工科《工程力學》系列課程教改實踐與探索

毛東風

[摘要] 筆者在《工程力學》精品課程建設中,將傳統教學方法與現代教育思想和手段有機融合,在課程內容體系、方法和手段以及雙語教學和實驗等改革措施方面進行了積極的探索和嘗試。

[關鍵詞] 工程力學 教學改革 實踐

《工程力學》課是工科學生的重要基礎課,也是工科專業學生較難掌握的幾門重要課程之一。隨著高校的連續擴招帶來的生源結構變化,如何在課時大量壓縮的情況下,保障教學質量,同時滿足石油工業對外向型及創新型人才的需要、賦予古老傳統力學課以新意,成為教學改革面臨的重要課題。中國石油大學(北京)力學課程建設小組,從十幾年前就開始了有益的嘗試,并取得了令人滿意的效果。

一、課程體系及內容改革

1.精心組織內容結構,賦予傳統教學時代氣息

工程力學盡管是較為傳統的學科,但在日新月異的新時代,它依然是解決各類工程技術難點問題的關鍵,教學過程必須讓學生掌握其基本要義和精髓。我們在課程內容組織時,精選經典內容,大刀闊斧地刪去原來工程力學與大學物理學的重疊部分,并適時引入反映課程應用的現代設計實例,介紹教師的科研新內容和新成果,為學生掀開科研的神秘面紗。在體系方面,以方法代之于對象作為章節的劃分。這樣即提高教學效率,讓學生學會如何尋找事物的內在聯系,掌握課程的精華,又將理論與應用有機結合,使學生建立起工程意識,將來工作起點高、上手快。例如,筆者承擔的國家“863”以及國家重大專項等科研項目中,都會涉及用工程力學的知識解決如深海石油工程、海底管道及儲運工程等方面的問題。學生聽講時,個個聚精會神,興致盎然。同時,教師也注意提醒現有課程知識所不能解決的問題,為今后的進一步深入學習力學設下伏筆,學生學習的積極性與主動性得以提高。

2.突出思路與方法,促進學生主動思維

工程力學課在大二時開設,雖然已經有了一年的大學學習生活,但是長期以來,在應試教育的影響下,相當學生在中小學時養成的“依賴”性的學習習慣尚未完全改變。求解問題不思考如何分析,總是想著先看答案,并由此去猜過程。不會站在更高的層面看問題,想著如何用普遍規律去解決具體問題,而只喜歡“文山題海”式的戰術,從大量練習中被動地慢慢體會內涵,也就是只會從眾多個例來建立普遍規律。學生的計算能力普遍較高,在給定參數,利用公式計算方面基本沒有問題。然而,定性分析問題的能力遠遠不夠,而這恰恰是開展科學研究、解決工程問題的基本要素。因此,我們在課堂講述中,淡化繁瑣的數學推導,摒棄啰嗦的數字計算,強化定性分析,突出思路與方法。在促進學生主動思維方面,謝絕滿堂灌與一言堂,適時展開課堂討論,讓學生在討論中自己得出結論,在討論結束前再提出問題,留出讓學生思考的空間,讓他們學會探究式的學習方法。例如,材料力學的學習中,幾大基本假設可能是學生遇到的首個真正意義上的數學建模問題。講授時不僅介紹其內容,還要說明各假設所具有的數學意義,對問題求解所起到的作用等。在拉-壓、扭轉應力的推導時,引導學生注意靜力平衡條件、幾何關系、物理關系的共同運用,在彎曲應力的推導時,自然會想到這幾個方程。這樣,不僅使此處進展順利,還為將來的彈塑性分析作了鋪墊。在得到彎曲正應力計算公式σ瓁=M瓂瑉I瓃時,討論彎矩M﹜、截面慣性矩I﹝及點到中性軸距離|z|對橫截面上一點正應力的影響,并以T形截面、非對稱放置的鑄鐵外伸梁為例,讓學生討論如何布置梁能更好的達到使用目的。此時學生往往注意到了截面關于中性軸的不對稱及材料拉壓強度的不等,按照彎矩圖的正負對截面正立或倒立作調整,當均不能達到安全使用要求時,就可能放棄。這時教師要詢問,這樣的調整在公式中體現了那些項的變化?是否還有別的辦法?可能就有同學打破定勢思維,發現彎矩其實是可以通過支座的調節而發生變化的。而對于調節到何處最好,則作為課后練習,讓學生自己去求解。至于解決方法,又可開展討論。將支座位置——相當于載荷作用位置作為未知量帶入彎矩表達式,并利用高等數學極值知識進行最小值求解。并告訴學生,這就是優化設計,而優化目標就是彎矩最小(應力最小、承載能力最高)。這樣講解,學生感覺將前后知識連貫與融合起來了,視野更開闊,收獲更大,對未來的學習信心更飽滿。

二、用現代教育思想和手段促進教學水平不斷提高

1.從簡單原理出發,激發學生學習興趣

教與學是教學活動的兩個基本方面,由教師和學生共同完成。它的生動開展必須堅持以人為本的原則,既要重視發揮教師的主導作用,又必須尊重學生的主體地位。本著“興趣是最好的老師”的理念,在教的過程中,積極引導和激發學生學習的積極性和主動性。例如,在講摩擦時,介紹同學們熱愛的F1賽車上利用摩擦原理進行的設計,螺紋擰緊自鎖的原理;在學習運動學時,利用行星輪上一點的軌跡,說明鉆方孔的原理(此時他們往往很驚訝);在分析截面慣性矩對彎曲應力的影響時,順手拿起手邊的鋼板尺演示當沿橫截面兩不同主軸彎曲時,為何在一個方向易彎,而在另一個方向則很難?以彎曲的書中間鼓起部分壓下時頁面間的相對滑移錯動,解釋梁彎曲時,構件層間的剪切作用;并以此說明,若在傾斜地層中確定井位,在油氣產出后地層發生沉降時,油井套管易于受地層剪切而破壞的道理。某些看似不易實現的工藝——鉆方孔,難于解釋的成因——套管損壞,所運用的原理其實并不復雜,作為大二學生是完全可以理解的,這極大地激發了學生的學習興趣。這興趣將引領他們開啟探索與發現的美妙之旅。

2.重視啟發教學,培養學生的創造性思維

大科學家愛因斯坦在《物理學的進化》中說:“提出一個問題往往比解決一個問題更為重要,因為解決一個問題也許是一個數學上或實驗上的技巧問題。而提出新的問題、新的可能性,從新的角度看舊問題,卻需要創造性的想像力,而且標志著科學的真正進步。”雕塑家羅丹說:“美不在于存在,而在于發現。”科學與藝術,兩個距離多么遙遠的領域,最終卻統一于相同的哲學理念。社會的進步在于創造,創造的源泉在于發現。然而,長期的應試教育在很大程度上束縛了學生的創造性。他們不善于提問,面對權威時不敢提問,日積月累,最終導致只會慣性式的接受而難于發現問題。解放人的個性,培養人的獨立精神與創造性,讓年輕人以文明人的好奇心去接受知識,學會與他人合作溝通,是大學教育的根本與責任。為了培養學生創造性的思維習慣,在工程力學課的某些教學中,根據課程內容,我們采用問題教學模式。一方面,在提出新理論與新方法時闡述發現問題的原因,例如,在講力線平移定理時,先問學生:如果僅依靠平行四邊形法則、通過兩兩力線交點作平行四邊形求力系的合力,會有什么問題?力系簡單時、在一張足夠大的紙上畫圖還比較好辦,力系復雜時、特別是遇到兩力線不相交時怎么辦?能否利用匯交力系、力偶系的簡化結果、同時不必畫圖的解析方法進行簡化?另一方面,由初期的教師問學生答的方式逐步向學生問教師或其他學生答過渡,鼓勵學生大膽提問。根據問題的難易程度,可以選擇教師當堂答、或組織學生討論,也可以留作課后答,或學生和老師課后查完資料再回到課堂討論。作為教師,對于學生獨立思維的創造性和勇于挑戰權威和課本的批判性要接受并加以維護。這樣的教學方式不僅活躍了課堂氣氛,教學效果好,也讓學生學會表達自己的思想,明白討論與爭鳴是溝通與合作的一種正常方式。

3.發揮多媒體優勢,彌補傳統教學手段的不足工程力學課的特點之一是內容豐富。反映在教學上就是板書多,需要畫的圖多,所用公式也多。要在課時減少情況下,按時完成教學任務,并將枯燥的內容變得生動活潑,必須借助計算機輔助教學手段,充分發揮其在視覺與聽覺上的優勢。通過文字、圖形的動靜配合、色彩的和諧搭配,吸引學生的注意力,進而激發學生的學習興趣。我們所有課程內容都采用Powerpoint制成電子教案。為體現啟發式教學過程,電子教案內容及公式按照邏輯關系編輯并逐條顯示在投影屏幕上。內容中應重點突出,文字數量盡量要少,以利學生課堂上邊聽、邊看、并適當記錄。對于遇到的復雜結構,還可以通過flash動畫加以演示。這樣,盡管課程信息量大,由于圖形形象生動、畫面賞心悅目,學生不疲勞,仍能保證教學效果良好。為便于學生課下學習,我們積極利用現代化網絡優勢,最大限度享用公共資源,建立了學習網站。學生可在網上下載所有電子教案,在網上預約開放式實驗課,網上還建立了質疑和解答區。

4.開展自主創新設計實驗,提高學生動手能力

為了給學生施展創新能力提供空間,力學實驗室是開放式的。學生可以預約實驗及時間。除開展拉、壓、彎、扭、沖擊及疲勞等常規實驗外,還增加了自主創新設計實驗。學生可以自主選擇感興趣的問題進行實驗。從實驗內容、資料查閱、儀器設備選擇,到實驗方案與實施,所有的環節均由學生自己確定和完成。教師負責把關。如:學生選擇用懸臂梁實驗來驗證梁橫截面上正應力分布特點和材料的泊桑比。他在查閱相關資料后,經過必要的計算和分析,給出應變片布置方案、載荷范圍、應變儀連接方式等。在方案經指導老師校核通過后,學生自己打磨試件、粘貼應變片、連接應變儀、安裝試件、進行實驗。實驗完畢,寫出報告并總結心得。自主設計實驗鍛煉了學生的動手和創造能力,學生學習的積極性也得到提高。可以說,工程力學課做到了“教、學、練”一體化。

此外,我們鼓勵和扶持學生積極參加各種相關知識技能大賽,將所學的力學知識用于解決實際工程問題。如:通過指導學生參加結構大賽,學生的結構分析能力得到極大鍛煉。

5.開展雙語教學,為國際合作型人才培養奠定基礎

為適應石化行業的發展越來越國際化、外向化、對復合型人才的需求量日益增大的特點,同時也為學生學習英語提供使用環境,工程力學課從1990年代中期就嘗試全面使用雙語教學。不僅特別編輯了適合于本校學生使用的英文教材,還有與之配套的英文電子教案,學生作業與考試也全部采用英文。這些年的實踐使教師在雙語教學上積累了豐富的經驗,學生在雙語教學環境的熏陶下,專業英語水平和英語寫作水平均有大幅提高。學生的綜合素質與工作競爭力得到提升。在石化行業國際合作型人才的選拔中,我校的畢業生頗受青睞。

三、結束語

中國石油大學(北京)力學課程組一貫重視課程建設與改革,使工程力學課做到了新內容、新體系、新方法、新手段的有機結合,保證了優良的教學效果。課程組的教師不僅做教學的骨干,更做科研的中堅,同時不斷將科研成果轉化為優質的教學資源,有力地促進了產學研一體化。這也是工程力學課一直保持為學校的傳統優質課的重要原因。經過課程組全體教師的不懈努力,課程建設與改革取得豐厚成果,先后獲得多項教學獎勵。它們是:中油集團公司優秀教學成果三等獎1項;校優秀教學成果一、二、三等獎6項;校重點課程建設2項;IET教育基金青年教師獎1項;北京市高等學校優秀青年骨干教師1項;中國石油大學(北京)品牌課教師1項等。

參考文獻:

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[2]方華燦.論高等學校的課堂教學.石油工業出版社,2003.

[3]張森,宗緒鋒.多媒體CAI課件基本原理與制作技術.北京航空航天大學出版社,2000.