應用型本科高校力學課程教學改革研究

［摘 要］隨著高等教育改革步入“深水區”，帶來了許多新情況、新問題、新觀點。不斷總結經驗教訓，探究各種教學現象的根源，并采用積極穩妥的舉措，可以建立“面向工程、強化基礎、提升能力、塑造價值”的力學課程教學體系，提升力學課程教學的生命力。文章以淮陰工學院力學課程教學為例，著重討論其教學核心，構想其教學模式，提出其優化策略，強化在教學過程中若干關系的平衡。

［關鍵詞］力學課程；教學核心；教學模式；優化策略

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）12-0024-05

力學是近代工程技術的重要理論基礎之一，主要研究物體的空間位置和形狀隨時間變化的機械運動規律，為揭示自然界中與機械運動有關的內在聯系提供有效的工具[1]。理論力學研究移動和轉動，材料力學研究變形，流體力學或空氣動力學則研究流動。按學生所學專業需要可細分為結構力學、彈性力學、塑性力學、斷裂力學、振動力學、生物力學等。力學課程知識與自然現象、生產實際聯系密切，在基礎課與專業課間起著重要的橋梁作用。

淮陰工學院是一所地方應用型本科高校，其二級學院機械與材料工程學院（以下簡稱學院）將力學課程作為必修課。學生掌握力學知識的程度直接影響后續專業課程的學習效果。多數學生畢業后進入生產一線從事實踐工作。為了培養學生具有扎實的專業理論功底和比較豐富的專業知識，學院堅持以應用為出發點和落腳點，不斷優化力學課程教學內容，深入開展教學改革、更新和升級，將學生固有的或潛在的智慧由內而外地激發出來。

一、以強化學生力學思維分析能力為教學核心

應用型高校的教學目標是學業期滿的學生應有比較高的思維分析水平，能夠分析、解決具體工程問題。力學教育主旋律是教會學生思維分析[2]。力學知識與力學思維分析有密切的關系，但兩者的內涵不相同。力學教材知識和教師講課內容不會自動鉆進學生頭腦，也不能代替學生進行思維分析，教師應引導學生發揮思維分析能力，對比相關物體之間的異同點，分析相關現象中物體的因果關系、排中關系、依存關系、對立關系等，通過獨立琢磨、思索、構想、推斷、歸納，認清物體或知識的本質、特征，并化感性認識為理性認識。例如，教師完成理論力學課程各個階段的教學后，可以安排學生分別做靜力學的受力分析、力系簡化、平衡方程、摩擦、桁架內力等內容的思維導圖，運動學的坐標描述、剛體簡單運動、點的合成運動、剛體平面運動等內容的思維導圖，以及動力學的質點運動微分方程、動量定理、動量矩定理、動能定理等內容的思維導圖[3]。隨著一系列精心授課和有效實訓的開展，學生在力學知識的學習上漸漸入門，熟悉并掌握思維分析的方法、路徑，悉數學會轉換思維分析尺度、維度、角度、梯度的訣竅，嫻熟處理力學要素之間的搭配，就能將學到的力學知識付諸應用，以力學思維孕育創新思維。

二、探索實踐新型的力學課程教學模式

（一）開放式教學模式

科學發展及新材料、新結構、新技術、新產品的不斷涌現，對力學提出了新的挑戰。創建學生自主學習實踐的開放式課堂，將學生置于力學科技信息最新發展區，不斷拓寬學生的視野，放大學生的想象空間，成為力學課程教學改革的當務之急。課程教學知識要及時補充課外實用的反映現代科技成果的內容，并同經典力學基本概念相互呼應。特別在電腦軟件計算工具問世以來，力學教學不能停留在手工方法計算上，而應要求學生運用數字設備的強大功能，把力學學科知識與有關聯的其他學科知識聯系起來，研究荷載、結構更加錯綜復雜的力學對象[4]。改變教師總在課堂上一枝獨秀的狀況，突出學生在課程教學中的主體地位，加強師生、生生溝通、合作，大家各抒己見、暢所欲言，共同探索力學的問題性質，借助力學理論剖析工程項目，分享所獲結論的力學意義[5]。鼓勵學生不要滿足于課堂教學的信息量，積極上網、在圖書館查閱力學學科的文獻資料，進行自我擴充、積累，依靠自身能力排除學習上的障礙，并在固定程序或范例束縛之外解題，盡量做到推陳出新。組織學生前往實習基地或參觀生產設備作業現場，深刻體驗力學的物質表現形式和內在道理。

（二）個性化教學模式

尊重學生的獨特性和差異性，在教學大綱范圍內嚴格執行力學課程質量標準，有目的、有計劃、有步驟地開展個性化教學活動，盡量使每個學生都能得到充分的可持續的發展。根據教學班學生的專業特點、知識基礎、鉆研水平，教師對部分教學內容進行適當刪減或添補、細化或簡化、提前或推后。對于那些對力學學科知識學習興趣濃厚、能力較強的學生，可在課堂上適當引導他們進行略有難度的思考，加強其認知張力。超出教學大綱范圍，提出力學建模題目（如正應力、位移、加速度等）和應把握的要點，指導學生個人或興趣小組學習創新設計力學模型。學生創造模型后，經過多種參數變化的運行，如果其結果能滿足一定精確度的要求，并與仿真或實驗效果相吻合，則及時予以肯定和贊許；如果學生創造模型的求解精度較差的，則提示他們從哪幾個方面去分析原因并加以改進、研究解決途徑，或者讓他們留待以后用更強的建模能力來完成。對于學習進步緩慢的學生則需多費一番周折，通過批改作業找到其出錯的原因，進行一對一的師生輔導或學生小組幫扶。

（三）服務型教學模式

學生在力學課程教學中應占據主動地位，教師應處于為學生提供各種引導、助力的位置。教師在教學實踐中真誠為學生服務，一切從學生實際出發，把學生的剛需納入教學安排[6]。在學生學習過程中，他們能想到的要為他們雪中送炭，及時滿足他們的合理需求和愿望；他們暫時沒有想到的，也要提醒他們提前做好準備，便于其擺脫困境。教師可將自己精心制作的力學課程視頻上傳至本校網絡教學課程平臺，以便學生結合自己的學習進度自主學習，不懂的地方反復看、反復聽，直至明白為止。建立學生力學課程各階段學習狀況的檔案記錄，以便對癥下藥、服務到位。為了使學生能夠提高學習效率，營造良好的教學環境，教學單位購置各種臺（套）的小型便攜式教具，如曲柄滑塊、牛頭刨床、制動機構、行星輪系等，收藏更多可以用于教學用具的學生參加省級以上力學競賽的獲獎作品，如無碳小車、連桿式機器人、全自動轉輪、電動螺絲刀等；教研組建立教學案例庫、思政案例庫、教師課堂提問題庫、學生討論題庫等。教師要提高將資源為我所用、物盡其用的能力，在課堂教學、實驗課教學中恰當、巧妙地發揮它們應有的作用。

三、力學課程課堂教學、實驗室教學優化策略

（一）提高課堂教學的效率

教師在課堂上耐心講解力學知識，吸引學生的注意力，把課前預設在課堂變現，把教學初衷轉變為教學實踐。力學概念往往比較抽象，教師講授相關內容時盡量從具體的事物入手，舉一些生產、生活中的例子，可使學生形成感性認識，便于其更好地理解和掌握理論知識。例如在講解受力平衡時，分析人采用頭頂或肩挑負重，使重物的重力沿著脊椎的軸線方向作用而只承受壓力的做法是科學的；在講解點的加速度合成運動時介紹柏而定律，并告訴學生在地球科里奧利力的作用下，北半球的人鞋底的右側往往比左側先磨破，而南半球的人則相反；在講解剛體對定點的動量矩定理時，引入抖空竹中的力學問題，即人將線繩繞在短軸上用力來回抽拉，利用線繩對短軸的摩擦力帶動空竹旋轉。線下課堂授課的優勢是面對面啟發學生，教師需開展有深度的問答，例如可提問“為什么吊車由于起吊位置選擇不合適沒有吊起重物，反而引起翻倒”，指定學生按照力矩理論來回答原因何在。總而言之，在力學課程教學過程中激活學生的思維，觸發其能動反應，促使其迸發靈感火花，達到活學、活用的目的。

（二）強化多媒體教學的作用

把多媒體教學設備用得得心應手，逐步提高教學課件的質量。將原本在黑板上書寫本課程教學的體系、脈絡類文字內容改由多媒體展示，節省課堂教學時間，可以向學生輸送更多的教學信息與資源。力學理論離不開抽象的嚴謹的語言表述，教師要吃透力學課程內容的精髓，使用信息技術將抽象的原理和計算結果轉化為可視化課件。自制或從網上下載相應的照片、圖畫、漫畫、動畫、示意圖、曲線圖、統計表、幻燈片、錄像等，然后用多媒體教學設備在課堂上同步播放，用以配合教師講授的一些難以用語言表述清楚的內容，使學生能夠直接感知描述性的知識，以便達到化難為易、化繁為簡的效果。最后將相關的分散內容升格為系統、高級的認知。

例如可以用ANSYS仿真軟件及手段制作相應理論模型的課件[7]，反映測算不同截面形狀懸臂梁的強度、剛度。第一步，在屏幕展示懸臂梁的示意圖。第二步，在屏幕展示梁的矩形、工字形、圓形、圓管、箱形、三角形環狀截面示意圖，假定控制各截面面積S=1200mm2，測算這6種形狀截面邊線的長度尺寸。第三步，計算這6種形狀截面梁的慣性矩大小。第四步，計算這6種形狀截面懸臂梁在自由端受1200N載荷作用下固定端的最大彎曲正應力理論解。第五步，計算這6種形狀截面懸臂梁在自由端受1200N載荷作用下自由端的最大撓度理論解。第六步，計算這6種形狀截面梁在ANSYS中的有限元模擬解：（1）在屏幕展示所建立的幾何模型圖；（2）在屏幕展示計算機求解上述形狀截面懸臂梁在自由端受1200N載荷作用下的位移云圖；（3）在屏幕展示與前述相同條件下的等效應力云圖；（4）在屏幕展示繪制的前述6種形狀截面懸臂梁的數據分析表格，并進行與理論值的誤差計算。第七步，對問題進行分析總結。全例在屏幕上總共展示各種圖25幅、表格1份。

（三）注重確保實驗室教學的成效

材料力學、工程力學、熱流體學基礎等課程的教學大綱規定有一定比例課時的實驗項目教學。通過實驗室教學，學生能學到許多理論課堂上學不到的東西。把課程理論貫穿到力學性能實驗中，以實驗為理論教學服務，使學生切身體驗理論知識的應用；將理論知識和實驗相結合，經過思維加工過程得到新的認識。例如可安排學生進行矩形、圓形、工字形、T形等截面的單體梁在純彎曲狀態下橫截面上的正應力實驗，觀察其橫截面正應力的大小以及分布規律，驗證彎曲正應力公式，然后指導學生在單體梁實驗的基礎上增加疊合梁實驗，測出其橫截面上的正應力數據，用電腦和應用軟件的處理功能呈現模擬實驗結果，并將其與單體梁的正應力數據進行對比分析，根據實驗規律推導疊合梁橫截面上正應力的計算公式。教師還可以嘗試翻轉實驗教學，告訴學生實驗目標以及常規實驗設備儀器的使用方法和注意事項后，下達實驗任務，要求學生自行選擇、設計、修改實驗方案，錯了可以再試。當然，教師必須及時跟蹤點評，必要時親自演示規范操作辦法。

四、有效開展力學課程教學需要處理好的關系

（一）傳統教法與現代教法的關系

教學改革大力推行現代教法，是出于提高力學課程教學效率和降低教學成本的需要，絕非全盤否定傳統教法。妥善處理傳統教法與現代教法的關系，要將傳統教法的優勢與現代教法的優勢進行有機結合，爭取更好的教學效果。可根據不同的教學內容、背景、條件、對象，合理采用現代教法和傳統教法。現代教法強調自由發揮，教師可以圍繞所教主題闡述課本知識和自己積累的知識，組織學生暢所欲言等。例如開展理論力學課程的教學時，可在摩擦章節引入某航天器軸承轉子的滑動與滾動形式，解析滑動摩擦與滾動摩擦的區別與聯系；在平面運動章節引入人造關節這一與生物力學交叉的學科知識，讓學生在理解結構平面運動規律的同時，了解力學在前沿科技中的重要應用。參照《力學學報》《機械工程學報》等期刊介紹的相關資訊，組織學生對活塞式壓縮機中的各種力（氣體力、慣性力、摩擦力以及綜合活塞力）進行計算分析。不過現代教法仍然需要部分沿用傳統教法中的講授法，畢竟教師首先要通過課堂講解把教材上的內容教給學生。現在高校力學課程教學幾乎離不開應用多媒體的輔助功能。由于學生有時閱讀所播放課件內容的速度跟不上教師講解的速度，在課堂上來不及思考，就容易失去參與互動的機會。針對這一現象，教師推演如流體力學課程中恒定流能量方程（伯努利方程）的證明過程，可以沿用“黑板+粉筆”的傳統教法，邊寫邊講，甚至可重復幾遍，掌控好教學節奏。現代教法倡導學生用自己的思維方法解題，順藤摸瓜找到打開所有“鎖芯”的每一把“鑰匙”，但這也建立在完成一定數量的具有典型性、代表性的練習題作業的基礎之上[8]。

（二）粗放教學與精細教學的關系

粗放教學和精細教學融為一體、相得益彰，或兩者取其一，獨立發揮作用。教師課堂講解應確保是最基本、最重要的內容，如材料力學課程內容的核心、主干、重點和難點：材料力學的基本概念和基本假設、軸向拉壓時的強度計算和變形計算，圓軸扭轉時的應力、應變計算，求剪力方程和彎矩方程以及橫力彎曲正應力、彎曲剪應力的計算等，務必從點到線、從線到面地進行仔細講解，確保學生能夠前后連貫、觸類旁通。有些內容比較淺顯，如軸向拉壓的應力、疊加法求彎矩、變形等；有些內容過于陳舊，如有些已講內容或意思相近的內容。學生運用高等數學知識很容易理解的那些公式推導，教師可以粗線條講解、提速講解或點撥講解，讓學生課后溫習、自修。學生綜合學習成績，粗放計算是按照期中考試、期末考試和實驗考查的分數加權平均后確定。這樣的好處是計分程序公平，學生追求的直接目標比較清晰。精細計算是按照學生考試考查成績以及完成課外作業數量、質量，在課堂上回答教師提問時的表現和其他評價等情況規定的比例計算。這樣能夠促使學生求真篤學、學思踐悟，但也可能摻入教師的主觀因素。

（三）力學教育與思政教育的關系

力學教育要做到對學生價值塑造、知識傳授和能力培養的有機統一。三尺講臺既是傳授力學課程知識的平臺，也是傳播黨的方針政策、弘揚中華民族偉大復興的精神、宣傳愛崗敬業的職業道德等的重要陣地[9]。將思政案例無縫嵌入所講的力學課程內容里，能夠對學生進行春風化雨、潤物無聲的隱性教育，幫助學生“求知、鑄魂、踐行”。其實，力學知識里蘊藏著許多力學文化的元素，找到力學知識與思政案例的邏輯鏈，大量生動、鮮明、得體的案例就會呼之欲出[10]。例如在講解考慮摩擦的平衡問題時可介紹電影《我和我的祖國》中的一個片段：黃渤出演電動旗桿設計安裝者林治遠，為確保升旗儀式萬無一失，反復測試并排除一個個問題，最終保障升旗儀式順利進行。黃渤在片中爬旗桿用的腳扣，又叫“克京鐵鞋”，是淄博一名供電工人張克京發明的。以此激勵學生樹立鍥而不舍的科學態度，增強學生愛國情懷。又如在講解靜力學受力分析時，可謳歌港珠澳大橋、重慶朝天門大橋等工程建設者艱苦創業、無私奉獻的精神。當然，力學課程教學以專業內容為主，插入思政內容不能占用整塊、大段時間，一個教學單元講解思政內容或播放思政課件的時間控制在兩三分鐘為宜。

五、結語

將力學課程知識一分為二，一半是理論基礎知識，另一半是應用知識。理論基礎知識是應用知識的基礎，應用知識是理論基礎知識的發展，兩者互為支撐、不可或缺。力學課程教學改革不僅要夯實學生的力學理論知識基礎，提高其包括力學眼光、力學思維等在內的學科素質，而且要推動學生努力積累力學應用知識，不斷提高機械工程設計、制造方面的專業技術水平與動手能力，以適應新時代產業不斷轉型升級、技術持續更新迭代的需要。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 張小鋼，姜華.大連理工大學力學學科發展規律探析[J].高教發展與評估，2020，36（2）：51-58.

[2] 董紀偉.力學教學中培養發展學生思維能力的探索[J].教育教學論壇，2015（4）：31-32.

[3] 羅國宇.基于核心公式誘導思維的理論力學知識網絡圖構建與應用[J].高教學刊，2023，9（7）：86-91.

[4] 賴榮燊，黃海鵬.基于有限元分析與專業案例庫的《工程力學》課程教學模式研究[J].教育教學論壇，2020（13）：276-277.

[5] 艾心熒，劉良坤，潘兆東，等.基于OBE的工程教育模式下土木工程專業理論力學教學設計改革與實踐[J].大學教育，2022（9）：61-64.

[6] 徐曉飛，李廉，戰德臣，等.未來工程教育形態：面向可持續競爭力的服務型教育[J].中國大學教學，2019（5）：4-9.

[7] 周騰，吳之豪，史留勇.有限元分析及混合教學法在材料力學課程中的教學研究[J].高教學刊，2021，7（35）：82-86.

[8] 朱坎，陳中，楊大春.工程碩士研究生高等流體力學課程教學方法研究[J].化工高等教育，2023，40（4）：79-83.

[9] 教育部.教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知[EB/OL].（2020-05-28） [2023-11-12].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-06/06/content_5517606.htm.

[10] 張娟. 理論力學融合式課程思政研究與實踐[J].大學教育，2023（9）：129-131.

［責任編輯：龐丹丹］