工程力學(xué)教學(xué)方法與教學(xué)改革探討

孫占坤

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)理學(xué)院力學(xué)系 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000

一、概述

工程力學(xué)作為工科專業(yè)的一門涉及眾多力學(xué)學(xué)科分支和廣泛工程技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)課，主要面向諸如能動(dòng)、材料、機(jī)電、橋梁、交通等諸多工科專業(yè)的本科生進(jìn)行開(kāi)設(shè)，其受眾較廣且在各專業(yè)基礎(chǔ)課中具有極為重要的位置。作為一門理論性較強(qiáng)的課程，工程力學(xué)通過(guò)理論力學(xué)的內(nèi)容介紹靜力學(xué)的基本概念、一般力系的簡(jiǎn)化與平衡條件、摩擦、空間力系、點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、剛體的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)定理等；通過(guò)材料力學(xué)的內(nèi)容介紹拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲等基本變形方式下應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算及材料的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性校核等。鑒于工程力學(xué)課程的重要性，工程力學(xué)的教學(xué)方法及改革已被很多力學(xué)教學(xué)工作者所關(guān)注，例如郎風(fēng)超等論述了如何在工程力學(xué)教學(xué)中優(yōu)化課程內(nèi)容，注重實(shí)踐教學(xué)，邵俊華等討論了在新工科背景下工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革問(wèn)題，斯日古楞等探討了在工程力學(xué)課程中引入實(shí)踐視頻幫助開(kāi)展教學(xué)的具體措施。

諸多具體的教學(xué)方法與改革措施為承擔(dān)課程教學(xué)的力學(xué)教師提供了很好的借鑒，但是在新的時(shí)代背景下，有必要對(duì)工程力學(xué)的教學(xué)措施與改革方法進(jìn)行進(jìn)一步探索，從而更好地開(kāi)展工程力學(xué)教學(xué)工作，為社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)和中華民族的偉大復(fù)興培養(yǎng)更多具備知識(shí)且能夠踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀的新時(shí)代工程人才。

二、工程力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程力學(xué)課程是2005年建成的內(nèi)蒙古自治區(qū)精品課程，在多年的課程教學(xué)工作中，力學(xué)系教師們積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，也總結(jié)了一定的教學(xué)方法和教訓(xùn)。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)近10年來(lái)工程力學(xué)平均分?jǐn)?shù)變化如圖1所示，可見(jiàn)工程力學(xué)平均成績(jī)呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。根據(jù)筆者在教學(xué)工作中的感受，工程力學(xué)的教學(xué)中也存在著諸多問(wèn)題，諸如教學(xué)模式單一、理論講述過(guò)于抽象化、學(xué)生對(duì)力學(xué)分析方法框架掌握不清晰、公式理解不到位、沒(méi)有建立起力學(xué)和數(shù)學(xué)思維等。這些問(wèn)題制約著工程力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的提升，嚴(yán)重影響著新工科背景下工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量，有必要針對(duì)具體問(wèn)題展開(kāi)細(xì)致分析討論，逐步提高工程力學(xué)的教學(xué)水平。

圖1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)不同學(xué)年工程力學(xué)平均成績(jī)統(tǒng)計(jì)[1]

三、工程力學(xué)教學(xué)促進(jìn)措施

(一)提高課程生動(dòng)可參與性

保證課堂教學(xué)質(zhì)量是工程力學(xué)教學(xué)改革的核心和基礎(chǔ)。教師要對(duì)自己嚴(yán)格要求，努力吃透工程力學(xué)課程中靜力學(xué)及材料力學(xué)部分所涉及全部知識(shí)，同時(shí)通過(guò)觀摩線上線下優(yōu)秀教師課程，領(lǐng)會(huì)課程內(nèi)容講授方法和學(xué)生的學(xué)習(xí)理解規(guī)律。對(duì)于青年教師，特別要利用自身優(yōu)勢(shì)使工程力學(xué)課程更為生動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。可以尋找涉及力學(xué)知識(shí)的有趣視頻，既可以豐富課程內(nèi)容，又可以拉近與學(xué)生的距離，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣；還可利用各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)和計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided engineering，CAE)軟件對(duì)工程力學(xué)所涉及的一些抽象概念，如圣維南原理、應(yīng)力集中等進(jìn)行形象解釋。同時(shí)，也不妨充分地借鑒一些國(guó)外的優(yōu)秀教學(xué)視頻及軟件，例如數(shù)學(xué)領(lǐng)域的“3Blue1Brown”，其在數(shù)學(xué)原理的可視化方面做了很多工作，可以借鑒來(lái)為學(xué)生講解工程力學(xué)所涉及的數(shù)學(xué)原理；材料力學(xué)領(lǐng)域的“The Efficient Engineer”，其發(fā)布的視頻也用非常形象的動(dòng)畫(huà)直觀地展示了材料力學(xué)中應(yīng)力、應(yīng)變、軸的扭轉(zhuǎn)及梁的彎曲等知識(shí)；在工程力學(xué)涉及數(shù)學(xué)原理方面，還可以使用GeoGebra快速地可視化數(shù)學(xué)圖形，讓學(xué)生更好地深刻理解工程力學(xué)中的定理及公式。每一位教師要不斷地吸取新的知識(shí)技能為我所用，提高知識(shí)傳授效率，善于對(duì)抽象的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行可視化和形象化講解，站在學(xué)生角度，深入淺出地讓抽象的力學(xué)原理落地，避免理論灌輸。

(二)提升線上教學(xué)能力

線上線下教學(xué)會(huì)不定時(shí)轉(zhuǎn)換，有時(shí)會(huì)讓習(xí)慣于傳統(tǒng)面授教學(xué)方式的高校教師有些猝不及防。如何克服線上教學(xué)教師與學(xué)生之間的疏離感、學(xué)生注意力難以集中、互動(dòng)交流受限等問(wèn)題亟待更好解決。特別是對(duì)于普通本科高校諸如工程力學(xué)這類理論性強(qiáng)又同時(shí)需要聯(lián)系實(shí)際的課程，要求教師在講解的過(guò)程中進(jìn)行變形幾何分析、受力分析、公式推演、教具演示、解題過(guò)程推導(dǎo)及針對(duì)學(xué)生問(wèn)題個(gè)性化的輔導(dǎo)。如何將工程力學(xué)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞皆诰€上開(kāi)展是每位力學(xué)教學(xué)工作者必須思考的問(wèn)題。線上教學(xué)的順利開(kāi)展對(duì)教、學(xué)雙方的數(shù)字化設(shè)備都提出了一定的要求，從這一角度來(lái)講，無(wú)疑提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)成本和教師的教學(xué)成本。從學(xué)生角度來(lái)講，必須有較高的網(wǎng)絡(luò)通信速度以保障與教師的實(shí)時(shí)互動(dòng)，同時(shí)對(duì)學(xué)生手機(jī)、電腦等硬件設(shè)備也提出了一定的基本要求；從教師角度來(lái)講，不僅必須保證網(wǎng)絡(luò)通信速度，在各種硬件及軟件的使用方面也對(duì)教師提出了新的更高要求。董紅永關(guān)于線上教學(xué)干擾因素的研究如圖2所示，可見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)和軟件的限制是目前影響網(wǎng)絡(luò)教學(xué)工作順利開(kāi)展的主要因素。2022年3月以來(lái)，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的線上教學(xué)，在學(xué)校各級(jí)的積極準(zhǔn)備和妥善安排下，教學(xué)促進(jìn)與教師發(fā)展中心組織開(kāi)展了多次線上教學(xué)培訓(xùn)并定期通過(guò)公眾號(hào)在全校分享線上教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，充分利用線上教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，努力克服其不足，每一位教師都最大限度做好了線上教學(xué)工作。面對(duì)新形勢(shì)、新挑戰(zhàn)下的教學(xué)模式，學(xué)校要從全局角度安排線上教學(xué)，盡最大努力為教師的教學(xué)工作與學(xué)生的學(xué)習(xí)建立軟硬件基礎(chǔ)，每一位老師要盡快熟悉掌握必備的線上教學(xué)技能，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，保證教學(xué)質(zhì)量。

圖2 影響網(wǎng)絡(luò)教學(xué)質(zhì)量的主要因素[4]

(三)注重理論講述與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

工程力學(xué)具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性，是解決工程實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)，理論講解工作要結(jié)合實(shí)驗(yàn)才能更好地使學(xué)生的掌握基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際問(wèn)題。工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)通常包括單軸拉伸與壓縮、扭轉(zhuǎn)與剪切矩形截面梁的純彎曲等。教師在講解基礎(chǔ)理論的同時(shí)，要涉及實(shí)驗(yàn)與理論之間的聯(lián)系，介紹實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用背景以及實(shí)驗(yàn)手段更新與理論發(fā)展的互相推動(dòng)作用?？梢韵?qū)W生介紹新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，在實(shí)驗(yàn)試樣變形的測(cè)量技術(shù)方面，可以向?qū)W生介紹較新的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital Image Correlation，DIC)。DIC技術(shù)又稱數(shù)字散板相關(guān)技術(shù)，其通過(guò)在實(shí)驗(yàn)試樣表面噴涂散斑點(diǎn)，使用相機(jī)記錄散斑位置變化，對(duì)比變形前后圖像的散斑點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算位移量，通過(guò)相應(yīng)的算法計(jì)算試樣變形場(chǎng)，如圖3所示。教師可以講解該種方法與傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變方法的異同，幫助學(xué)生掌握較新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)試手段，進(jìn)一步理解應(yīng)變的物理意義和實(shí)際應(yīng)用。

(a)圖像采集設(shè)備

(b)噴涂了散斑點(diǎn)的十字拉伸試樣圖3 數(shù)字圖像相關(guān)變形測(cè)量技術(shù)

(四)嚴(yán)肅成績(jī)考評(píng)制度和考試紀(jì)律

工程力學(xué)考試中存在一些考評(píng)制度和考試紀(jì)律不嚴(yán)肅問(wèn)題，不但影響教師對(duì)教學(xué)效果的客觀評(píng)價(jià)，也在很大程度上打擊學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)、自主思考的積極性。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程力學(xué)課程分為72學(xué)時(shí)和56學(xué)時(shí)兩種，本科生的工程力學(xué)主要為72學(xué)時(shí)，其中包括6學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。分?jǐn)?shù)評(píng)定上，考試成績(jī)占到總分?jǐn)?shù)的70%，課程考試仍是檢測(cè)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容掌握情況的主要手段。在教學(xué)與監(jiān)考過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一些同學(xué)平時(shí)作業(yè)不能自主完成，這就要求任課教師與學(xué)校職能部門共同把好學(xué)習(xí)質(zhì)量測(cè)評(píng)關(guān)口，規(guī)范考場(chǎng)秩序、整頓考風(fēng)考紀(jì)、倡導(dǎo)誠(chéng)信考試、嚴(yán)肅處理作弊人員。教師在編制考卷時(shí)也要考慮到試題來(lái)源，不斷更新試題庫(kù)，使得學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)水平能夠更好地體現(xiàn)在試卷成績(jī)上。學(xué)校方面要實(shí)行多級(jí)巡考制度，檢查監(jiān)考情況和考場(chǎng)紀(jì)律，同時(shí)對(duì)監(jiān)考教師、任課教師和有關(guān)工作人員要加強(qiáng)師德教育，不得以任何形式泄漏考試相關(guān)內(nèi)容。

(五)工程力學(xué)課程中的價(jià)值引領(lǐng)

高校工程力學(xué)課程不僅要傳授知識(shí)，還要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，使得課程既有深度、廣度，也有態(tài)度和溫度，既有知識(shí)性也有價(jià)值引領(lǐng)性。工程力學(xué)課程要注重培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)科學(xué)思維和科學(xué)倫理，加強(qiáng)學(xué)生工程倫理教育，樹(shù)立精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)、工程強(qiáng)國(guó)的情懷和擔(dān)當(dāng)。教師要善于總結(jié)工程力學(xué)中的能夠體現(xiàn)科學(xué)精神、工匠精神的素材。例如：講述靜力學(xué)時(shí)，將靜力學(xué)的發(fā)展與文藝復(fù)興時(shí)期如伽利略(Galileo Galilei)、虎克(Robert Hook)、牛頓(Issac Newton)及達(dá)芬奇(Leonardo da Vinci)等科學(xué)家的貢獻(xiàn)簡(jiǎn)要講述。由于工程力學(xué)中的靜力學(xué)難度并不大，所以可以適當(dāng)加入一些有趣的科學(xué)史內(nèi)容，以科學(xué)人物為線索，一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，提升課程的有趣度，同時(shí)可以向?qū)W生講述15—17世紀(jì)科學(xué)家們的科學(xué)精神及科學(xué)信仰；還可以引導(dǎo)學(xué)生在工程力學(xué)的學(xué)習(xí)中體會(huì)如何辯證客觀地認(rèn)識(shí)、思考和描述物體之間的作用與物體的變形，建立利用數(shù)學(xué)表達(dá)定量描述客觀規(guī)律的思維方式；向?qū)W生講述我國(guó)老一輩力學(xué)家如錢學(xué)森、錢偉長(zhǎng)、郭永懷、周培源等的人生態(tài)度、科學(xué)精神及家國(guó)情懷。過(guò)程中要避免大而空的介紹，盡量挖掘選取一兩件貼近學(xué)生生活、適合學(xué)生理解力，同時(shí)學(xué)生易于接受的、不老套的小事例來(lái)凸顯大力學(xué)家的人生觀、做事風(fēng)格、治學(xué)精神和家國(guó)擔(dān)當(dāng)，力求用小的事例對(duì)學(xué)生產(chǎn)生大的震撼，在學(xué)生腦海中打下深刻烙印。在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建校70周年時(shí)，學(xué)校匯總了許多老一輩優(yōu)秀教師學(xué)者的事例，從70多年的校史及力學(xué)系的發(fā)展歷程中可以挖掘豐富的且發(fā)生在學(xué)生身邊不同時(shí)空的學(xué)長(zhǎng)學(xué)姐們的優(yōu)秀事跡，是很好的教學(xué)素材。在講解壓桿穩(wěn)定時(shí)，也可以舉一些事例激勵(lì)學(xué)生，培養(yǎng)其工程師認(rèn)真負(fù)責(zé)的精神。

如果說(shuō)將先進(jìn)事例融入課程講授是在學(xué)生心中播撒“正能量”種子的“潤(rùn)物無(wú)聲”，那么對(duì)不良價(jià)值觀的解構(gòu)與核心價(jià)值觀的引領(lǐng)就是直指學(xué)生內(nèi)心與人格的一束強(qiáng)光，幫助其驅(qū)除陰霾，樹(shù)立正確的價(jià)值導(dǎo)向和人生態(tài)度。在當(dāng)今的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，每個(gè)人都可以作為自媒體向外界輸出自己的價(jià)值觀，然而這其中不乏非理性、不積極的思潮。面對(duì)各種魚(yú)龍混雜的信息與價(jià)值導(dǎo)向，高校教師要堅(jiān)守正確價(jià)值取向，充分利用現(xiàn)代信息傳播手段，培養(yǎng)學(xué)生淳樸、豁達(dá)、進(jìn)取的能力，使得社會(huì)主義核心價(jià)值觀在其內(nèi)心扎根，幫助其建立理性的思考方式，高尚的價(jià)值判斷、積極的個(gè)性表達(dá)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z(yǔ)言邏輯。

結(jié)語(yǔ)

工程力學(xué)是工科專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，為了提高教學(xué)質(zhì)量，需要教師在教學(xué)過(guò)程中不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的細(xì)微處入手，既要生動(dòng)形象地傳授力學(xué)知識(shí)，也要幫助學(xué)生將理論知識(shí)運(yùn)用到工程實(shí)際，還要使課程有態(tài)度、有溫度，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、工匠精神、家國(guó)情懷和擔(dān)當(dāng)意識(shí)，同時(shí)要使學(xué)生樹(shù)立正確、科學(xué)積極的人生觀和價(jià)值觀，培養(yǎng)踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀的全方位工程人才。