工程教育背景下工程力學課程知識體系的調整方案研究

王明祿

摘 要：工程力學是高等工科院校非機類工科專業的一門重要專業基礎課，隨著高等教育的不斷發展，特別是在當前工程教育背景下，工程力學教學改革已變得非常必要。本文作者結合實際教學過程中存在的問題，從工程力學課程知識體系調整的角度出發，分析了傳統課程體系改革的重要性，并且提出了若干條針對性調整方案，將這些調整方案在實際教學過程中加以實踐，實踐證明教學效果非常明顯。

關鍵詞：工程力學 知識體系 教學改革 工程教育

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（a）-0195-03

工程力學是高等工科院校非機械類工科專業各專業課程必要的先修課程，在后續專業課程的學習和專業知識結構的構建中起著不可替代的作用[1]。學生通過工程力學的學習，可以掌握工程實踐和設計過程中所必須的受力分析、及安全性評價與設計等問題的基本原理和方法，為后續專業課程的學習、工程問題的解決及科學研究打下良好的基礎，使學生具備專業培養目標所要求的各項能力[2]。隨著高等教育的不斷發展，特別是在當前工程教育背景下，許多高等院校非機類工科專業的工程力學授課學時被大幅度削減。但是，工程力學在專業課程體系中的地位是無法替代的，其基本教學內容的減少勢必影響其他課程的學習，為了學時限制于教學內容之間的矛盾，對傳統的工程力學教學體系做出實質性的改革已經變得刻不容緩。作者從根據多年的授課經驗，結合實際學情，分析了工程力學傳統課程體系改革的必要性，提出了若干條針對性調整方案，將這些調整方案在實際教學過程中加以實踐，實踐證明教學效果非常明顯。

1 現行課程體系調整的必要性

工程力學原有課程體系調整的必要性主要體現在以下兩個方面：一是工程力學授課學時迫于各種原因不得不做出削減。因此，照此下去已無法達到專業培養目標的要求。二是，現行的工程力學知識體系已嚴重阻礙了教師的授課需求和學生接受。

1.1 授課學時不斷被削減影響教學質量

近年來，許多高校的專業基礎課程教學都遇到了同樣的問題，即迫于學校教學計劃的調整授課學時被大幅度削減，工程力學自然會遇到同樣問題。以齊魯工業大學工業設計等專業為例，工程力學最初的授課學時是64學時，而現在為32學時。但是，工程力學在專業課程體系中的地位是無法替代的，為了后續課程能夠順利進行，許多院校的工程力學的基本教學內容已經少到了無法再減少的地步[3]。非機類工科專業的工程力學主要包括靜力學和材料力學，涵蓋的知識點較多，知識內容的前后邏輯性較強，這就對學生的學習過程提出了更高的要求。但是，當前形勢下，部分學生的學習積極性不高，任課教師在授課過程既要照顧學生的聽課興趣，又要保證授課內容的時間限制，對教師和學生都提出了很高的要求。

1.2 現行知識體系知識點不必要重復過多

大多數工科院校的工程力學教材內容體系基本相同，即在靜力學部分以受力分析為基礎，以平面匯交力系、平面力偶系、平面任意力系、空間力系為主線，在每一種力系中都講述其力系的合成與平衡，雖然在順序上由簡到繁、由易到難，但是這種知識體系重復內容太多，嚴重浪費授課學時。在材料力學部分以4種基本變形為主線講述構件的強度和剛度問題，進而講述即應力應變理論和組合變形及壓桿的穩定性問題，這也就是所謂的前蘇聯鐵木辛柯體系。在講述4種基本變形時，工程力學傳統知識體系均采用了類似的知識框架，即在先求出構件內力的前提下，采用類似解決材料力學中變形體靜不定問題的思路，推導各種變形下的應力計算公式，進而得到其強度條件和變形計算公式及剛度條件公式。如果教師以上述思路講解4種變形的變形和應力問題，表面上看似思路清晰，但是，仔細推敲后發現該過程中不必要的內容重復太多，嚴重浪費授課學時。同時教師難在教學過程中很難引入自己的東西，對于課堂效果的把握度不高，嚴重影響教師的授課效果和學生的學習積極性。

另外，對于工程力學中的很重要的靜不定問題，通常將其放在相應變形得章節進行講述，即靜力學中講授物體系統外力靜不定、拉壓變形中講授拉壓靜不定問題、扭轉變形時講授靜不定問題、彎曲變形時講授靜不定問題。這幾種靜不定問題雖然置于不同章節中，但是除了第一種以外求解思路基本一樣，即根據平衡關系的方程數目少于未知量的數目，但是系統各個構件之間的變形是滿足一定關系的，也就是幾何方程，本構方程和幾何方程之間沒有相同的未知量，需要通過本構方程聯系二者求解全部未知力。舊有知識體系的這種處理方式，不僅重復的內容過多，彼此之間相隔一定很長時間，每次遇到該問題都要回顧以前該類問題的求解思路，浪費學時且不利于學生的理解和接受。

綜上所述，現行知識體系知識點不必要重復過多，在一定程度上阻礙了當前的工程力學的教學進程，因此，為了適應的當前形勢，本課題所做的研究就變得十分必要了。

2 知識體系的調整方案

2.1 知識框架由特殊到一般變為由一般到特殊

對于靜力學中構件的平衡問題，由原先的先講特殊（平面匯交力系的平衡），轉變為從一般問題出發，先講授最一般的空間力系合成與平衡問題，然后將其平衡方程退化到特殊形式，即平面一般力系、平面匯交力系等。這樣由難而易知識點安排既節省了授課學時，又利于學生對知識的理解和掌握。對于材料力學部分的知識點，同樣考慮從一般問題出發，將復雜載荷作用下構件的6個內力分量全部引入，結合實例逐個分析每個內力的產生緣由和引起的不同變形，而后講解其中某幾個內力同時存在時引起的組合變形。這樣的知識點安排既利于學生接受，又大大節約了授課學時。同時，可遵循上述原則先引入應力應變狀態分析的內容，使學生首先在整體上對構件的變形問題有一個理解和把握，然后分別講授4種基本變形形式，即利于學生接受，又節約授課學時。這樣的知識體系下授課，可以使學生從一個較高的起點出發對后續知識點進行學習，學生對相關知識的理解和接受就會變得非常容易。

2.2 專題方式分析講解各類問題

為便于學生接受和節省學時，可將工程力學中的同類問題分解成若干專題進行講解，由于同一類專題具有相同的特點與規律，因此，這樣的方式更利于教師對于課堂的整體把握和學生對問題接受與理解。此方法的具體做法如下：在新知識體系的靜力學部分，分以下幾個專題進行講授。（1）靜力學的基本概念與基本定理：集中講授靜力學的基本概念和基本定理，為后續知識點作準備；（2）力系的合成問題，集中講授各種力系的簡化與合成；（3）力系平衡問題：集中講授各種力系的平衡問題。在材料力學部分，將構件4種基本變形的內力、應力及變形分成若干專題內容組織講述。（1）內力求解及作內力圖專題：該專題講解內力的概念、內力的種類、及截面法計算不同變形的內力等；最后分別講授拉壓、扭轉和彎曲的內力圖的畫法，同時總結出不同變形內力圖的相同點，進而得到其簡便作圖法；（2）構件的強度計算專題：該專題講授構件拉壓、扭轉和彎曲時的應力公式推導及適用條件限制、橫截面上不同變形的應力分布規律，最后建立構件強度條件。由于拉壓、扭轉和彎曲時，上述問題解決過程具有類似的推導過程，因此具體操作時，教師可以根據實際情況進行詳略處理，既節省的授課學時，又不影響學生對知識點的理解與接收。（3）構件的剛度計算專題：處理過程與應力及強度計算專題類似。

2.3 實驗課的處理問題

實驗在工程力學課程的知識體系中具有非常重要的地位。對于工程力學實驗，一般工科院校開具的內容一般包括低碳鋼和鑄鐵的拉壓性能測試、低碳鋼和鑄鐵的扭轉性能測試、彎曲和彎扭組合變形的電測實驗等，這4個實驗大約需要8學時。現在多數高校的做法是課堂講授理論后進行實驗。但是在大多數工科院校，學生數量多，而使得實驗室資源和教師資源相對短缺，因此不得不出現多個班級排隊做實驗的情況，且每組試驗的同學數非常多，這樣勢必會影響到教學效果。新知識體系中，可在相應知識點與實驗現象之間，選擇恰當的時機安排實驗，任課教師有目的地引導學生帶著問題去學習，提高學生的學習興趣和積極性，因此學生能夠主動分析實驗內容的相關原理，既可以引發學生的學習興趣，又能夠實現研究性教學的目的。例如：對于梁的彎曲的實驗，可在彎曲實驗后，讓學生分析試驗中產生的各個現象的力學原因，然后課堂上再講述與之對應的理論知識。這樣，既能激發學生的求知欲望，又利于學生實踐能力的培養。

3 工程力學新知識體系的優點

3.1 知識體系結構簡單而清晰

工程力學先一般后特殊的新知識體系，使原先復雜而重復的知識體系變得簡潔而清晰，無論對于教師的課堂授課還是對于學生對知識的接受理解都是十分有利的。在用調整后的知識體系授課時，以物體的平衡問題求解為例，由最一般情況下即空間任意力系的6個平衡方程及其應用出發，而后分別講解特殊力系（平面任意力系、平面匯交力系等）的平衡問題，使學生構件的平衡問題有了整體的了解和掌握，再講特殊力系平衡問題時，問題就會變得簡單而易于接受，學生的學習興趣和主動性自然會相應提高[4]。

本課題提出的工程力學新知識體系，其優點在于方便任課教師自上而下的闡述工程力學各個主要問題的本質與特點，更利于學生從整體上對相關的知識點進行理解和掌握，更有利于在實際問題中的應用。這種知識體系下，學生可以用一種全新的思路去理解原先不易理解的的基本知識點，能夠從本質上準確而全面的對所學知識進行把握。這樣，使學生從原先對知識點具體而片面的理解，一下子上升到準確而全面的整體把握。可有效避免在解決實際工程問題時，因對工程力學基本概念和理論理解不夠透徹，及對該問題的力學實質不能準確把握而引起的各種錯誤結果。從任課教師的角度出發，新知識體系提高了知識起點，更利于教師對課堂的把控，有效的控制課堂授課效果。因此，這種工程力學的新知識體系對于學生的學習和教師的授課都是十分有利的 [5]。

3.2 利于學生創造性思維的培養

在工程力學知識體系調整以后，更利于教師對學生的引導和對學生視野的開拓，并且這種新的知識體系也有利于對學生創造性思維的培養。例如，在講授構件強度計算專題時，由于拉壓變形的應力和強度公式較其他變形相對簡單，學生容易接受，教師可在此引入該專題的解題思路和特點，當學生對該專題的特點有一定的把握之后，再去講解其他復雜變形的強度問題時就變得簡單而易于學生接受了。也可以試著由學生自己來推導后續的公式，進而解決相應后續復雜變形的同類別問題。這樣的做法會收到多重的效果，一方面可以培養學生舉一反三、積極創新的學習能力，充分調動學生的學習積極性和主觀能動性，培養學生的解決問題的綜合能力。

3.3 利于學生職業素養和科研素養的培養

教師將自己的科研內容引入課堂教學是很多高校對老師提出的一個新要求，因此可以工程力學知識體系調整為契機，在課堂工程力學講授中，選擇恰當的地方適當融入有關的且學生感興趣的前沿性科研成果。當然，這對教師本身提出了更高的要求，只要教師能夠處理得當，就會收到意想不到的好的效果。新的事物可以激發學生的學習興趣和開拓學生的視野。同時，為了加強對學生思想道德的提高和教育，不少高校提出“德融課堂”要求，即在理論知識講授的同時加強對學生的思想教育。顯然，新的工程力學的知識體系更有利于實現“科研融入課堂”和“德融課堂”的要求。

3.4 減少重復節省教學學時

以齊魯工業大學為例，通過前述的調整方案，在現有授課學時大大較少的前提下，仍然能夠較好的完成規定的教學任務。調整后的新知識體系更更方便于教師課堂教學的組織和編排，通過引入新的知識點有益于抓住學生的學習興趣，進而改善課堂聽課效果。在新的工程力學知識體系下，教師可以更加方便的根據實際學情調整和選擇基本教學內容；新的工程力學知識體系更有助于開闊學生的視野和拓展學生的知識面，更有利于學生遇到實際工程問題時，將課堂上所學的理論知識與方法在實際中加以應用和發揮。

4 結語

工程力學在高等工科院校非機械類工科專業中是一門非常重要的專業基礎課，但是，在新的教學形式下，工程力學的知識體系已經顯現出越來越多的短板。另一方面工程力學的教學學時不得不被大幅度減少，為此，對工程力學的知識體系進行了調整與改革的研究。本文作者結合實際教學經驗，對該問題進行了研究和實踐，根據研究結果提出了相應的調整方案并在實際教學過程中加以實踐，收到了非常好的效果。

參考文獻

[1] 教育部高等學校力學教學指導委員會力學基礎課程教學指導分委員會.高等學校理工科非力學專業力學基礎課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2] 陳云信.材料力學課程教學改革與實踐[J].江漢大學學報：社會科學版，2014（4）：40-44.

[3] 夏錦文，程曉樵.研究性教學的理論內涵與實踐要求[J].中國大學教學，2009（12）：25-28.

[4] 閆冰潔.案例教學在材料力學教學中的應用[J].科技情報開發與經濟，2007（17）：256-257.

[5] 司鵠.材料力學課程教學體系改革研究與實踐[J].高等建筑教育，2005（1）：62-63.