提高工程力學教學質量的研究與實踐

王 濤

（海南大學機電工程學院，海南 海口570228）

0 引言

為了提升工程力學專業基礎課程的教學質量和學生的工程實踐能力，建立能滿足新工科對于創新性人才培養需要、科學合理的安排專業基礎課程教學思路及方法，以及實現提高學生學習工程力學專業基礎課的興趣和培養創新能力。以工程力學（理論力學和材料力學）為研究背景，提高工程力學整個教學團隊教師的教學能力和質量為目的，結合本院實際采用的教學措施并總結在工程力學基礎課教學方面的成功經驗，提出可顯著提高機械類專業基礎課教學質量的方法、思路及措施，并付諸于實踐的經驗，給同行予以交流參考。

1 課堂教學采用問題討論式

課堂教學采用以問題為導向，從工程力學的知識點開始，遵循提出問題，分析問題，解決問題，應用擴展及創新應用等模式進行教學，提高學生的綜合素質和產品創新設計能力培養。提高機械類專業學生對力學的興趣。并圍繞此模式對工程力學各個章節的工程教學案例進行了制作。基本形成了促進創新和提高學生科研創新思維能力的課堂教學模式，以剛體的簡單運動定軸轉動教學案例進行說明。

1.1 創設情境、導入新課——提出問題

提出為什么要進行剛體的基本運動計算工作：前面章節介紹點的運動學是針對一個質點，可以解決工程中常見的點的運行方位、軌跡、速度加速度等計算問題，這也是運動學計算工作的意義及價值，研究剛體運動本質是研究質點系的運動學問題。在本節研究剛體的定軸轉動運動之前，利用工程中的實際科研案例——如何對甘蔗進行收獲的方法進行話題激趣[1]，使學生整堂課都能保持積極的心態去分析工程案例并解決實際問題，探索新知。

1.2 針對內容、理論推導——分析問題

分析問題：通過學習剛體定軸轉動的基本概念，引入研究定軸轉動剛體的基本方法和思路，運用剛體定軸轉動的基本分析方法總結剛體各個點的運動規律，同時對剛體的定軸轉動運動計算結果分析對比，并闡述定軸轉動的基本內涵和運動規律。

1.3 結合實際、理論推廣——解決問題

解決問題：針對實際的工程問題，甘蔗收獲機械切割器的設計，運用定軸轉動機構的基本原理來實現甘蔗的切割，并分析圓盤式切割刀片都是做剛體的定軸轉動，實現所需要的功能，運用剛體的定軸轉動基本運動規律進行分析，研究隨著刀片的基本參數——速度，半徑等變化會對甘蔗切割效果的影響規律[2]。并討論其他物理參數的變化會引起結果的不同。啟發式提出剛體定軸轉動的基本運動的研究方法和并列出解決甘蔗進行切割問題的基本思路和擴展方法。

1.4 通過案例、引導思考——應用推廣

應用推廣：針對剛才同樣實際的工程問題，不同數值的影響及不同半徑參數的變化會對運動軌跡、速度、加速度的影響進行分析，同時進行更進一步的討論，啟發學生進行應用對象變換的類比思維，啟發學生對于類似的割草機械的設計方案仍然可以采用刀片定軸轉動切割的方案[3]，深入討論該方案的優缺點，提出改進的方案的具體思路。比如從原有的割草機剛性刀片實際運用的缺點分析過度到柔性切割器的創新發明。以及古人所發明的龍骨車運用定軸轉動剛體進行取水的發明成果[4]。同時再采用逆向思維：引導學生對該定軸轉動機構作為從動件被驅動的案例，介紹古人發明水排的優秀成果[5]。再采用深入換位思考，對定軸轉動剛體進行傾斜角度的改變研究起升問題。最后再對所提出的思路和方法，應用到實際所做的課題橡膠果脫殼機械運動定軸轉動剛體進行脫殼的實際案例[6]。例如用定軸轉動剛體可以設計不同的脫殼機械創新設計方案，能夠生動的提高學生設計創新機構的能力和興趣。

1.5 通過案例、引導思考——創新應用

在工程應用中需要設計運動學裝置，結合科研實際課題討論，比如變速機械的設計，提出變速器采用的創新方法的發明創造思想以及發明創造的過程提高學生的興趣，比如引導采用不同的結構布置實現不同的變速比等參數，提高學生的興趣和創新能力。再由此擴展出發動機穩定轉速的調速系統，仍然運用剛體定軸轉的的基本原理實現飛球的擺動控制發動機噴油量并實現柴油機穩定運轉的基本原理和思路[7]。以及擴展到其他領域的創新設計遐想，給學生一個廣闊的思維空間進行運動學創新裝置方案設計等。針對挖坑機械和橡膠果脫殼機械讓學生運用今天所學習的基本知識進行創新方案的深入探索[8-9]。最后總結基本內容及基本知識，給學生提供廣闊的思路有利于進行創新發明。

針對工程力學課程各個章節主要內容，將此教學理念貫穿始終，注重教學與科研相結合，講透弄清基本概念的本質。在教學過程中，采用從問題出發、學生自主探索的教學模式，研究和開發針對此理念教學的案例啟發并提高了學生應用和學習工程力學的水平和質量，增強了力學學習的直觀性。

2 采用案例討論進行啟發式思考

針對學生學習力學教學知識的應用直觀性，努力將教學實物模型應用到課堂教學中，加強機械類學生將基本理論和實踐相互聯系的科學素養。應用試驗演示裝置來解決實際應用和力學知識中提出的問題。在教授靜力學內容時適當引入壓榨機、搖樹機構模型加深學生對工程力學理論推導結果的理解。這方法既提高了學生應用力學知識的能力，更培養了創新的科學精神。同時進行多樣化教學方法并用，在教學中以注重強化基礎知識的理論性和應用性為前提，以啟發式、漸進式、討論式教學為手段，提高學生學習興趣。通過課后的工程實際科研問題激發學生學習工程力學的積極性和主動性，增強學生對力學與科研課題相互結合的意識。學生針對實際木薯桿彎曲特性參數測量，制作木薯秸稈彎曲楊氏模量測試儀[10]。課上和課下學生對于實物模型的測量原理得到深刻認識后對彎曲理論知識增強了理解并提高了興趣。學生的力學科研課題結果在試點班中采用評比與演講等方式進行考核，提高學生的學習興趣和對解決專業問題的意識，增強了自信心。經過近年來的教學實踐表明，學生們對于工程力學學習興趣濃厚，每年有許多學生主動加入到工程力學教師實際科研課題的研究中，積極開展工程力學相關的課題的科學實驗研究工作，學生們發表工程力學科研小論文近二十篇。

對于材料力學課程有計劃地精選一些章節內容，讓學生提前搜集準備資料及講課PPT，提前預習并進行課堂講解的模式，進行討論式教學，師生共同評比及演講等，這些我們都進行了有益的探索。在這過程中發現有少部分學生對此教學模式非常贊同，還有一些同學并沒有充分準備，講課效果差。究其原因是未進行充分準備，因此，教師針對理論力學課程靜力學部分其中三個章節，預留五分鐘時間讓學生每節課自己講解題目的方式進行討論式教學，師生共同評比等。在探索中發現有極個別非常樂意準備，有一些同學開始似乎并不愿意進行準備，主要是講解習題的準備性工作未做，隨著幾次督促和改進，效率和效果明顯提高。通過一些內容隨機讓學生進行臺上臺下講解的方式也可讓教師了解學生對于知識理解的程度。

3 采用網絡技術輔助教學

隨著近年來互聯網技術方式在教學中的大力采用，學生們通過網絡獲取教學資源已成為重要的手段。我院工程力學教學團隊經過努力積極制作完成配套的教學課件、動畫制作、題庫建設，建立網絡學習和交流園地。通過不斷改進教學大綱、教學方式和教學方法以及考核方式等，不斷探索有利于高素質人才培養的教學方式和方法。針對工程力學教學各個章節內容進行全程教學視頻的錄制，積極創造條件建設“工程力學”（理論力學、材料力學）精品課程網站，將精品課程的教學文件，如教學大綱、教學教案、實習指導、電子版教案、電子教材、編制的網絡課堂課件、習題庫等內容逐步上網，并實施網上在線和線下交流、指導，也便于教師間交流研討。各位工程力學教師積極開展課程教學改革與建設。完善課程的特色課件及案例建設，實現線上線下教學，提高學生工程力學學習質量。

4 結束語

隨著國家智能制造產業的發展和對于機械工程類新工科對未來合格人才的迫切需求，提高工程力學整體教學質量也是培養適應新的產業發展并具有創新性人才的關鍵。以上是我院針對提高機械類專業學生學習工程力學課程的一些有意嘗試，今后還要更進一步結合本科人才培養高質量需要，深入探索提高工程力學課程整體教學效果的方法和措施并大力提升人才培養質量。