“新工科”教育背景下工程力學的教學改革與實踐

姚 軒，曾勇謀，胡淑娟，劉 瑩

梧州學院 機械與資源工程學院，廣西 梧州 543002）

在飛速發展的時代背景下，以物聯網、大數據 、人工智能、虛擬現實等為代表的先進科學技術顛覆性地改變了人們的學習、工作和生活方式，當前我國仍處于重要戰略發展時期，前景十分光明，挑戰也十分嚴峻[1]。為主動應對激烈的社會變革，培養一大批多樣化、創新型卓越工程人才，我國教育部提出“新工科”建設項目，這是高等院校工科專業謀求進一步發展的重要機遇，同時也對高等教育的課程改革提出了新的更高要求[2]。本研究以工科類基礎課程“工程力學”為例，針對目前課程教育教學存在的問題，以新時期新工科人才培養目標為導向提出工程力學課程改革實踐路徑。

1 工程力學課程概況

1.1 課程介紹

工程力學課程教學內容以剛體靜力學研究和桿件變形破壞分析為主，首先要求學生掌握剛體的受力分析方法和力系的簡化方法，研究物體在力系作用下的平衡規律及其應用；其次要求學生掌握桿件的內力、應力和變形的分析方法，為確保機器在外力作用下能夠正常工作，在滿足強度、剛度和穩定性的前提下為桿件選擇合適的材料，確定合理的截面形狀和尺寸，并為桿件設計提供基本的理論和方法，學生在學習過程中逐步建立起工程技術的基礎知識框架[3]。工程力學是工科類專業的基礎課程，與后續的眾多課程知識相互交叉，例如機械設計、機械制圖、工程材料、電工學，等等。掌握工程力學的內容可以為專業課程學習打好基礎。

1.2 學情分析

工程力學課程通常在大二的上學期開設，機械類專業的學時總數為68學時，非機械類專業的學時總數為51學時。工程力學這門課程的理論性很強，知識點也很多，對機械類專業而言，大二上學期學生剛剛接觸到專業核心課程，難以將工程力學分散的知識點與其他課程的相關知識融會貫通起來理解應用，學習難度較大。對非機械類專業學生而言，工程力學的相關概念比較枯燥難懂，學生的學習積極性容易受挫，時間一長就會產生厭學心理，學習效果不佳。

1.3 教學現狀

當前工程力學課程的教學課堂仍然是以傳授知識為主的課堂，通常先由教師講解基礎理論內容，然后進行例題分析，再給學生布置隨堂練習題加深理解，最后布置課后練習題加以鞏固。工程力學課程的相關實驗部分尚未與機械機構設計聯系起來，學生對實驗數據的“理解”僅停留在紙面上，對不同材料的力學性能差異理解不透。工程力學既是培養學生邏輯思維能力的課程，又是培養學生解決實際工程問題能力的課程，這種傳統的教學方式已不適應時代發展的需要，難以為社會培養卓越工程人才。

2 新工科建設背景下的課程目標

教師要明確高等教育培養的應用型工程技術人才是社會主義事業的建設者和接班人，在社會工業化乃至信息化的過程中，“新工科”建設要求人才培養要達到理論素養和工程素質并重[4]。目前，全國各院校各專業都在落實“立德樹人”的根本任務，為了進一步促進教書育人成效，教師應當轉變觀念，與時俱進，打破枯燥的以理論學習貫穿課堂的傳統教學模式，應根據企業對工科類就業崗位的條件要求來培養學生[5]。以“新工科”教育為引領確立工程力學課程教學目標，努力探索和嘗試契合課程特點的教學方法，在實現知識傳授與能力培養的過程中挖掘并突顯能體現價值引領的課程建設內容，發揮好課程的育人功能，不斷提高課程教學的綜合質量。具體課程目標如下。

2.1 知識目標

了解常用力學的基本概念，具備工程應用問題的基本理論知識。靜力學主要掌握物體的受力分析方法和力系的簡化方法，物體在力系作用下的平衡規律及其應用。材料力學主要掌握受力構件變形形式，熟悉應力計算方法，分析構件的強度、剛度和穩定性的條件，掌握確保構件能在外力作用下安全可靠工作的理論知識。

2.2 能力目標

工程力學與工程技術緊密聯系，通過掌握本課程的內容，使學生能夠運用力學知識配合專業學科知識多角度思考問題，為后續的課程學習打下必要的力學知識基礎，做到融會貫通，學以致用。能夠對工程實踐中出現的安全問題進行分析，判斷構件的承載能力是否滿足使用極限狀態。掌握常用力學設計的方法，結合工程實際情況合理地設計構件的承載能力，能初步運用力學理論和方法來解決工程實際中的技術問題。

2.3 育人目標

能夠運用馬克思主義辯證觀點分析具體問題，對力學在工程中的應用有一定層次的綜合認知，對其現狀、發展及趨勢有一定的理解與判定，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力，培養邏輯思維和創造思維。強化學生工程倫理教育，培養嚴謹的學習態度，樹立規范的工程設計意識和精益求精的工程設計思想，能夠在解決實際問題的過程中樹立實事求是和勇于探索實踐的科學精神。

3 新工科建設背景下的課程教學方法

根據新工科建設要求，以學生發展為中心，不斷優化課程教學內容，培養學生將理論知識同實踐操作聯合運用的能力，綜合運用線上線下、課內課外混合式教學模式，提高工程力學課程的教學質量，具體從以下幾個方面展開。

3.1 課前導學

利用平臺在課外組建班級課堂在線分享各種互聯網學習資源。如導學課件、微課視頻、慕課鏈接等，教師通過布置學習任務，引導學生在線進行自學，以便學生能夠帶著問題進課堂，教師通過收集學生自主學習過程中反饋的問題來適當調整上課的內容，提高學生的學習興趣。

3.2 課內教學

課內使用演示模具和多媒體教學工具講解有關力學概念和知識，進行構件的力學分析與校核計算，為后續學習打下力學的理論知識基礎。對經典的案例進行分析，并讓學生結合當前先進的科學技術提出感興趣的案例，豐富課堂教學內容一起討論，或者讓學生就某個問題進行分組討論，或者針對重要的理論計算進行隨堂測試，對學生的學習效果進行摸底，判斷是多做練習還是講解新的知識點。這種教學方式更直觀、更生動、更有效，有利于學生更好地理解和掌握教學內容。

3.3 課后固學

課后要保證一定的練習量，通過完成課后作業來鞏固知識。利用QQ群、微信群、線上課堂提供平臺幫助學生在線答疑解惑，教師針對重要的知識進一步提出思考題，供學生鉆研。在實踐活動中教師通過輔導學生完成實驗，利用學科競賽賽事、校內人才工作室、校外實習實訓基地等資源開展實踐教學活動，教師也可以把部分科研工作內容帶入教學環節中，甚至可以通過產業學院的平臺讓課堂教學直接對接企業實際項目，盡可能地為學生創造實踐機會。通過可看可想可做的教學方式可以充分調動學生學習的積極性，激發學生的創新能力，同時有了前期實踐的經驗積累，學生在做畢業設計的時候也更容易做出有意義的設計方案，這對學生未來的就業將有重要的指導作用。

在電子信息時代教師要借助科學技術的手段，利用好學堂在線、大學慕課、超星學習通等信息傳播媒介，對課前導入、課程組織、課堂互動、課后實踐進行改進，讓課內教學與課外教學互相補充，并行教學，如此一來學生受益面廣，對相關課程的學習也起到良好的帶動作用。

4 教學設計案例

結合具體的教學內容選擇相對應的案例，課前階段引導學生觀察生活當中的力學現象，養成學前思考的習慣，學生帶著問題進入課堂學習可以提升注意力和求知欲。課堂教學過程中教師主要采用理論教學、習題操練、講解分析三結合的方式幫助學生打下理論知識基礎。課后階段一方面布置練習題讓學生鞏固所學知識，另一方面提出思考題啟發學生積極探索解決方法，進一步用學科競賽項目驅動學生繼續深入學習研究，掌握知識的應用能力。下面以部分教學內容進行教學活動設計。

4.1 教學設計案例一：物體重心

課前導入：意大利的比薩斜塔的重心并不與地面垂直，為何斜塔建成一千多年來卻屹立不倒？在科技時代高速度、高精度加工技術得到了飛速的發展，根據機械運動動力學理論設計的重心驅動技術設備，在生產時可以筆直推進零件而不產生振動，從而使得加工精度、加工質量和刀具壽命都得到了很大改善。

課內教學：教師針對提出的問題進行解答，解密斜塔不倒的原因是研究人員通過分析認為，當堅硬的建筑石料與松軟的地基土壤相結合使得斜塔不會在地震發生時產生激烈共振。這個著名的案例提起了學生的興趣，自然切入重心這個概念，重心是物體所受重力的合力的作用點，物體的重心位置由物體的幾何形狀和物體各部分的質量分布情況來決定。教師要指出比薩斜塔的奇跡是偶然現象的結果，并不是設計師有意為之，生活中的很多工程設計或產品設計都是需要計算重心位置范圍的。例如，我國先秦時期的馬車在進行構造設計時碰到的主要問題就是車輛重心的平衡與協調問題，尤其是馬車運動時如何平衡牽引力與重心力讓馬車的重心保持穩定，為解決這一問題而發展起來的構造與組裝技術又進一步提高了馬車的性能。再如，辦公用品中的電腦旋轉椅子，如果設計師沒有計算好椅子的重心，當人坐在椅子上時或許會因為身體前傾或者后仰一點角度而摔倒。

課后思考：布置學生制作一臺落地臺燈，正常情況下靜置擺放不會摔倒，設計要求當人為輕推使其傾斜15度的角度以后臺燈仍然不倒，該如何確定臺燈的重心與整體結構之間的位置關系？

4.2 教學設計案例二：應力集中

課前導入：人們日常撕開各種包裝的時候都習慣去找封口處的小鋸齒或者小缺口，就連小朋友都知道從那是最容易撕開的地方，為什么？對大型船舶來說，甲板上的貨艙口、機艙口等大開口破壞了船體結構的連續性，容易引起嚴重的應力集中，碰到此類結構設計時要采用圓弧形角隅，并在甲板下面設置支柱或其他強力構件。

課內教學：原來是利用了應力集中的特性，鋸齒狀或者有缺口的地方截面形狀和面積發生了突變而產生局部應力增大，包裝上鋸齒處的應力最大，所以最容易被破壞，最容易被撕開。以此類推，組織學生討論易拉罐是如何實現易拉功能的？接著指出在生活場景中，有時候我們需要利用應力集中的特性，有時候又要在設計中規避應力集中現象，因為應力集中也會帶來危害。比如，設計構件時為避免幾何形狀的突然變化，應消除尖角，改善構件外形，盡可能做到光滑，逐漸過渡。再通過分析女生穿平底鞋時整個腳掌的應力是趨向均勻的，只在很小的部位有不明顯的應力集中現象，而穿高跟鞋時整個腳掌的應力主要集中在前腳掌上，久而久之對腳部的危害很大，而且穿高跟鞋還會增大踝骨所受的彎矩，更容易崴腳。通過一反一正的案例進行對比分析，讓學生學會運用辯證思維思考事物的兩面性。

課后思考：運用同樣的思路舉例分析人們對摩擦力的應用與規避。

4.3 教學設計案例三：桁架結構

課前導入：人類在兩千多年前發明了三角桁架并應用在木制房屋建筑的屋蓋設計中，是古代建筑實現跨越的最主要方法。當前全球航天事業快速發展，航天器結構面臨設計約束多、更新迭代繁的困境，而采用多級骨架模型的設計方法能夠加快結構設計對外部約束的響應，有力推動航天器桁架結構的應用和發展。

課內教學：桁架通常指桁架梁，由若干直桿連接而成的梁式結構，桿件主要承受軸向拉壓力，結構效率很高，廣泛應用在屋架、橋梁、電視塔等工程實際中，對于空間結構的懸挑和跨越主題，桁架結構幾乎是萬能的。1818年建造的莫斯科馬術體育館是現存記錄最早應用大跨度木結構的建筑，其跨度遠遠超過當時的常規建筑。而我國傳統的木結構建筑則是以榫卯連接為主，為了避免斷面缺損，在部件集中交合的地方盡可能將部件在不同位置相互咬合，在力的作用下接觸面會產生小的撓曲，是一種近似鉸接的狀態。木桁架結構和榫卯連接結構都是古人巧妙利用力學知識的經典設計。

課后思考：木桁架類型和結構非常豐富，是一個充滿想象力的結構體系，而且取材方便，制作工藝簡單，組織開展木桁架結構設計比賽，探索在規定的跨度條件下哪種木桁架結構的承載力最大。

4.4 教學設計案例四：圓軸扭轉

課前導入：竹子、蘆葦這類植物為什么在疾風暴雨中不被折斷？鳥類為什么能在高空中長久地飛行？它們的結構有哪些類似的地方？在工業產品設計中，設計師也常常利用圓軸扭轉的變形特點來進行造型創新，在合理的扭轉強度條件下進行產品設計，不僅提升產品的趣味性，而且可以拓展產品的功能性，同時在形態上也更加凸顯出高級感。

課內教學：首先指出竹子、蘆葦、鳥的身體肢干都有中空的結構特點，這種空心狀的結構具有比較強的抗彎抗扭性能，既能滿足動植物生存的需求，又能減輕自身的重量，體現了大自然神奇造化。再根據圓軸扭轉的強度條件可知在最大切應力相同的情況下，空心軸所用的材料約為實心軸的3/5，節省材料的原因是圓周扭轉時橫截面上的應力呈線性分布，越接近截面中心，應力越小，那里的材料就未充分發揮作用，做成空心軸，使得截面中心處的材料安置到軸的外緣，材料得到充分利用，而且減輕了構件的自重[6]。

課后思考：空心管材的優點這么突出，為什么在工程實例中并不完全用空心結構替代實心結構？提示：高速運轉的軸扭轉角過大會引起強烈振動，因此在具體的設計應用時不僅要考慮扭轉的強度條件也要考慮扭轉的剛度條件。

4.5 教學設計案例五：壓桿穩定

課前導入：大家都用過圓珠筆，我們發現圓珠筆使用久了以后筆芯收縮就不太靈活了，原因是什么？拆開一支長期使用的圓珠筆發現筆芯發生了彎曲變形，運動過程中筆芯壓桿穩定性降低導致筆芯收縮不靈。由此可知，細長壓桿突然產生顯著的彎曲變形而導致結構喪失或工作能力降低，其原因并非因強度不夠，而是由于壓桿不能保持原有直線平衡狀態，即穩定性不足，這種現象稱為壓桿失穩。橋梁是重要的交通載體，一旦發生垮塌事故往往造成嚴重后果，如1907年，加拿大的魁北克大橋由于懸臂桁架中受壓力最大的下弦桿喪失穩定，致使橋梁倒塌。1925年，蘇聯的莫茲爾橋在試車時由于橋梁桁架壓桿喪失穩定而發生事故。2001年，我國的宜賓南門大橋由于連接拱形和橋面的鋼纜吊桿斷裂，受力不均使橋面的支撐力發生波浪形擺動，造成垮塌事故[7]。

課內教學：講解梁彎曲時的內力和應力計算，教育學生要有嚴謹的科學態度，要以高度的責任感來完成橋梁設計工作。我國趙州橋經久不衰的例子說明，要科學運用力學知識分析橋梁的強度條件才能保障橋梁應用的安全和橋梁的使用壽命。趙州橋是當今世界上跨度最大、建造最早的單孔石拱橋，拱高和跨度的設計比例使得橋面坡度平緩，便于車馬行人往來，又增加橋身強度和穩定性。

課后思考：搜集現代著名橋梁設計案例，分析設計師們如何在大跨度的高難度情況下提高橋梁的彎矩強度和剛度？要保障物體的結構安全，對結構中的細長壓桿必須進行壓桿穩定的校核，如何在滿足壓桿穩定性的前提下進行帳篷結構優化設計，并做出實物模型進行測驗分析？

5 小結

本次教學改革結合信息化教學與實踐教學，通過組織構建結構合理、便于實施的工程力學課程活動，以學生發展為中心，將知識傳授、能力培養、素質教育三者有機融合，為工程力學課程教學改革提供一定的經驗和設計案例，同時促進教師業務水平與執教能力的提升。利用學校搭建的機械工程訓練中心、3D打印快速成型實驗室、CAD/CAM實驗室、自動控制原理實驗室、數控仿真實驗室、機械設計實驗室、創新設計實驗室等平臺，結合課程學習使學生能夠利用力學知識配合專業學科知識，通過實驗平臺進行探索，多角度思考問題，能夠運用相關的理論方法解決具體的工程力學問題，積極參加學科競賽，達到理論聯系實際、深入思考的學習效果，培養了學生的邏輯思維能力、辯證思維能力和應用創新能力。在教學實踐中學生多次在“挑戰杯”“機械創新設計大賽”“創新創業大賽”“工業設計大賽”“機器人大賽”等學科競賽中取得名次，特別是結合區域特色產業，基于校企合作背景的創新設計項目，如炒茶機、壓餅機、寶石分揀器等機械設計，不僅使學生和學校獲得了榮譽，還為企業帶來了收益。實踐表明，這種教學方法能夠綜合提升工程力學課程改革教學成效，向新時代新階段為國家培養“新工科”人才的目標邁進。