息容量大、影像生动等显著优点，在现代教学中作为主要教学手段得到了广泛的应用[5]。但其也有信息传递速度过快、每屏容量有限等缺点，对前后关联密切的推导、解析等问题，存在学生稍一溜号，就将跟不上教师节奏，从而导致对知识点理解不清、掌握不透等问题。因此，应合理利用多媒体技术，不要让教学软件代替学生思维，不要让教学软件合盘给出结果。多年来，我们一直坚持多媒体技术与传统板书相结合的教学方式，利用精心制作的课件中图像、文字等信息向学生讲解基本知识点，利用生动的三维动画向学生介绍工程实例，介绍对空间思维能力要求较高的各种机构的运动，而涉及公式推导、例题讲解等逻辑性较强的内容时，则采用信息传递速度较慢的传统板书，这样减慢了速度，随着教师在黑板上的书写以及讲解，学生可以跟住教师的节奏，加深了学生对知识点的理解和记忆。经过多年的实践与完善，这种教学方式取得了良好的教学效果。endprint

四、适应社会需求，加强双语教学建设

为适应全球经济一体化和21世纪新科技革命的社会需求，国内高校在本科教育阶段普遍进行了双语教学。工程力学主要由理论力学和材料力学两大部分组成，大多安排在大学二年级讲授，学生已经掌握了较好的英语和高等数学知识，具备了双语教学的条件，所以可以在工程力学授课过程中尝试采用英、汉双语进行教学。工程力学是研究有关物质宏观运动的基本规律及其应用的科学，各国对工程力学课程的教学要求基本相同，英文原版教材知识体系及内容与国内常用教材基本一致，教材中所涉及的专业词汇较少且重复率很高，相对容易掌握，因此使用英文原版教材进行双语教学学生比较容易接受。使用英、汉双语进行工程力学教学既可以完成课程固有的教学任务，又可以提高学生的英语水平，同时还可以在基础英语和专业英语教学中起到衔接和过渡的作用。多年来我们始终坚持在材料成型及控制工程等专业的工程力学教学中使用英、汉双语教学，教学效果良好，考核成绩与其他相关专业比较也相对优秀，这也坚定了我们使用双语教学的信心。

五、改革考核方式，注重创新能力的培养

传统的考核方式以期末考试为主，以平时作业情况为辅来检验学生对知识的掌握情况，其中期末考试成绩起着决定作用，这种考核方式弊端明显，即在很大程度上限制了学生的创新思维，并不能完全反映学生解决工程实际问题的能力。基于这种情况，我们改革了工程力学考核方式，将期末考试在总成绩中所占比例降低到60%，其余40%以综合性大作业为主。我们定期给学生布置以最新工程实例为原型的大作业，要求学生不拘泥于形式，可以从不同切入点对其简化、建模并求解，这种方式既巩固了学习过的知识点，又培养了学生的创新能力。这种方式已经过两年的实践，学生普遍反映良好，学生的创新能力、解决工程实际问题的能力与往届学生相比，都得到了显著提高。

创新是永恒的主题，创新是社会进步的原动力，大学生创新能力的培养蕴涵于高校每一个学科的每一节课中[6]。教学是心智的付出，在工程力学教学中，只有教师钻研教法、精心备课、采用灵活多变的教学方式，才能做到理论联系实际，学以致用，从而实现面向工业界、面向世界、面向未来，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才的目标。

（课题组成员还有孙红旗教授、陈振副教授）

参考文献：

[1]夏平，陈莘莘，康颖安.基于“卓越工程师”培养的工程力

学教学改革研究[J].湖南工程学院学报：社会科学版，

2012，（4）.

[2]谢芝馨，钱飒飒.工程力学教学实施创新教育的研究

[J].高等建筑教育，2003，（1）.

[3]杨兆海.在理论力学教学中处理好与大学物理中力学的

关系[J].现代交际，2010，（1）.

[4]窦聚山.谈工程力学教学中的人文素质教育[J].河北广

播电视大学学报，2007，（3）.

[5]段洁利，卢玉华，严慕容等.工程力学教学方法的创新探

索与实践[J].中国现代教育装备，2011，（7）.

[6]何鹏，尹明，于申.信息技术类专业创新创业型人才培养

模式探索[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2013，（2）.endprint