省屬高校小學期基礎力學綜合訓練設計與實踐

趙增輝 李龍飛 邢明錄 陳俊國

（1.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.礦業工程國家級實驗教學示范中心（山東科技大學），山東 青島 266590）

○、引言

山東科技大學作為山東省重點建設的應用基礎型人才培養特色名校，正在由規模擴張轉入內涵發展與核心競爭力提升。近幾年，學校圍繞應用型創新人才培養目標，提出了“優勢、特色、內涵統籌兼顧，知識、能力、素質協調發展”的實踐教學建設與改革理念，先后實施了“優質課程工程”“實踐強化工程”等教學改革“十大工程”，并積極探索與應用型創新人才培養相適應的多樣化人才培養模式。為彌補大學生實踐實訓技能的短板，我校從2014級開始實施三學期制度，其基本構成就是把一學年分成兩長學期和一小學期，并且在保持總的教學周數基本不變的情況下，在原有的兩個長學期壓縮后分別抽出較少的幾周在暑假前安排小學期。兩學期理論授課時間均為十六周，小學期一般為四周。如何適應三學期制，實現優質教學資源共享，加強課程建設，創新人才培養模式，提升教師素質，提高理論教學質量和教學效果是需要深入研究的問題。

基礎力學（包含理論力學、材料力學和工程力學）是高等院校工科類各專業必修的一門重要的專業基礎課。力學教學不僅要求學生掌握其理論知識，更重要的是加強對學生實踐能力的培養。近年來，很多兄弟院校在基礎力學系列課程理論教學體系、實驗教學體系以及教學資源建設等方面進行了卓有成效的教學改革［1-8］。但對于省屬高校來說三學期制是一個新生事物，如何安排學生四周的學習活動，特別是對于基礎力學這類既強調理論基礎又可以直接進行工程應用的課程，是需要深入探索的問題。

一、基礎力學教學中存在的問題

力學這門學科有其獨特的魅力，小到一根螺栓的強度問題，大到航空飛機、宇宙飛船的受力問題都離不開力學知識。力學不僅滿足學生學習后續專業課的要求，也滿足學生畢業后從事專業工作、新項目研究、開發和繼續學習的要求。在基礎力學課程教學中實施改革，對鍛煉學生的初步研究能力和創新精神具有得天獨厚的條件。然而，目前基礎力學教學因受學時限制或者平臺建設缺陷而存在如下問題。

其一，基礎力學知識構架零散。教學過程中一般著重強調各門課程的完整性與嚴密性，而對各門課程之間的聯系介紹得不多，至于對整個力學體系的介紹則更加少。這種教學方法導致學生學習完之后只見樹木不見森林，缺乏對基礎力學知識概貌的了解。同時，所學的知識相對零散、割裂，難以在頭腦中形成完整的知識體系并對所學的知識實現融會貫通。

其二，對學生的工程視野開拓重視不夠。在以往的力學系列課程教學中，教師通常重視講授教材上的經典力學知識，而對相關力學理論的工程應用背景及應用案例引入較少。這導致一些學生力學知識視野比較狹窄，對力學課程學習缺乏興趣。

其三，缺少對學生研究能力和創新能力培養的環節。教學中普遍偏重知識傳授，而輕視對知識點探究的能力和實踐應用能力的培養，導致學生對于已經學習過的經典題目能夠比較熟練地計算，但是面對實際工程中的具體對象時卻不善于抓住問題的力學本質，難以抽象出力學模型。同時，在解決實際問題時思路禁錮，不善于推陳出新。

綜上所述，基礎力學教學存在力學知識體系構建不完整、知識點深度和寬度講授不夠、工程應用不重視、創新和實踐能力培養環節缺失等問題。如何更多地結合工程技術實際，使學生切實感受到基礎力學在提高自己專業素質的實際意義和價值；如何引導學生從更深的層次上分析和理解力學知識，使學生創造性地應用力學概念、原理和公式去分析和解決復雜的工程實際問題，是基礎力學教學中需要解決的問題。

二、小學期基礎力學綜合性項目的設計與實踐

我校在基礎力學教學中逐步構建了由“理論教學體系、實驗教學體系、創新與實踐活動”三主線并進，“課堂教學、知識拓展、實驗技能、實踐應用”四環節并行，理論與實踐并重的工科基礎力學教學體系框架［9-11］（如圖1所示）。

為增加學生基礎力學綜合應用環節，提升創新與實踐活動的效能，我校基礎力學教學團隊在2014年本科專業培養方案修訂中提出了增加“基礎力學課程設計”的設想，適逢學校從2014級開始進行學制改革。因此，我們向學校建議在本科專業二年級的小學期增加基礎力學創新設計與實踐環節，目前正在力學專業進行試點。

圖1 工科基礎力學教學體系框架

基礎力學創新設計與實踐屬于一門實驗實踐課程。設置這門課程的目的是使學生在完成理論力學、材料力學理論課程學習后，依托山東省骨干學科力學實驗中心的開放實驗室，綜合運用力學的基本概念和基本理論創新設計作品，強化基礎力學知識的學習，在自主的條件下實驗，在工程的背景下實踐。也就是通過實驗測試手段達到掌握用力學方法解決工程問題的目的。通過本課程的學習，全面提高學生的綜合素質和創新能力，提高學生分析問題和解決問題的能力，培養學生的創新能力和工程實踐能力。

基礎力學創新設計與實踐課程以團隊形式開展學習活動。三四人為一個團隊，為加強男女生的交流，采取男女混搭組隊。學生要在兩周的時間內完成四個綜合性的設計項目，其中包括理論力學和材料力學問題各四個。作品包括設計文本和實物模型兩部分。每個設計題目均應寫出完整的解決方案，包括設計方案、理論計算、實驗驗證等，最終形成《基礎力學創新實踐》規范文本。實物部分要制作兩個相同的作品，一個用于實驗測試，另外一個由實驗室留存。學生完成作品后，最后一個環節是制作幻燈片進行現場答辯。綜合性項目的設計參考了全國周培源大學生力學競賽、全國大學生結構設計大賽以及各學校組織的各類比賽題目。題目設計上需適應我校力學實驗中心的設備要求以方便開展測試。以下以2014級力學專業小學期創新實踐題目為例進行說明。

第一題：找家鄉的形心

該題目要求確定本團隊其中一位隊員的家鄉所在市地圖的形心位置，并以東經×××.××°和北緯××.××°的形式將其表示出來。需采用實驗測試、理論計算、計算機軟件三種方法進行分析。

該題目是在第九屆全國周培源大學生力學競賽團體賽題目的基礎上進行的拓展，學生解答起來思路比較清晰。比如在實驗測試中可以采用懸掛法，大部分團隊采用A4紙打印了所求地圖，但由于A4紙太過單薄，學生又改用質量較好的瓦楞紙來剪裁圖形，如圖2所示。

圖2 裁剪后的瓦楞紙圖形

理論計算則將地圖描繪在坐標紙上，采用靜力學求形心的方法，將圖形進行分塊求解。計算機方法首先將地圖邊界以外部分用Photoshop剪裁后導入CAD中，生成面域，建立參考坐標系后，通過特殊命令可以直接找出形心位置。通過這三種方法的比較分析可以進一步提高求解的準確度。通過該題目訓練，學生掌握了求解形心的各種方法，并熟悉了MATLAB和AUTOCAD等數據處理和繪圖軟件。

第二題：承受靜壓載荷的臺式結構設計

該題目要求設計一個工程臺式承載結構的實驗室模型并進行加載破壞試驗。材料限用打印紙、文具用膠水、軟線，上下端面用包裝瓦楞紙板（可利用商品廢棄包裝箱截取），層數和組合方式自定。圖3為某團隊設計的三棱柱型支撐平臺。該結構的主體為九根垂直地面的長支柱，每三根為一組固定在瓦楞紙上，每根呈空心圓筒狀。每一根長支柱由兩根短圓筒通過銷接組成，上下表面均為瓦楞紙板，互相平行。結構側面采用細圓管為輔助支撐結構。整個模型上下對稱，使每根相等圓柱受壓均勻。學生在設計中充分考慮了截面圖形幾何性質、壓桿穩定、二力桿、連接點受力等眾多問題。

圖3 承壓平臺設計圖

圖4為該平臺的加載失穩曲線。測試結果表明，結構最大承載力為445N，自重為150g（1.47N），結構自重比為302.72。上升階段出現突變是由于加載過程中出現了相對滑動和桿之間出現相對錯動。學生通過該題目能夠實現材料力學知識的串聯，并掌握實驗測試方法。對加載曲線出現的異常能夠結合力學知識進行解釋，極大地激發了學生的學習興趣。

圖4 支撐平臺加載失穩曲線

第三題：橋梁模型的優化設計與制作

該題目要求設計一個只有一個主跨，次跨不限，且具有工程參考價值的橋梁，材料同第二題。要求能實現三點彎曲加載。評價方式為結構模型在靜載下的力學行為，如撓度、承載能力、最先破壞位置、穩定性，兼顧考慮設計方案、結構造型及工藝水平。題目比較開放，給了學生極大的發揮空間。如圖5為學生在進行斜拉橋的加載試驗。

圖5 斜拉橋加載試驗

圖6為該模型的三點彎曲加載曲線。根據曲線特征，學生從實驗設計誤差、材料誤差、模型制作誤差等多個方面對該橋梁的理論承載能力、實測值進行了比較分析。這些能力是在平時作業中無法訓練出來的。

圖6 橋梁的加載曲線

第四題：機構設計

該題目要求利用運動學知識設計制作一個機構，利用該機構，可以把原始圖形在x方向放大一倍，在y方向收縮為原始圖形的一半。該題來源于第八屆全國周培源大學生力學競賽團體賽，我校學生在參賽時該題做得非常不理想，因此，我們特意將該題移植到小學期創新設計中進行訓練。圖7為某團隊設計的圖形變換裝置示意圖。用薄木條及銷釘設計制作平面運動機構，利用菱形的對稱性，使得機構中的兩支筆，一支沿著原始圖形的外部邊界運動，另一支筆畫出變形后的圖形，實現圖形在兩個方向上的放大與縮小。

圖7 圖形變換裝置示意圖

圖8是對第一題所用地圖進行的變換結果。制作與安裝機構時產生的誤差會對變換效果有一定影響。通過該題，學生進一步加深了對運動學知識以及坐標變換相關理論的理解，有的學生甚至進一步制作了該裝置的動畫。

圖8 地圖圖形變換

學生經過為期兩周的設計實踐，強化了基礎力學的理論，通過理論與實踐結合極大地提高了學習興趣。很多學生在最后答辯中很中肯地分析了自己團隊在理論儲備、實驗能力、數據分析乃至團隊合作方面存在的問題。

三、結論

山東科技大學作為山東省重點建設的應用基礎型人才培養特色名校，正在積極進行教學改革，以適應應用基礎型人才的培養需求。其中三學期制的實施給基礎力學的教學模式和教學方法改革帶來了機遇與挑戰。本文就如何在小學期開展基礎力學教學工作進行了初步探索，所得的主要結論及存在問題如下。

（1）小學期開展基礎力學創新設計與實踐環節，可以實現與理論授課、課程實驗的對接，形成理論→試驗→創新實踐層層遞進的教學體系，從知識的片段化到綜合運用，逐步增強學生的力學理論功底和應用能力。

（2）以團隊形式開展創新設計，可以提高學生的協作能力和動手能力，使學生清醒地認識到團隊協作能力在科學研究中的重要性，鍛煉學生的研究思維，起到課堂教學無法取代的作用。

（3）目前，基礎力學創新設計與實踐環節在力學專業還處于試點階段，如何利用有限的平臺在各工科專業鋪開推廣，是需要進一步探索的問題。