工程力學應用型人才培養與教學研究

林加劍

摘 要： 根據應用型人才培養目標，教師應以工程力學教學內容為基礎，將知識點與工程實例相結合，激發學生興趣，拓寬學生視野，精選工程實際問題，采用理論分析、數值計算、實驗研究三種方法解決問題，提高學生解決問題的能力，夯實力學理論基礎。

關鍵詞： 應用型人才 教學研究 工程力學

一、應用型人才培養模式下的工程力學教學現狀

應用型本科教育是一種新型本科教育，是隨著科學技術的發展及高等教育由精英教育向大眾化教育的轉變形成的。應用型人才是指能將專業知識和技能應用于所從事的職業的一種專門人才類型。他們不僅要系統掌握與崗位相適應的專業基礎理論和知識結構，還要具備較強的獲取知識和應用知識、分析問題和解決問題等綜合能力[1]。對于機械專業的學生來講，企業需要他們有夯實的專業基礎知識，并將理論應用于實踐，特別強調具備與一線生產實踐相結合的實驗、制圖、計算機等專業技能和基本工藝操作技能。這種現狀對高校的教育方式提出了新要求，同樣工程力學作為機械專業的核心課程，其教學模式需要進行一系列改革和思考。

工程力學是工科類專業的一門重要的核心課程，在基礎課與專業課之間起著承上啟下的作用，它的重要性是毋庸置疑的。傳統工程力學教學大綱比較強調理論的系統性和公式推導的完備性，這需要學生有一定的數學基礎。工程力學有其固有的特點和難點，如內容豐富、概念多、定理多、理想模型多、邏輯性強、推理抽象、數學應用多等[2]。另外，目前教學改革形勢比較偏向于教學內容的增加和教學課時的減少，隨著高校擴招，上課學生人數增多，教師多采用多媒體教學，無形中加快講課速度。上述各情況均在教學中引起了一系列問題，根據多年的教學經驗可知，經常有一些學生因為課程本身的難度和數學基礎的缺乏，在開課初期就感覺到學習存在困難，甚至開始逃課，完全放棄本課程的學習；由于課時較少，上課進度較快等原因，一部分學生無法跟上老師的講解速度，隨著疑點、難點的積累，很容易產生厭學情緒，還有一部分學生初期比較認真，隨著課程的深入講解，無法及時形成知識系統，陷入一個個概念和公式的怪圈中[3]。少數同學可以比較系統地掌握本課程的理論知識，能否將知識靈活運用于實踐中則是對其提出的一個新挑戰。基于上述情況和局面，必須對現有工程力學的課程內容、教學方法等環節進行一系列改革，以便實現應用型人才培養目標，才能取得讓人滿意的結果。

二、基于應用型人才培養模式的工程力學教學改革思路

1.工程意識培養

錢學森認為力學工作者必須用理論解決工程技術問題，而理論分析需要有正確的抽象和概括，使分析得到簡化，從而解決全局性問題。工程力學具有兩重性，既有科學基礎性的一面，又有技術應用性的一面。工程力學在材料、機械、航空航天、交通水利等工程領域有非常重要的作用，它是許多課程的先修課程，又與許多后續課程有著密切聯系，是學生從理科基礎進入工科應用的橋梁。所以，開課初期就應該讓學生了解工程力學在工程中的重要地位，不能把工程力學僅當成一門理論課程。教師在授課過程中要時刻將理論知識與工程實踐相結合，潛移默化地培養學生的工程意識及學習興趣，提高其學習積極性。這樣的教學才可以真正做到學以致用，才可以成功地將學生從理科世界帶入工程世界，才是應用型人才培養的核心內涵。

教學過程中，在講解理論知識之前，教師應該盡量提供相關工程實例，采用啟發式或引導探究式教學方法。另外，教師應該充分利用多媒體工具，精選一些與學生專業相關的工程實例，盡量使課堂上講解的例題均來自于工程實例或是實例的簡化，力爭將分析的問題與機械工程背景對應。比如，講扭轉這一章時，先讓學生看一些汽車傳動軸、汽車方向盤等涉及扭轉的圖片或動畫，從實物圖引出要解決的問題繼而進入理論知識的學習，即扭轉的概念、扭矩的計算及扭矩圖的畫法等，最后將前面提到的實例簡化為力學模型，作為本章的練習題，讓學生學以致用，又如學習靜力學中的平面平行力系的平衡時可結合起重機或吊塔平衡時的重物重量與配重之間的關系，學習材料的強度剛度校核時可結合機械加工用的鉆床立柱的折斷及彎曲對鉆孔精度的影響，學習彎曲變形時可結合橋梁的倒塌，學習壓桿穩定時可結合翻斗貨車的液壓機構中的頂桿發生穩定失效等實例。這樣，不僅可以提高學生建模能力，更促使其牢固地掌握理論知識，還可以使學生認識到工程力學在工程中的重要性。

2.引入數值計算的概念。

1941年A.Hrennikoff首次提出了用離散元素法求解彈性力學問題，1960年R.W.Clough教授首次提出了“有限單元法”的概念，并發表了論文“平面應力分析的有限單元法”，自此，有限單元法在力學界迅速發展起來。到20世紀80年代初期，數值模擬技術通過計算機程序在工程中得到廣泛應用。目前，數值計算已成為解決現代工程學問題必不可少的有力工具。在教學中引入數值計算是一種必然結果，一方面，數值計算工程師已成為目前企業的緊缺人才，而高校中僅有部分碩士生在科研項目中有機會學習數值計算理論，掌握數值分析軟件。本科生對此則幾乎沒有了解。另一方面，數值計算軟件在科研項目中的應用越來越廣泛，選擇繼續深造的本科生提前接觸數值計算理論和應用，對其提前進入碩士階段的研究課題有很大幫助。

在工程力學中引入數值計算方法，是一種具有前瞻性和挑戰性的大膽建議。雖然有不少學者提出過將數值計算引入教學中[4]，但受限于課時和學校的硬件條件，實踐效果甚微。對數值計算在工程力學中的應用，主要有以下建議：第一，簡單講解數值計算理論，偏重分析軟件的應用。本科生無需花費大量時間掌握深層次數值計算理論，而數值分析軟件的熟練應用則能不斷深化教材內容，順應時代需求。第二，提倡學生組隊合作，課后自學軟件，分工合作完成相關案例的數值分析。以競賽的形式比較各組的計算精度，結果計入平時成績。數值計算代替部分手動計算，既不需要占用課堂時間，又能提高學生完成作業的積極性。第三，有相關課題項目的教師可邀請學生參與進來，幫助其完成簡單的數值計算工作，并給予一定的生活補助。教師可將自己進行數值計算的時間用于學生學習軟件的指導上，則可有更多時間用于教學，學生也會更有激情地投入學習和工作中。

3.實驗研究

積極開展實驗教學，開放力學基礎實驗室，鼓勵學生根據自己的興趣，探索發現問題，提高實踐動手能力，實驗教學除了用于驗證力學原理和數值計算的正確性外，還能幫助學生提高學習興趣，培養動手操作能力，還能激發學生的創新能力及利用力學理論知識的能力[5]。

目前，由于高校招生人數的逐年增加，而學校實驗室儀器數量有限，且基本都是定時開放，在固定的課時安排下，每位學生都能親手實驗存在一定困難，因此，面向學生開放實驗室是必然的，力學實驗中心應積極實行網絡化、開放式管理，創建力學實驗教學網站，為學生提供便捷的學習平臺，創建開放式的實驗教學環境，讓學生有更多機會動手操作，讓對教學安排外的實驗有興趣的同學有機會進行練習，將學生被動實驗、被動學習轉變為主動實驗、主動學習。另外，可以按照教學大綱、不同專業特點和不同學生要求，對實驗內容進行分層次教學，如可分為基礎型、提高型和創新型實驗，或分為必做型、選做型等。在教學規定的課時內，在確保基本力學實驗完成的前提下，鼓勵學生自主選擇部分創新實驗進行練習，這樣更符合應用型人才的培養需求。

另外，要求學生深入分析實驗結果與理論計算的誤差，鼓勵學生自己分析誤差來源，并提出減小誤差的可行性方案。在實驗教學中增加中期考核環節，學生分組合作，確定實驗目的，明確實驗原理，指定實驗方案，最后進行實驗，并分析實驗結果。小組成績計入平時成績，提高學生的實驗積極性。

三、以壓桿穩定為例的教學模式演示

進入壓桿穩定的學習之前，先準備一些相關實例材料，讓學生意識到壓桿穩定計算的重要性。具體教學安排為：引進美國《時代周刊》日前評出的百年世界十大最惡劣塌橋事故之一——魁北克大橋坍塌，對此次事故進行簡單的講解，并分析坍塌原因，最后總結出事故原因為設計師忽略對橋梁的精確計算而引起結構設計缺陷，最終導致事故的發生。在該案例中讓學生意識到力學計算的重要性。接著提供如圖1所示的幾個實例圖片，并分別將其應用到的壓桿穩定知識和工程實例結合起來，把形象思維和邏輯思維結合起來，把理性思維與直覺結合起來，激發學生對本章節知識的學習興趣。然后，介紹本章的教學目標和重難點，接著進行知識講解，在教學過程中注意教學風格多變，時時與工程實例相結合。

教學中需精選例題，并盡量選擇工程實例，建立力學模型，然后利用所學知識點進行分析計算，這樣可以提高學生的建模能力，有利于學生將所學知識應用于實際中。現以蒸汽機活塞桿的穩定性校核為例展示例題教學過程。

在例題教學過程中，可以進行如下教學設計。

（1）給出實際生活中的蒸汽機應用實例簡單講解蒸汽機的工作原理，強調蒸汽機活塞桿穩定性校核的重要性，啟發學生從實例中提取出科學的問題：活塞桿的穩定性問題。

（4）設計合理的思考問題，加深學生對知識點的理解，并將其應用到實際工程實例中。如（1）若活塞桿承受的壓力變大為200kN，計算活塞桿是否穩定？并分析受力大小對其穩定性的影響程度。（2）上述條件下活塞桿不穩定，可采取哪些措施

例題講解結束后，組織學生分組，課后分析本例題的數值，通過數值實驗觀察蒸汽機的工作原理和桿的變形，計算活塞桿的受力等，探討數值分析與理論計算之間的誤差來源，并給出優化計算結果的方案，提高學生的軟件應用能力，增強學生思考問題的主動性。

另外，針對本章的理論知識，結合實驗室的現有器材，進行單桿雙鉸支壓桿穩定實驗，用電測法測定兩端鉸支壓桿的臨界載荷，并與理論值進行比較，驗證歐拉公式，觀察兩端鉸支壓桿喪失穩定的現象。強化知識點，提高學生動手能力。最后，在本章內容講解結束后，除了經典例題的練習外，還可組織課后小制作競賽，如讓學生用若干根塑料吸管和線繩制成一個承受壓力的結構，要求結構高度不低于吸管長度。分小組進行比賽，以承重最大者為勝，并讓學生思考此模型承重的影響因素，總結活動經驗。

四、結語

將“源于工程應用，服務于工程應用”的思想貫穿整個教學階段，突破傳統照本宣科的枯燥教學模式，使學生掌握基本力學知識點，增強工程應用概念。即應結合數值計算和實驗研究，培養學生自主發現問題、解決問題的能力。

參考文獻：

[1]許衛群，徐云杰，胡瀟毅.機械專業應用型人才培養力學教學研究[J].教法研究，2013（25）：58-59.

[2]史文譜，張春萍，方士杰等.工程力學教學改革初探[J].高等教育研究，2009，26（2）：27-29.

[3]張麗.論力學教學中學生綜合能力的培養[J].課程教材改革，2012（1）：79-80.

[4]毛軍，薛琳，熊艷.在本科力學課程中引入計算力學內容的可行性分析[J].北京交通大學學報（社會科學版），2003，2（2）：54-59.

[5]劉玉慶，劉玉梅.本科力學實驗的創新化教學[J].科技信息，2012（1）：308-315.

基金項目：安徽大學第二批青年骨干教師（02303301）；安徽大學第一批應用型教學示范項目（17110164）。