強化工程思維的工程力學教學實踐與探索

摘" 要：圍繞新疆大學“在金課背景下的工程力學教學體系改革與優化研究”項目的建設目標和任務，通過教學實踐，結合工程實例和課程思政，以工程問題為導向、分析問題和解決問題為目標，培養學生的工程思維、創新意識和科學精神。在教學實踐中，針對新疆大學工科不同專業、不同學時、不同層次、民漢差異等特點，以工程對象→力學模型→力學分析→工程設計為主線，從理論教學和實驗教學兩方面總結新疆大學在強化學生工程思維方面進行的教學實踐與探索，以期為學生創新實踐能力的提升提供借鑒。

關鍵詞：工程力學；工程思維；課程思政；實驗教學

文章編號：1671-489X（2025）04-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.04.0

0" 引言

高等教育是發展新質生產力的重要支撐力量，而工程教育在我國高等教育中占有重要地位。當前我國的工程教育進入全新發展階段，為了提高工程教育質量，很多高校進行了工程教育專業認證[1]。新疆大學在工程教育專業認證趨勢推動下，多個工科專業通過了國家教育部工程教育專業認證，通過專業與課程的持續改進機制保證工程教育質量。工科專業本科生工程能力的培養是工程教育專業認證的重要方面，工程能力首先體現在對工程意識和工程思維的培養。學生通過形成工程背景下的工程思維，能夠將知識與工程問題相關聯，在面對復雜工程對象時提出問題并分析、解決問題。工科專業的工程力學課程教學改革在促進學生工程能力的培養和提升工程教育質量方面發揮著重要作用[2]。

進入工科專業的本科生普遍具有較強的理科思維，為了適應工程專業的大學本科學習，在專業課程學習過程中學生需要將理科思維轉變為工科思維，這就要求在教學中不斷培養學生的工程思維和創新能力。在新的本科教學培養方案和課程設置中，工程力學課程是工科專業的重要專業技術基礎課，基本覆蓋所有工程專業。該課程一般在大學二年級開設，以力學理論與工程實踐為基礎，不僅用力學原理解釋自然現象和規律，也用力學原理分析和解決工程問題、指導工程設計。在工程力學課程教學中既要注重基礎理論教學，又要強調與工程實踐結合，提高學生的科學與工程思維能力[3]。

新疆大學作為國家“雙一流”建設高校，肩負著為新疆區域經濟發展培養高層次人才的使命。進入新疆大學的本科學生既有高考分數較高的內地生源，又有新疆本地的漢語和民語考生。不同層次學生的學習能力，知識的掌握和理解力有較大差異，其中少數民族學生因為在語言、基礎知識水平和專業術語理解力等方面與漢族學生存在差異，使得工科少數民族學生的工程意識、工程能力和工程思維培養更具有挑戰性。在服務新疆區域經濟發展中，新疆少數民族高層次人才發揮著重要作用。在新形勢工程教育專業認證的培養目標下，如何提高工科少數民族學生的工程意識和工程思維能力，滿足少數民族工程專業人才培養需求，是當前教學改革的重點內容。

加快發展新質生產力和“新工科”建設對工程專業創新人才培養提出了更高的要求，教師不僅要傳授給學生基本的工程知識，還要注重學生工程思維的培養，提升其創新實踐能力。工程力學課程教學強化學生的工程思維、工程意識和創新能力，有利于培養學生的力學素質、工程概念和工科思維。本文針對工程力學課程的內容和特點，結合工程實例和課程思政，以工程對象→力學模型→力學分析→工程設計為主線，從理論教學和實驗教學兩方面總結工程力學在強化工程思維能力培養方面開展的教學實踐和探索。

1" 通過理論教學強化工程思維

工程力學課程理論性較強，內容抽象難懂。由于工科大學二年級學生的工程概念和工程意識較薄弱，如果讓學生繼續按照理科思維學習工程力學知識，容易造成理論知識理解不透徹，難以形成系統的工程思維去分析問題和解決問題。在實際教學中，需要根據教學內容結合多種教學方式，通過力學模型的建立、工程實例和課程思政相結合、構建工程設計思想等方面不斷強化工程思維、建立工程概念、激發工程專業學習興趣。

1.1" 通過工程對象和力學模型建立工程概念

在對任何工程系統力學問題進行分析時，需要將工程系統對象抽象為力學模型。建立力學模型需要將工程對象進行簡化，在簡化過程中，合理確定約束類型，建立與約束對應的力學模型是工程設計的基礎。在教學中，學生普遍反映約束的類型和概念、約束力分析比較抽象難懂。在講解這一部分內容時，教師先引入自由體到非自由體概念；再基于非自由體位移受到限制的特點，結合工程結構中構件和構件的連接以及相對運動受到限制的形式，分析約束力和限制運動的關系，來確定約束力特征；最后將理論分析過程對應到工程實際。以具體工程對象為例，分析其結構組成以及構件和構件之間對應的約束類型，建立具體工程對象的力學模型，讓學生把抽象的理論應用到工程實際中去分析工程問題，為其建立工程概念、進行工程設計和分析打下良好基礎。工程對象抽象為力學模型的過程如圖1所示。

1.2" 工程實例與課程思政相結合

工程力學是面向工程實際的，在講授工程力學課程時，通過引入形象、生動的工程實例有利于激發學生的學習興趣，強化工科學生的工程概念。通過工程實例教學有助于提高學生工程意識，將工程中的力學問題與力學知識點有機融合，可以培養學生的工程思維，加深學生對知識的理解，提高學生分析解決實際問題的能力。例如，在講解曲柄搖桿機構的靜力學分析時，針對曲柄搖桿機構對應的力學模型，可以將曲柄搖桿機構的應用實例補充進來，如雨刮器、振動篩、牛頭刨床等，加強學生對曲柄搖桿機構的認識，這將有助于學生更好地學習機械類專業的后續課程。同時，在引入講解工程實例時，結合課程思政，注重強化工程實際應用，將課程知識與科技創新、國家發展相融合，激發學生的愛國情懷，培養他們的科學精神，幫助他們樹立科技強國的工程思想和理念[4]。工程實例與課程思政對工程能力的培養如圖2所示。

1.3" 構建工程設計思想

工程設計是大學工科教育中的重要環節。工程力學應用于工程設計主要是基于結構和材料的靜力學設計，包括強度、剛度和結構設計。通過學習工程力學中的桿的軸向拉伸與壓縮、圓軸扭轉、梁的彎曲和壓桿穩定等知識，學生可以掌握工程構件的受力、變形與失效規律，提出保證構件具有足夠強度、剛度和穩定性的設計準則和工程設計方法。在工程實際中，一些構件在復雜載荷作用下產生的組合受力與變形問題，可以促使學生從工程角度出發分析組合變形的形式，分析危險點的應力狀態，理解材料失效的原因，進而通過強度理論建立保證構件安全、可靠的工作條件，并確定結構尺寸和許可載荷。工程力學為后續的專業課程設計和畢業設計提供了靜力學工程設計準則和方法，在教學中結合工程設計思想不斷強化工程思維，有利于提高學生分析和解決工程問題的能力。工程力學中的工程設計思想如圖3所示。

2" 通過實驗教學強化工程思維

實驗教學環節是工程力學教學過程中必不可少的一部分。通過實驗教學可以將抽象的受力、變形和失效過程直觀、生動地呈現出來。工程力學實驗不僅包括常規的力學性能驗證實驗，還包括創新實驗的開發和設計。通過驗證實驗可以強化基礎知識，提高學生應用力學知識解釋力學現象和分析問題的能力。創新實驗以工程問題為導向，通過創新項目驅動提高學生分析問題和解決問題的能力。在實驗教學中強化工程思維，不僅可以幫助學生更好地理解和掌握工程知識，還可以培養學生的創新思維和實踐能力。驗證實驗和創新實驗對學生工程意識和創新能力的培養如圖4所示。

2.1" 驗證實驗

常規的力學實驗主要是脆性材料和韌性材料力學性能的驗證性實驗。在學校實驗室開展的實驗課由于實驗設備和實驗次數有限，只有少部分學生能夠參與到實驗中，大部分學生是在實驗教師的操作和講解下觀看實驗，通過實驗觀察了解實驗過程、理解實驗內容、加深對理論知識的理解。在實驗教學實踐中，通過實驗課角色轉換，由學生根據理論教學環節的學習內容安排實驗、講述實驗原理，由教師來補充實驗中涉及的工程概念和工程知識、不斷強化工程思維，這樣可以有效解決學生工程意識差和工程觀念薄弱的問題。

2.2" 創新實驗

在以培養創新型應用人才為目標的本科教育中，鼓勵實驗教師開展創新實驗課程教學，積極開展大學生創新活動，讓學生以創新實驗等方式提出工程實踐問題，并提出解決方案，從而加深對工程認知應用于工程實際的體會。在具體實驗教學探索實踐中，教師可以根據需要設置一些工程實踐類的實驗項目，提出實驗目標和要求，讓學生自己思考實驗方法和過程以達到實驗目標要求，提升學生將理論知識用于實際工程問題解決的能力，促進學生創新能力的培養。

3" 強化少數民族學生工程思維的教學探索

新疆大學學生中少數民族學生占比較大。在新疆大學工科專業中，少數民族學生約占40%，漢族學生約占60%。在民漢混班的教學培養管理模式下，一個班的學生既有高考分數較高的內地和本地漢族生源，又有高考分數偏低的本地少數民族生源，學生的語言和基礎知識水平差異較大，知識的掌握程度和理解力不同，并且不同專業對應學時不同，在教學中如何降低差異，提升整體教學質量和水平，以及培養工科少數民族學生的工程意識、工程能力是工程力學教學的一個難點和重點。

針對少數民族學生的特點，學校在教學實踐中進行了一定的探索。首先，在工程力學教學實踐中應用豐富的多媒體技術，增加工程實例的視頻和動畫，將抽象、難懂的理論知識用更直觀、生動的方式呈現出來，例如，講解桿件內力、變形和失效的概念時通過動畫演示外力—構件—內力—變形—失效過程，有助于學生理解力對物體的內部作用效果，同時引出應變、應力、強度、剛度、穩定性等基本概念，這些抽象的力學概念和知識結合生活實例加以形象、生動的講解，更有利于少數民族學生對力學知識的理解和掌握。其次，按照少數民族學生認知和學習規律，對基本概念和知識多重復、多講解，通過面對面批改作業不斷強化練習，課堂上增加提問環節，課下增加交流時間，通過分組討論激發少數民族學生的學習熱情和積極性，培養學習主動性。最后，在理論教學和實驗教學中不斷強化工程思維，在講解低碳鋼的拉伸實驗時，學生對低碳鋼的拉伸力學性能曲線對應的各個階段理解起來比較困難，尤其是強化階段的力學性能的提升和改變，學生更難以理解。當引入冷縮硬化這個工程現象時，這一抽象的過程就變得具象化了，不僅加深了學生對知識的理解，使其對工程實踐有了一定認識，而且提升了學生對工程問題的認知力和理解力，培養了工程思維，提升了專業素養。

新疆大學通過以上教學改進和探索，不斷更新教學理念和方法，使少數民族學生的工程力學課程通過率由原來的不到50%提升到60%以上，教學質量顯著提升。

4" 結束語

加快發展新質生產力和推進新工科建設對工程專業創新人才培養提出了更高的要求，工科專業不僅要傳授基本的專業理論知識，還要注重學生工程思維的培養，提升學生創新實踐能力。將工程思維融入工程力學知識和方法的教學，可以更好地幫助工科學生理解力學知識和工程問題的本質，并將力學知識應用于工程，服務于工程，為后續專業課打好基礎，提升專業認知能力和創新實踐能力。

5" 參考文獻

[1] 胡德鑫，紀璇.中國工程教育專業認證制度四十年回眸：演變、特征與革新路徑[J].國家教育行政學院學報，2022（12）：72-78，95.

[2] 劉楊，姚征，夏冬生，等.工程教育認證背景下工程力學課程教學改革研究[J].科教導刊，2023（4）：119-121.

[3] 胡國玉，金阿芳，富榮昌.工科基礎力學教學改革創新與實踐[J].中國現代教育裝備，2018（7）：38-39.

[4] 賈海朋，江春冬.工程力學課程思政思考與建設[J].中國教育技術裝備，2022（2）：58-61.

*項目來源：2022年新疆大學本科教育教學改革研究項目“在金課背景下的工程力學教學體系改革與優化研究”（XJU-2022JG34）；2024年度自治區本科教學改革研究項目綜合項目“服務自治區特色產業需求的產教融合型智能制造現代產業學院高質量建設與實踐”（XJGXJGZH-2024008）。

作者簡介：胡國玉，教授，博士。