新工科背景下的“飛行器結構力學”教學改革與實踐

郭寧 徐超 王樂

摘? ? 要 ：文章針對新工科背景下航空航天卓越工程師培養的需求，分析了“飛行器結構力學”課程在教學過程中的不足，提出了教學改革目標，并結合教學實踐，開展引入概念結構力學知識、融入工程背景和典型案例分析、借助有限元仿真技術以及增加實驗實踐教學等具體的教學改革，從優化教學內容和構建實踐平臺等方面提出了進一步改革的構想。力求讓學生在掌握結構力學基本概念的同時，不斷了解新知識，鍛煉工程能力，從而培養學生的工程創新能力。

關鍵詞：飛行器結構力學;航空航天;新工科;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2021）10-0012-04

為了應對新一輪科技革命和產業變革，推動工程教育改革創新，教育部先后開展了“卓越工程師教育培養計劃”、“新工科”建設、“雙一流”建設等教育改革規劃[1-3]，旨在培養造就一大批具有創新創業能力、跨界整合能力和高素質的交叉復合型科技人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務[4-5]。2019年1月9日，西北工業大學為了深入貫徹落實全國教育大會、全國高校思想政治工作會議和全國高等學校本科教育工作會議精神，進一步落實立德樹人根本任務，牢固樹立人才培養的核心地位，全面深化教育教學改革，推動學校“雙一流”建設，召開了人才培養大討論動員大會，明確了堅持“以學生為根、以育人為本、以學者為要、以學術為魂、以責任為重”的辦學理念，以培養具有家國情懷，追求卓越、引領未來的領軍人才為目標，全面開展人才培養模式改革[6-7]。

人才培養模式改革的基礎是課程改革。“飛行器結構力學”課程是西北工業大學航空航天大類高年級本科生的一門必修專業核心課程。在航空航天大類的培養方案中，“飛行器結構力學”具有舉足輕重的地位，是聯系基礎力學課程（理論力學和材料力學等）與工程設計課程（飛行器結構設計等）的橋梁，是從力學基本理論過渡到工程實際應用的重要支撐[8-9]。在國內外航空航天工程學科本科階段培養體系中，“飛行器結構力學”均視為最重要的專業基礎課程。

一、新工科背景下的飛行器結構力學課程教學改革的必要性

西北工業大學所沿用的飛行器結構力學教學體系基本來自前蘇聯，特別強調結構的定量計算和求解技巧，在計算機仿真技術尚不發達的情況下，對提高學生解決實際問題的能力具有重要的意義。然而，隨著計算機技術和有限元分析技術的迅猛發展，工程實際中復雜結構的定量分析都要借助專用有限元分析軟件進行，并且已經逐步寫入行業設計規范中。在這樣的背景下，一方面，傳統的結構力學課程所突出的適合手算或者簡單計算器計算的定量分析方法在當前工程應用中有明顯的不足，掌握這些定量分析和求解技巧與實際工程應用就顯得有所脫節。另一方面，大型商業軟件的應用具有黑箱化和傻瓜化的特點，這就要求使用者必須具備判斷軟件分析結果的能力。換言之，培養學生掌握牢固的力學概念，能夠將力學概念與實際工程進行緊密聯系并有效融合，進而在概念分析基礎上進行合理的結構創新，這成為當下和未來飛行器設計工程師培養的主要目標，也符合卓越工程師和新工科教育培養計劃中強化培養學生工程能力和創新能力的具體要求。因此，如何應對新工科背景下航空航天卓越工程師人才培養的需求，針對“飛行器結構力學”課程教學中的不足進行適應性改革，是目前構建西北工業大學航空航天大類培養體系中亟待解決的問題。

二、新工科背景下“飛行器結構力學”課程教學改革目標

立足當前新工科人才培養需求，改變以往教師供給主導的教學模式和“重知識，輕能力;重理論，輕實踐”的教學理念，以提高學生自我認知和技能為目標，開展“飛行器結構力學”教學改革。在傳統結構力學課程中計算能力培養的基礎之上，突出結構概念、定性分析與工程思維能力的培養，同時探索與培養目標相適應的教學方式，從而形成集知識性、趣味性、工程性和思維性于一體的“飛行器結構力學”創新性教學模式。

三、“飛行器結構力學”教學改革實踐

“飛行器結構力學”課程的改革應以培養學生具備堅實的力學概念和靈活運用基本概念定性分析結構問題為主線，以工程實踐為背景，以案例分析為手段，以學生的工程思維訓練與創新實踐能力培養為根本目標來具體實施。

（一）從定量結構力學到定性結構力學

傳統飛行器結構力學中，主要強調采用力法和位移法等矩陣位移分析方法對平面桁架、空間桁架、平面剛架、空間剛架和板—桿結構等進行定量分析。這些方法最早是在20世紀初由于當時計算機技術和數值分析方法的發展不足而建立起來的一些特殊的定量計算方法。這些方法的教學占了“飛行器結構力學”課程的三分之二以上，具有“定量”結構力學的特點。

一方面隨著商業有限元分析工具的成熟和廣泛應用，很多傳統的結構力學計算方法已經凸顯出不足，另一方面新工科背景下的教學培養中更注重學生應用知識解決問題能力的培養。筆者嘗試對課程教學內容從“定量”向“定性”轉變，重視力學基本概念的教學。首先，對原課程體系的定量部分內容進行刪減，變為自修內容。刪除的內容有：結構位移計算的彎矩圖乘法、摩爾圓法、變剖面機翼計算結構力學等。增加定性結構力學內容，定性結構力學也稱為概念結構力學[10-12]，突出采用定性分析的方法對結構體系進行基本認識，掌握定性結構力學方法是學生簡化復雜工程結構，得到有限元等計算模型的基礎，同時也是判別有限元計算結果（如應力、應變和位移云圖等）是否正確的主要手段。另外，還新增加了傳力分析、飛行器典型結構體系以及靜不定體系的簡化分析方法等內容。傳力分析部分重點講解對復雜結構體系的傳力分析內容;飛行器典型結構體系的講解以工程中蒙皮骨架和半硬殼式結構為主要對象，將典型氣動面承載體和艙體承力體系作為主要講授內容，幫助學生建立基本的結構概念體系;靜不定體系的簡化分析方法重點講解對工程中的典型靜不定體系進行簡化計算的內容，簡化計算是指能直接手算給出各構件大致力學狀態的方法。

（二）從理論教學到有限元仿真輔助教學

“飛行結構力學”課程內容具有計算量大、概念抽象和邏輯性強等特點，學生在學習過程中很難直觀理解結構的受力特性和傳力特性，導致學生無法較容易地掌握理論分析方法，更談不上對其有深刻的理解。隨著力學分析軟件的普及，有限元仿真輔助教學已逐步開始融入到力學類課程的理論教學中[13-16]。因此，筆者同樣利用商業有限元分析軟件建立了典型構件受力特性的數字化案例庫。在此需要說明的是，在教學中不需要對有限元分析軟件和有限元方法進行介紹，僅僅利用商業有限元分析軟件強大的后處理顯示功能。

教學中，教師在講解完理論知識點，讓學生利用理論知識進行例題的練習之后，再展現相應的有限元分析結果，讓學生通過對比理論結果與有限元分析結果之間的異同，并獨自分析原因，來加深對知識點的認識。例如，在靜定薄壁結構內力計算中“板元件的平衡”部分的教學中，我們通常的教學方法是：首先給出基本假設;其次讓學生進行板元件的受力分析;再次根據平面力系平衡求解得到未知力;最后總結出板元件的受力特點。具體如表1所示。

然而，經過多年的教學發現，學生在學習完此小節課程后，大多有如下疑問：（1）桿板式薄壁結構計算模型的基本假設在解決實際工程問題時是否適用;（2）理論分析結果是否與實際相符;（3）如何根據分析結果來校核結構的強度。為了明確回答學生提出的疑問，我們可利用已建立的有限元數字化案例庫中的實例，利用直觀詳細的應力云圖結果回答學生的上述疑問。如，本小節的教學中，通過展示靜定三角形、矩形、平行四邊形和梯形桿板式薄壁結構的有限元模型分析結果（即σ11、σ22和т12應力云圖，詳見表2），首先讓學生獨立對比理論結果與有限元結果之間的差異，培養學生的獨立思考能力;其次，引導學生分析兩者結果之間的異同，深化對力學基本概念（如，板元件內力分布假設）的認識，并了解理論知識向實際工程應用轉變時的差異，培養學生的工程應用能力;最后，讓學生了解飛行器結構力學理論知識在當前飛行器結構設計中的重要地位，提高學生學習理論知識的積極性。

（三）從課堂教學到工程實踐教學

根據各章節知識點，在講授新知識前，通過在線資源構造實際工程情景，引出具體的教學內容。例如，在桁架結構分析部分，分別以飛機不同的著陸方式、月球車著陸等工程事件為切入點，培養學生從工程中提煉問題，將復雜工程問題提煉為簡化的結構力學問題，將復雜工程對象簡化為結構力學計算模型的能力。

在結構分析部分，首先從大量的實際結構，如國內外實際型號的運載火箭、飛機和航天器等具體結構抽取出待分析結構，再直接應用課程中講授的方法進行結構分析。例如，在傳力結構分析中，直接以我國紅旗-2號地空導彈彈翼為對象，進行力學模型構建、傳力途徑分析的教學。通過典型的工程案例式教學，讓學生在潛移默化中就能將工程思維滲透到結構力學的學習過程中。

為進一步提高學生對結構力學概念的應用和工程實踐能力，在改革后的課程中增加了實驗實踐教學環節。目前已開設的實驗內容有：等強度梁結構設計與實驗研究、靜定彎扭組合實驗研究、靜定薄壁結構實驗研究、壓桿穩定實驗研究等。增加的實踐環節有典型飛行器結構的設計和傳力分析。實驗實踐教學部分采用小組教學的模式，學生分成若干課題小組，利用所學知識完成實驗內容和實例設計任務，并以學術報告會的形式進行成果展示。通過實驗實踐教學，學生將課堂所學的結構力學的基本概念、所認識的承載體系和結構力學的分析方法等融會貫通，既強化了理論知識的理解，又培養了學生的實踐動手能力。

四、結語

經過改革實踐，學生對于“飛行器結構力學”課程的總體滿意率較高，特別對實驗實踐等環節的評價較高，但目前“飛行器結構力學”教學模式還可以進一步改進，以更好地為培養航空航天卓越工程師服務。

（一）進一步優化課程內容

目前正處于飛行器結構技術快速發展和結構設計規范快速更新期，在這一過程中，結構力學的內容也在推陳出新，如復合材料結構力學、智能結構力學等內容;同時也有很多經典內容經久不衰，被認為是結構力學中的核心知識。如何優化經典結構力學教學內容，使之與當下快速發展的結構技術密切結合，讓學生在掌握結構力學基本概念的同時，不斷了解新的結構知識，鍛煉工程思維能力，將是下一步課程優化的重點。

（二）構建自主式實驗實踐平臺

根據調查結果，學生普遍對小組式實驗實踐環節很感興趣，這充分體現了學生對加強工程實踐能力培養的渴望。但目前課程教學仍是教師命題和集中完成的“做作業”模式，還不能充分鍛煉和培養學生的概念應用、工程實踐和創新能力。在今后的教學改革中，應著重構建開放式結構力學課程平臺，針對課程內容，增設多個模擬工程實踐項目，供學生自主選題并可常態化開發，進行結構設計實踐;同時充分利用3D打印等技術，鼓勵學生將結構設計模型實物化，從而真正實現工程實踐和創新能力的培養，全面提高航空航天卓越工程師的綜合能力。

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