《工程力學(xué)》課程教學(xué)和實驗改革模式探討

陸仁強

摘要：《工程力學(xué)》是“大土木”專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，對于土木專業(yè)學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)及工作起著基礎(chǔ)性理論支撐作用。本文針對該門課程理論性強、課時有限、學(xué)習(xí)難度大等特點，提出從教學(xué)方法和手段、課程考核方式、實驗設(shè)計以及力學(xué)競賽等四個方面對該門課程的教學(xué)模式進行改革探討，最終形成一套系統(tǒng)的教學(xué)和實驗綜合改革模式，以為應(yīng)用型土木專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)提供理論依據(jù)和決策支持。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)；課程教學(xué)；實驗；改革模式；微課

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）29-0102-02

一、課程概況和改革目標(biāo)

《工程力學(xué)》是“大土木”專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在航空、交通運輸、土木水利等工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。工程力學(xué)包括靜力學(xué)、材料力學(xué)兩大部分內(nèi)容，其主要任務(wù)是使學(xué)生掌握物體的受力分析和平衡規(guī)律；掌握基本構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性問題的分析及計算；具備將工程中的力學(xué)問題簡化為力學(xué)模型并運用相應(yīng)的力學(xué)公式進行求解的基本能力，具備解決工程實際問題的基本能力。該課程的主要目的是通過對簡單構(gòu)件的受力分析及強度、剛度和穩(wěn)定性計算，實現(xiàn)為工程設(shè)計提供理論基礎(chǔ)與決策依據(jù)的目的。因此，本課程的學(xué)習(xí)對于土木專業(yè)學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)及工作都起著重要的基礎(chǔ)性理論支撐作用。鑒于該課程理論性強、課時有限、學(xué)習(xí)難度大等特點及其重要性地位，本文特對《工程力學(xué)》課程教學(xué)和實驗改革模式進行探討，以提出一套既利于教師教學(xué)、又利于學(xué)生理解掌握的教學(xué)和實驗綜合改革模式。

二、教學(xué)方法和手段改革

1.充分利用多媒體及網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)。由于《工程力學(xué)》課程主要講授的是工程建設(shè)領(lǐng)域的梁、軸、柱等構(gòu)件的受力及功能設(shè)計問題，與工程實際問題結(jié)合緊密，其課程理論性強、工程結(jié)合緊密，而教學(xué)學(xué)時有限的特點特別突出。為有效解決上述問題，在《工程力學(xué)》課程改革中可采用多媒體與傳統(tǒng)板書相互結(jié)合的授課方式。在教學(xué)中，教師可充分發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢，多媒體授課不僅可以節(jié)省大量板書的時間，而且可以引入大量的動畫、工程實例等，其圖、文、聲并茂及較好的交互性特點可提高學(xué)生的感性認(rèn)識、傳輸更多的教學(xué)信息，這樣更利于學(xué)生的理解和掌握。其次，在《工程力學(xué)》課程教學(xué)時，針對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的特點，加強案例教學(xué)的內(nèi)容與時間。實踐證明：省略大量繁雜的理念推導(dǎo)過程，把時間用于案例教學(xué)上，更能讓學(xué)生牢固掌握理論知識并能靈活運用，真正把所學(xué)應(yīng)用于工程實際。同時，課后教師還可以借助QQ群、微信等網(wǎng)絡(luò)平臺與學(xué)生進行及時交流，通過輔導(dǎo)答疑、學(xué)習(xí)進展追蹤等進一步提高教學(xué)效果。

2.采用啟發(fā)、互動式教學(xué)。《工程力學(xué)》課程的工程應(yīng)用性決定了其每一章節(jié)知識點的開展基本都是圍繞具體的工程實例開展的，而土木專業(yè)的學(xué)生在日常生活、學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)對房屋建筑中的梁、柱等實際工程構(gòu)件已經(jīng)有了一定的感性認(rèn)識。因此，教師在授課時可有效結(jié)合課程的實際特點，通過教室里面的梁、柱、門等實際工程構(gòu)件的受力特點、變形規(guī)律等對學(xué)生進行啟發(fā)、互動式教學(xué)。如在講授房屋建筑中最為常見的梁、柱、板構(gòu)件時，可讓學(xué)生對教室的結(jié)構(gòu)進行觀察，首先分辨出什么是梁、柱構(gòu)件，然后啟發(fā)學(xué)生思考梁和柱兩種工程構(gòu)件在受力載荷特點、變形特點、主要工程作用方面有什么不同。在學(xué)生們充分思考和討論后，最后由教師對上述問題進行詳細講解，這樣可讓學(xué)生很快地了解基本構(gòu)件的概念，并熟練掌握荷載作用的基本原理等知識。

3.微課教學(xué)手段的引入。近年來，網(wǎng)絡(luò)和多媒體教學(xué)方法逐步成為各類教學(xué)活動的主流教學(xué)手段。但隨著應(yīng)用的發(fā)展，多媒體教學(xué)模式也具有一定的缺陷和不足，如：很多教師課程教學(xué)多以宣讀PPT為主，滿堂灌，學(xué)生在PPT中迷失，找不到教學(xué)重點和難點等。因此，需要組織一些主題明確、時間精短，能詳細展示重、難點的多媒體片斷及課后自助學(xué)習(xí)的互動平臺來深化學(xué)習(xí)效果。也正是為有效解決上述問題，“微課”教學(xué)模式逐漸在全球范圍內(nèi)興起。“微課”以微型的知識點講解為主，通過簡短的微視頻，借助文字、聲音或動畫等多媒體技術(shù)，并配以相應(yīng)的作業(yè)與討論，設(shè)計開發(fā)的時長在5～10分鐘。“微課”教學(xué)模式不僅提供給教師一個知識挖掘的平臺，還告訴學(xué)生如何根據(jù)學(xué)習(xí)所需搜索相應(yīng)的資源，自主地挖掘所需的知識點、有針對性地開展學(xué)習(xí)，并且這種主題集中的“微課程”能夠有效地節(jié)約學(xué)習(xí)時間。鑒于上述“微課”教學(xué)模式的優(yōu)點，作者特提出在以后《工程力學(xué)》課程教學(xué)中引入“微課”教學(xué)模式，與課堂教學(xué)有效結(jié)合，達到更好的教學(xué)效果。

三、課程考核方式改革

教學(xué)質(zhì)量是高等院校辦學(xué)的立校之本，而考試又是檢驗教學(xué)質(zhì)量的最基本、最重要的手段。《工程力學(xué)》課程作為一門專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，其學(xué)習(xí)的好壞直接關(guān)系到后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。鑒于該門課程的理論性特點及重要性地位，本文特對該課程的考核方式進行有效改革，在以往傳統(tǒng)的期末考試方式基礎(chǔ)上，注重加強對學(xué)生平時上課學(xué)習(xí)、必修實驗以及開放性實驗、力學(xué)競賽等第二課堂學(xué)習(xí)等方面的考核，其中：平時成績占20%（包括學(xué)生出勤、上課回答問題、開放性實驗參加積極性等方面），實驗成績占10%，期末考試占70%，重點對基本概念和方法等知識點進行考查，采用多樣性的題型對學(xué)生學(xué)習(xí)的掌握程度進行全方位考核，考試題型及難易度分值比例設(shè)計如下。

四、實驗設(shè)計

1.實驗室實驗設(shè)計。力學(xué)研究方法包括理論分析方法、實驗分析方法和計算機分析方法。其中，實驗研究方法在力學(xué)領(lǐng)域占有十分重要的地位。實驗教學(xué)是《工程力學(xué)》課程教學(xué)的重要組成部分，它與理論教學(xué)相輔相成，實驗是力學(xué)理論的基礎(chǔ)，理論也需要實驗的驗證。力學(xué)實驗方法可以用于檢驗理論分析的正確性，檢驗工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、安全性和可靠性。對于已經(jīng)投入運行的工程結(jié)構(gòu)，例如高層建筑、大型橋梁等，為了確保安全，需要對這些結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)、動態(tài)的應(yīng)力和位移進行實時監(jiān)測，這些實時測試都是以力學(xué)實驗技術(shù)為基礎(chǔ)的。鑒于上述力學(xué)實驗對于理論課程學(xué)習(xí)、工作的重要性和意義，特在《工程力學(xué)》課程嘗試開設(shè)下列必修實驗和開放性試驗。

2.數(shù)值模擬實驗設(shè)計。長期以來《工程力學(xué)》實驗內(nèi)容屬于常規(guī)、驗證性試驗，內(nèi)容單一，缺乏綜合性、創(chuàng)新性試驗，難以提高學(xué)生的動手能力和培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，借助現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)虛擬模擬《工程力學(xué)》實驗，并依靠數(shù)值模擬軟件強大的后處理功能，將虛擬模擬的實驗結(jié)果直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前。目前比較常用的數(shù)值模擬軟件有基于離散元原理的UDEC、3DEC，還有基于有限元原理的ABAQUS、ANSYS、MARC等，這些軟件具有強大的前處理及后處理功能，對于模擬《工程力學(xué)》中的實驗非常有利。通過數(shù)值模擬實驗將《工程力學(xué)》的教學(xué)與數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合起來，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和分析創(chuàng)新能力，減小學(xué)時少對課程教學(xué)的影響，還可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的計算機應(yīng)用能力。為此，本次《工程力學(xué)》實驗教學(xué)改革將引入數(shù)值模式技術(shù)進行實驗教學(xué)探討，如：懸臂梁橫力彎曲現(xiàn)象模擬、矩形截面梁應(yīng)力集中現(xiàn)象的模擬等。

五、力學(xué)競賽及第二課堂開設(shè)

為有效提高學(xué)生對于《工程力學(xué)》課程學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新意識，做好全國大學(xué)生周培源力學(xué)競賽和湖南省大學(xué)生力學(xué)競賽的工作，落實教育部關(guān)于教學(xué)質(zhì)量工程和教學(xué)改革工程，提高應(yīng)用型本科學(xué)生科技創(chuàng)新能力、實踐能力和就業(yè)能力，展現(xiàn)我校辦學(xué)實力，提升我校形象，力爭在大學(xué)生力學(xué)競賽取得更好的成績。特結(jié)合理論力學(xué)、材料力學(xué)（工程力學(xué)）課程的教學(xué)特點及教學(xué)團隊優(yōu)勢，開展力學(xué)競賽的初賽、專項培訓(xùn)、復(fù)賽等相關(guān)教學(xué)改革工作，并將學(xué)生的學(xué)習(xí)及參與情況納入專業(yè)學(xué)分方面的第二課堂考核。

六、結(jié)語

《工程力學(xué)》是“大土木”專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，對于土木類學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)及工作都具有重要的基礎(chǔ)作用。本文正是鑒于該門課程理論性強、課時有限、學(xué)習(xí)難度大等特點，提出從教學(xué)方法和手段、課程考核方式、實驗設(shè)計以及力學(xué)競賽等方面對該門課程的教學(xué)模式進行改革，最終形成了一套系統(tǒng)的教學(xué)和實驗綜合改革模式，該課程改革成果對于地方院校培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型人才將具有重要的意義和作用。

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