新工科背景下《板殼力學》課程教學改革的探索

宋海鵬

摘? 要：“新工科”模式的提出與推進對高等院校力學課程的教學改革提出了新的要求。文章在新工科理念的基礎上，結合多年與法國工程師院校合作辦學的經驗，對《板殼力學》課程的內容設置、教學方式與評價體系三個層面進行了教學改革探索與總結，旨在提升學生工程能力、創新思維、人文素養與團隊協作能力。

關鍵詞：新工科;法國工程教育;《板殼力學》;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）19-0136-03

Abstract： The proposition and promotion of "New engineering" put forward new requirements for the teaching reform of mechanics course in colleges and universities. Based on the idea of new engineering， combined with the experience of co-teaching with French Engineering Institutes， this paper explores and summarizes the teaching reform of course "mechanics of plates and shells" in terms of content setting， teaching methods and evaluation system， aiming at improving students' engineering ability， innovative thinking， humanistic accomplishment and teamwork ability.

Keywords： New engineering; French engineering education; mechanics of plates and shells; teaching reform

新工科建設是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求，由教育部提出的新一輪工程教育改革，對建設工程教育強國、服務與支撐我國經濟轉型升級具有重大意義[1，2]。新工科理念以繼承與創新，交叉與融合、協調與共享為主要途徑，以培養未來多元化、創新型卓越工程人才為目標，對高等院校工科專業建設和工程人才培養提出了新的要求。

中國民航大學中國航空工程師學院（簡稱中歐學院）是經國家教育部批準，于2007年由中國民航大學與法國航空航天大學校集團聯合創辦的國內首個“航空類”工程師學院[3，4]。學院旨在借鑒法國先進的工程師培養模式與經驗，面向航空產業需求培養高級民航工程技術與管理人才。中歐學院具有鮮明的工程教育特色、豐富的中外合作辦學經驗，其教學實踐與探索可為新工科背景下國家工程教育模式的發展提供有益參考。

《板殼力學》是中歐學院面向飛機結構與材料方向研究生開設的專業課程，其課程內容分為靜力學和動力學兩部分，靜力學部分主要研究薄板和薄殼在靜載作用下的位移、應變和應力，動力學部分主要研究薄板的振動模態。在與法方合作教學的初期，《板殼力學》由法國航空航天大學（ISEA）的Serge CREZE教授和Alain BERLIOZ教授聯合授課，Serge CREZE教授主講靜力學部分，Alain BERLIOZ教授主講動力學部分，本人負責助教工作;隨著合作教學的不斷深入，本人逐漸承接全部主講工作，成為該門課程的負責人，法方兩位教授則轉為教學督導。Serge CREZE教授和Alain BERLIOZ教授是法國航空領域資深教授，具有豐富的力學課程教學經驗，本人有幸在兩位教授的指導下，系統學習了《板殼力學》這門課程的法方教學理念、內容與方法，受益良多。自承接課程以來，科技與學科不斷發展，工程教育理念推陳出新，尤其是在國內新工科建設迅猛發展的背景下，《板殼力學》課程建設也迫切需要與時俱進，持續改革。本文從課程內容、教學方式、評價體系三個層面分析了《板殼力學》的課程現狀及存在的問題，并針對不足探索了相應的教學改革措施，以期既能保留法方工程教育優點，又能凸顯新工科的多元、交叉、融合、創新等特征，提升學生的工程能力、創新思維、人文素養與團隊協作能力。

一、《板殼力學》課程現狀

（一）內容設置有待優化

1. 力學理論與工程算例的結合

《板殼力學》作為力學類專業課，內容比較抽象，具有概念多、公式繁瑣、計算量大等特點，同時《板殼力學》也是與工程實踐結合非常緊密的一門課程，飛機中大量使用的薄壁結構，其力學建模與應力分析均要用到板殼力學的知識。因此，在該課程的教學過程中，不僅要給學生展現抽象的力學概念、基于假設簡化的力學模型以及嚴格的數學推導，還應結合大量的工程實例分析，幫助學生理論聯系實際，增強學生面對實際工程問題的力學建模與分析能力。

法國工程師培養體系歷來重視力學理論與工程實踐的結合，在教學過程中采取了一系列措施，例如：在習題中采用了大量簡化的飛機舷窗、機身、薄壁結構算例，引導學生將所學力學理論用于實際工程，取得了良好的教學效果。但就《板殼力學》這門課程而言，在課程講授環節引入的工程案例分析仍較少。此外，由于課程原來是由法方兩位教授分開講授，因此習題中所采用的工程算例也是分開的，缺乏靜力學與動力學綜合運用的工程算例。

2. 缺乏實驗及數值計算方面的內容

理論、實驗、數值計算是力學分析的三個重要手段，三者相輔相成，缺一不可。在我院建設初期，許多實驗平臺處于在建狀態，并未投入教學使用，因此開設的《板殼力學》課程內容主要側重力學理論以及工程算例的講解，并沒有涉及實驗方面的教學內容。此外，限于課時，《板殼力學》課程在數值計算方面的內容涉及較少，并且都是直接展示數值計算的結果，缺乏學生自己動手進行數值計算的環節。

3. 缺乏科技前沿與學科交叉方面的內容

隨著航空科學技術的不斷發展，學科之間進一步交叉融合，新型航空材料與壁板結構不斷涌現，如復合材料、3D打印等，科技前沿與學科交叉給《板殼力學》這門傳統的力學課程帶來了很多新的內容。遺憾的是，目前這門課程的內容仍相對傳統，并沒有涉及相關領域的科學前沿，對于力學與材料科學等其他學科的交叉也很少提及。

4. 人文色彩不足

如前文所述，《板殼力學》的課程內容主要是力學建模、數學推導、工程算例計算，內容比較抽象，略顯呆板，缺乏科學精神與人文素養的相互融合。因此，學生在學習該門課程時往往感覺比較枯燥，學習熱情不高。此外，新工科理念強調高校培養的工程人才不僅在專業上有所建樹，還應具有家國情懷，服務社會的精神，目前《板殼力學》課程在這方面的內容有待加強。

（二）教學方式相對單一

教學過程離不開一定的教學方式，各種教學方式既有其優越的一面，也有其不可避免的弊端[5]。目前中歐學院的《板殼力學》課程沿用法國工程師培養體系的大課+習題課教學模式（16學時大課，16學時習題課）。大課以教師講授為主，習題課學生先做習題，最后老師統一講解。該教學模式學生動手算題的時間較多，注重培養學生將理論知識用于解決實際問題的能力，采用的習題多為簡化的航空工程算例，在理論知識的掌握及工程應用方面具有一定優勢。然而，該教學方式仍比較傳統，無法進一步滿足學生的個性化、信息化需求。此外，采用的習題通常具有標準答案，答題內容也僅限于課程所授知識，學生不需要自行查閱文獻，也不需要團隊協作，因此該教學模式在學生創新意識、團隊協作能力的培養方面顯得不足。

（三）評價體系不完善

評價體系在學生培養過程中起著“指揮棒”的作用，為響應新工科背景下高級工程人才培養的要求，評價體系需全面考查學生對知識的理解和掌握情況、工程應用能力、創新思維與團隊協作能力。目前《板殼力學》課程采用傳統的平時成績+期末考試的評價方式，該評價方式可以有效地考察學生對基礎知識掌握情況、針對簡單工程問題的力學建模與計算能力，但在考核解決復雜工程問題的能力、查閱文獻能力、創新能力、團隊協作能力等方面顯得力不從心，迫切需要進一步完善評價體系。

二、板殼力學教學改革措施

針對《板殼力學》在課程內容、教學方式和評價體系三個層面存在的不足，建議采取如下教學改革措施，在保留法方工程教育優點的基礎上，進一步傳承與創新，交叉與融合，滿足新工科背景下高級工程人才的培養需求。

（一）優化課程內容

1. 在課程講授時引入更多的相關航空工程應用實例，分析飛機中實際構件的受載、變形和振動，拉近航空工程實踐與理論課程之間的距離，增強學生面對實際工程問題的力學建模與分析能力。在習題課中補充綜合考慮靜力學和動力學的工程算例，將兩部分內容有機結合，提高學生的綜合分析能力。

2. 增加實驗與數值計算方面的內容，實驗方面可采用新型測量技術，如數字圖像相關方法等，測量簡單薄壁結構在載荷作用下的變形規律;數值計算方面可采用Abaqus等大型力學軟件分析薄壁結構的應力應變分布及振動模態;理論分析，實驗測量與計算模擬相結合，讓學生親自動手參與其中，加深學生對板殼力學知識的理解。

3. 引入科技前沿和學科交叉的相關內容。當前航空領域科技發展日新月異，復合材料壁板結構，金屬3D打印結構等新型材料和結構發展迅速，可在課程講授時適當地介紹相關的最新研究成果，幫助學生了解航空材料與結構科學研究的前沿。同時在這過程中簡要介紹力學與材料科學等其他學科的交叉融合，適當地拓展《板殼力學》的課程內容，開拓學生的視野。

4. 課程講授過程中融入學科發展歷程，介紹本領域歷史上著名科學家的事跡，以及推動學科發展的重要事件。例如，20世紀50年代英國“彗星”號噴氣客機發生一系列災難性事故，才促使人們重視飛機的疲勞設計。這樣可以增加課程的趣味性，同時培養學生的人文素養。此外，還應結合我國航空發展歷史和現狀，介紹對我國航空事業做出突出貢獻的專家學者，鼓勵學生投身我國航空事業發展，培養學生的家國情懷。

（二）采用多元化教學方式

單一的教學方式具有各自的優缺點，采用多元化教學方式更能有效地達成預期的教學效果。在教學方式方面，建議在傳統“講授+習題”模式基礎上，增加以下形式：

1. 增加形象化、開放式教學方式

《板殼力學》課程內容比較抽象，學生理解相對困難，在理論課程講授過程中充分利用動畫、視頻以及一些虛擬實驗，可將枯燥、繁復的知識點形象化，幫助學生理解。增加案例分析，小組討論等比較開放的教學方式，例如：選擇一些工程案例，讓學生組隊完成案例分析，學生自行分組、查閱課外資料、分工協作，完成案例的力學建模與分析。

2. 結合信息化教學方式

互聯網的快速發展及網絡通訊的普及使線上教學、輔導、交流和展示成為可能。可將《板殼力學》的課件、習題、案例教學、實驗及模擬結果等資料放在網上，并與學生互動交流;學生可以根據自己的時間自由學習課程內容，交流討論，還可以查閱其他高校《板殼力學》課程的資料，自主獲取更多參考資料。

（三）建立綜合評價體系

在傳統期末考試的基礎上，補充案例分析的這一開放考核形式，“案例分析+期末考試”相結合，綜合考查學生對知識的掌握與工程應用能力。其中案例分析采用航空工程中的典型案例或者科學研究前沿關注的問題，讓學生自行分組，每組選擇一個問題，展開文獻閱讀，討論力學分析思路，進行力學建模與分析，完成文字報告，并進行幻燈片展示與答辯。通過案例分析提高學生解決實際工程問題的能力、查閱文獻能力、創新能力與團隊協作能力。期末考試應減少機械記憶類試題，注重力學理論的綜合運用，重點考察學生對力學建模與分析思路的理解。建立上述綜合評價體系，通過以考促學，全面提升學生各項能力。

三、結束語

《板殼力學》是力學理論與工程實踐聯系緊密的力學類課程，是飛機結構與材料專業研究生必須的一門專業課。隨著科技的進步，《板殼力學》的課程內容，教學方式和評價體系需要與時俱進、傳承創新。在新工科背景下，在保留法方工程教育優點的基礎上，《板殼力學》老師需要積極探索《板殼力學》課程的教學改革與實踐，努力提高課程的教學質量，為培養具有“家國情懷、全球視野、實踐能力和創新精神”的高級工程人才提供一些經驗和借鑒。

參考文獻：

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]鐘登華.服務國家戰略需求提供一流創新支撐[J].中國高等教育，2018（6）：15-17.

[3]陳亞軍，楊新湦，蘇志剛.基于中外合作辦學的實踐教學體系研究與應用[J].實驗技術與管理，2019（1）：203-208.

[4]楊旭東.基于中法合作辦學《梁的線性理論》課程建設與改革[J].高教學刊，2017（13）：117-119.

[5]郭德紅，聶建峰.論大學教學方法改革的系統性[J].國家教育行政學院學報，2014（2）：36-41.