高校工程類專業基礎力學課程教學改革探索

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2013.03.013

收稿日期：2012-10-21

基金項目：河南省教育廳課題（2010-JKGHAG-0331）

作者簡介：黨玲博（1978-），女，黃河科技學院講師，碩士，主要從事土木與結構工程研究，（E-mail）dlbthe0@163.com。

摘要：結合對工程教育專業論證標準的學習和多年工程教學體會，分析了本科高校基礎力學課程教學中存在的主要問題，提出應用工程案例構建基礎力學課程教學內容體系，應用案例教學法進行力學教學以培養學生的工程應用和技術應用能力。

關鍵詞：案例教學；力學課程；工程實踐

中圖分類號：G642；TU-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）03-0051-04 黃河科技學院屬民辦本科，其定位為“本科學歷教育+職業技能教育”，這與中國正在實施的工程教育專業論證制度實質是統一的。通過對專業論證標準的學習與多年力學教學實踐，筆者認為大學課程及培養方案應按照社會對人才的需求，從教育和職業要求的角度去設置，而課程及其實現過程要保證達到職業準備的要求[1]。整個人才培養方案的制定要符合職業要求，其課程體系、教學內容的構建也要體現職業準備的需要。

一、本科高校基礎力學課程教學中存在的主要問題

本科高校基礎力學課程教學主要存在與后續專業課程、畢業設計、工程實踐脫節，不注重工程實際應用等問題。現行力學教學模式，教師側重圍繞課本知識進行課堂教學，力學理論嚴格而完整，注重基本理論及解題方法、技巧的講授，忽視基本理論在工程實際中的應用[2-3]，涉及工程應用問題的例題和習題少，沒有設專章或專節介紹工程技術應用。教材和教學中，對許多計算題往往忽略了力學模型的原型，只給出了計算簡圖或計算模型，導致力學教學出現學生會做現成力學題，但遇到實際問題卻無從下手的情況。其根本問題就是缺少從實際問題中抽象出力學模型的訓練[4]。教材和教學在不同程度上存在重理論，輕應用；重知識傳授，忽視能力培養的傾向，不符合現代教育的要求，理論和實驗教學與具體工程實際問題還存在相當的“距離”[5]。

力學具有很強工程應用背景，研究對象為工程實際中的簡化結構，研究的問題主要是工程實際問題，其實質就是從工程實踐來，再回到工程實際中去。而目前的教學脫離了工程背景，脫離了工程實踐，使力學課程的理論顯得空洞[6]。加之，很多學生對于學習力學知識認識不清，目標不明確。理論性強、概念抽象、定理公式多，使得學生學習興趣不高，學習效果不理想。 多年的研究與實踐證明，在力學教學中，將工程引入課堂[7]，引入教學和教材，對于提高學生學習的積極性和興趣大有幫助，也是課程改革的趨勢。應用案例教學法與民辦本科院校工科專業培養目標相吻合，可以很好地解決當前大學基礎力學教學中存在的主要問題，體現職業準備的要求。

二、案例教學法的實施

案例教學法就是通過典型案例進行教學的方法，是通過組織學生討論一系列實際工程案例，提出解決問題的方案，使學生掌握有關的專業技能、知識和理論[8] 。

（一）搜集和選編案例

設計案例是實施力學課程案例教學的基礎和前題。好的案例不僅來源于工程實踐，而且還能恰當地與力學理論結合。在多年的教學和研究中，筆者已經搜集并開發了一套典型的力學教學案例。比如：對于考慮摩擦時平衡問題求解，引入案例《自行車前進的秘密》[9]；從1990年D市某廠四樓會議室屋頂棚五榀梭形輕型鋼屋架連同屋面突然倒塌事故[10]開發了壓桿穩定案例；從主次梁支承關系顛倒引發事故中開發了超靜定梁的剛度及其應用案例等。

1.案例1：壓桿穩定問題

1990年2月16日下午4時20分，D市某廠四樓會議室屋頂棚五榀梭形輕型鋼屋架連同屋面突然倒塌。當時305人正在室內開會，造成42人死亡，179人受傷的特大事故，經濟損失430多萬。該會議室南北寬14.4 m，東西長21.6 m，建筑面積324 m2，采用磚墻承重、梭形輕型鋼屋架、預制空心屋面板和卷材防水屋面。如圖1-2，給出該會議室的建筑剖面圖及屋架示意圖。事故發生時，會議室頂棚先后發出響聲，頂棚中部偏北方向出現鍋底形下凸，幾秒后屋頂全部倒塌。此后的4個月時間，廠方經現場觀察，驗算分析，屋架結構試驗，并根據市調查組現場勘查報告和有關原始資料，提交了事故分析報告。根據事故調查報告，第三榀屋架北端兩個14號腹桿間矩形箍焊縫斷裂導致腹桿失穩是屋架塌落事故的主要原因。

提示：屋架為一空間桁架，上弦桿為壓桿，下弦桿為拉桿，腹桿可能為拉桿，也可能為壓桿，而14號腹桿是受壓腹桿。

圖1 某廠四樓會議室剖面圖及屋架示意圖

問題：為什么兩個14號腹桿間矩形箍焊縫斷裂導致腹桿失穩？

分析：當14號腹桿間矩形箍焊縫不斷裂時，焊縫腹桿有矩形箍支撐時，腹桿失穩后的變形類似“S”型；當14號腹桿間矩形箍焊縫斷裂時，焊縫腹桿沒有矩形箍支撐，腹桿失穩后的變形類似“C”型，壓桿長度增大，由歐拉公式知，失穩荷載大幅度降低。

圖2 14號腹桿失穩分析

2.案例2：超靜定結構中梁的剛度及其應用問題

某鄉鎮商店，商店上層為辦公室及職工單身宿舍，一層為營業大廳。上部4層用磚墻隔為小間，底層由L1及L2梁支承隔墻及樓蓋荷載。L1為縱向大梁，長39.6 m，L2為開間梁，長6.6 m，如圖3。

圖3

問題：試確定L1梁和L2梁的支承關系（主、次梁），并繪制L2梁的計算簡圖。

分析：在荷載作用下超靜定結構的內力分布與各桿相對剛度有關，相對剛度大的桿件承擔的內力大，如圖4（c）、（d）、（e）。

圖4

教學實踐證明：引入工程案例，學生學習積極性大大提高，主動性增強，不僅學習了知識，還懂得了這些力學知識在專業課程和工程實踐中的應用，不知不覺中對學生進行了職業教育，職業準備，提升了學生作為未來工程師的力學素養和工程素質。但必須注意案例的科學性，實際工程中的項目相當復雜，牽涉相關領域的方方面面，如果直接將工程實例套用力學教學，不易執行，且學生已有的專業知識很少，學生很難適應[11]。因此，在教學過程中開發或者提煉合適的案例，是必不可少的工作。實際工程是一種隱性知識，教學案例是一種顯性知識，怎樣將隱性知識向顯性知識轉化，科學地將案例從工程實際中剝離出來，創建出適合教學的案例，是當前案例教學的重點[12]。研究認為，一個科學的教學案例應來源于實際工程，與力學概念密切相聯系，具有高度的啟發性。

（二）分析案例

學生通過資料搜集、思考、分組討論、交換資料，互相補充，互相啟發，主動發言，充分表明自己對問題的理解及分析，同時傾聽別人的分析和見解，比較自己的觀點和思路，從中吸取并綜合出更完善的思路。教師也必須積極參與發言，以適時適度的啟發和點撥，導出與案例相關的結論，使案例討論不偏不離，保證案例教學的有效性。這是教與學兩方直接參與，共同對案例或疑難問題進行討論，培養學生實際應用能力的關鍵。

（三）總結和評價案例

教師在總結和評價案例時，要力求宏觀與微觀并重，褒揚與貶抑并重，理論與實踐并重。教師首先對整個案例分析討論進行系統性總結：（1）課堂參與情況、討論氣氛評價；（2）指明案例分析討論已解決的問題、達成的共識，還有哪些問題需要進一步釋疑；（3）結合力學基本理論原理、對學生爭論的焦點，有創造性的見解，言之有理的分析，有爭議的觀點等進行簡要說明；（4）教師要站在理論的高度，總結出有啟迪的結論或建議，使學生的認識得以升華；（5）教師布置作業，要求全班學生撰寫一個比較詳細的案例書面報告[13]。

三、案例教學的優勢

實踐證明，在力學教學中運用案例教學，可以縮短教學情境與實際工作情境之間的距離，讓學生感受到自身的學業與專業、事業之間的關系，從而增加求知欲望和學習熱情；可以將力學的學習與后續專業課程進行有效融合，使學生的力學知識和專業知識“點”，通過工程案例連成“線”，再通過工程實踐連接成“面”；可以密切理論教學與工程實踐之間的聯系，鞏固學生的理論知識；可以發展學生的創新精神和科研意識，培養學生的工程意識和責任意識，使學生樹立正確的職業觀和工程倫理觀。案例教學法為解決傳統力學教學與后續專業課程、畢業設計、工程實踐脫節等難題提供了一條有效的途徑，加強了學生職業崗位能力的鍛煉，實現了學生自身發展與社會持續發展的雙需求。

四、案例教學應注意的問題

（一）案例教學與理論教學的融合問題

在工科力學教學中，引入案例教學，并不是拋棄原有的理論教學，兩者不沖突，不矛盾，案例教學與理論教學存在融合問題，不是所有內容都適合運用案例教學法。在教學中要從教學需要出發對力學課程中一些重要的、核心的、應用性強的內容，精選案例。在教學中，先通過理論教學使學生對力學基本概念、基本原理、基本方法理解透徹后，再引入案例進行分析討論，使力學理論回歸工程實踐，最后通過案例總結、評述和案例書面報告，升華學生對力學理論的理解和掌握，使學生建立將所學理論應用于工程實踐的工程意識，培養其工程素養。

（二）高素質專業師資隊伍的建設問題

力學教學要回歸到工程實踐，這對力學教師提出了一個更高要求，教師除了具有豐富的力學知識外，還要有豐富的專業知識、工程實踐經驗和寬闊的知識領域。進行力學教學內容與課程體系改革，必須深入分析不同工程類專業的工程師對力學內容的職業要求，以及力學后續課程的教學內容改革對力學教學內容提出的要求。因此，教師要不斷提高自身的業務素質，才能游刃有余地引導學生去思維和創新，使學生享受課程帶來的樂趣，培養出更多具有高素質的工程師和技術師。

（三）現代教學手段的運用

學生在學習力學課程時，一般都缺乏專業知識，對工程現場了解不多，因此，應用案例教學需要借助多媒體等現代化教學手段，通過現場照片，圖片或動畫等方式向學生展示工程實踐，而不能單靠語言進行描述。現代化教學手段的運用，可以提高案例教學的生動性，進一步增強力學案例教學的效果。

五、結語

工程教育專業論證制度正在工程教育類專業中掀起新一輪的教學改革大潮，這場教學改革是一個巨大的、長期的、艱巨的、系統性很強的工程。力學教學回歸工程實踐，實質就是力學課程的教學體系由“科學范式”改革為“工程范式”，其實質在于典型力學教學案例的開發、案例教學法的應用。應用工程案例構建力學課程和教學內容體系。這項工程亟待更多教育工作者和工程人員投入更多的時間和精力，為工科的教育回歸工程增添一份生機與力量。

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Developing typical cases and deepening teaching reform on basic

mechanics of engineering specialties

DANG Lingbo， WU Yanping

（The Huanghe Science and Technology University， Zhengzhou 450063， P. R. China）

Abstract： By learning professional standards of engineering education demonstration and based on years of engineering teaching experience， we analyzed the main problems of the basic mechanics undergraduate teaching. Typical cases were used to build the curriculum system and teaching contents， and case teaching was used to cultivate students’ abilities of applying engineering and technology into practice.

Keywords： case study； mechanics courses； engineering practice

（編輯 梁遠華）