基于油氣儲運工程專業培養方案優化“工程力學”課程教學內容與方法

摘"要：“工程力學”是油氣儲運工程專業的基礎課程，是該專業本科生今后學習“儲罐強度設計”等專業必修課程的理論基礎，至關重要。現今延安大學油氣儲運工程專業“工程力學”課程存在教材與儲運專業契合度不高、缺乏系統性及完整性教學內容、單向輸出的教學方法、學生學習主動性不足等問題，導致“工程力學”課程結束后學生仍不知如何解決儲運工程的實際問題。本文從重新編撰融合“工程力學”理論知識和儲運工程典型案例的《工程力學》教材、理論講述與實際生產相結合、增強課程的互動性、互評式批改作業并研發“工程力學”習題小程序、科學精神培養與價值觀引領等方面提出了相應的改進措施。

關鍵詞：工程力學；教學方法；教學改革；油氣儲運工程；高等院校

Abstract：\"Engineering"Mechanics\""is"a"basic"course"for"the"major"of"Petroleum"and"Natural"Gas"Storage"and"Transportation"Engineering，and"it"is"the"theoretical"foundation"the"undergraduates"of"this"major"to"learn"the"compulsory"courses"such"as"\"Tank"Strength"Design\""in"the"future，which"is"crucial.At"present，there"are"problems"in"\"Engineeringnbsp;Mechanics\""course"in"the"Petroleum"and"Natural"Gas"Storage"and"Transportation"Engineering"major"of"Yan'an"University，such"as"the"low"adaptability"of"textbooks"to"the"and"transportation"major，the"lack"of"systematic"and"complete"teaching"content，the"oneway"teaching"method，and"the"lack"of"initiative"in"students'"learning，which"leads"to"the"fact"that"still"do"not"know"how"to"solve"the"actual"problems"of"storage"and"transportation"engineering"after"the"end"of"the"\"Engineering"Mechanics\""course.This"paper"proposes"corresponding"improvement"measures"from"re"the"Engineering"Mechanics"textbook"integrating"the"theoretical"knowledge"of"\"Engineering"Mechanics\""and"typical"cases"of"storage"and"transportation"engineering，combining"theoretical"narration"with"actual"production，the"interactivity"of"the"course，adopting"a"peerreview"method"to"correct"homework"and"developing"a"\"Engineering"Mechanics\""exercise"miniprogram，and"cultivating"scientific"spirit"and"values.

Keywords：Engineering"Mechanics;Teaching"methods;Teaching"reform;Oil"and"gas"storage"and"transportation"engineering;Colleges"and"Universities

1"概述

“工程力學”是油氣儲運工程專業學生必修的一門學科基礎課，與“管道與儲罐強度設計”“輸油管道設計與管理”“輸氣管道設計與管理”等后續專業必修課程的學習具有密不可分的聯系。該課程的教學目標是使學生對油氣儲運工程設計中軸、梁、壓桿等構件的受力情況、強度、剛度、穩定性、抗疲勞性能具有明確的認知，掌握必要的力學基礎理論知識和一定的綜合計算能力。但在2023—2024學年第一學期“工程力學”教學結束后進行的學生調查中顯示，近2/3的學生認為學了《工程力學》課程后仍不知道如何解決實際問題或缺乏實踐動手能力。究其緣由，延安大學油氣儲運工程專業的“工程力學”教學過程中仍存在一些亟待解決的問題，如缺乏與儲運專業緊密相關的教學內容、課程理論未與儲運工程實況緊密聯系、學生的學習興致不高。這些問題導致學生無法掌握課堂教學知識，也導致延安大學油氣儲運工程專業“工程力學”2020年至2023年課程教學目標達成度在60%和70%之間。

鑒于“工程力學”課程在工科類院校的本科人才培養過程中至關重要，許多“工程力學”教學工作者都在嘗試豐富“工程力學”的教學方法和教學模式，完善教學內容。鐘云晴［1］認為“工程力學”教學內容的改革應結合專業特性進行調整；楊浩泉和周平［2］提出學生的科學思維和綜合能力與理論知識同等重要；劉書華和焦林［3］建議教師利用多媒體“工程力學”軟件開展教學；陸仁強［4］提出微課教學應與常規課堂教學有效融合，既能突出重點難點，又能幫助學生進行課后知識點回顧；王曄等［5］從導入階段、新授階段、互動反饋階段、課程總結與布置課后作業階段入手，進行“工程力學”課程的教學改革，以期學生發現自己掌握的力學基礎知識不足，并奮勇追擊，高效培養工程意識。諸多教學方法、教學體系、教學內容的優化措施為承擔“工程力學”課程教學的教師提供了參考，但在現今信息大爆炸和科技高速發展的新時代，有必要對“工程力學”的教學內容和教學方法進行進一步優化處理，從而更好地開展符合油氣儲運工程發展現狀的“工程力學”教學工作，為社會主義現代化建設培養更多具備力學知識、綜合計算能力、社會主義責任感和工程情懷［6］。

2"當前油氣儲運工程專業“工程力學”課程面臨的主要問題

2.1"課程缺乏系統性及完整性教學

“工程力學”課程包括靜力學與材料力學兩大部分，呈明顯遞進關系。例如，靜力學中剛體受力分析、力系或力偶系平衡公式、力對點之矩和力對軸之矩、力向一點平移定理等知識，是為材料力學中變形體的受力分析、應力求解、內力校核等方面的學習奠定基礎；軸力圖、扭矩圖、剪力圖和彎矩圖的繪制是進行桿件強度校核或尺寸設計的前提和依據。但目前教師授課內容存在各章節銜接不緊密的問題，導致學生出現靜力學知識基礎不扎實和后續章節學習難度增大的狀況。

當前《工程力學》的教材強調力學理論知識及經典例題的計算［7］，促使教師將更多的側重點放在理論化教學上。這種重理論而輕實踐的教學模式，會導致學生對軸和梁變形后應力狀態的差異性變化等內容沒有準確系統的認識。學生無法從課堂上獲得豐富且全面的專業知識，亦無法真正地提高自身專業基礎［8］。例如，在講述“組合受力與變形”章節中應力分析時，教師照本宣科、大篇幅地講述應力疊加原理，會讓學生無法在腦海中立體地呈現斜彎曲、拉壓與彎曲組合、扭轉與彎曲組合中應力疊加的實際情況。值得注意的是，教材中例題不是儲運工程實況問題，導致學生只能機械性背誦計算公式。大四進行畢業設計或者進行“儲罐強度”課程設計時，面對應力狀態分析或設計天然氣管道跨越方案，學生不知道選擇哪種計算公式。

2.2"教師教學方法與教學模式存在問題

“工程力學”教師的主要教學手段是板書與多媒體。這種教師單向輸出、師生互動較少的教學模式，易出現學生被動聽課零反饋或者學生虛假反饋信息的現象，這導致教師無法準確判斷學生是否聽懂、有沒有掌握課堂教學知識。部分教師的多媒體課件中文字多但圖片少、重點不突出，難以吸引學生的課堂注意力，導致學生不能真正地融入課堂，甚至少數學生不認真學習。

此外，教師剖析的典型例題是與實際工況契合度不高的簡易力學模型，會導致學生缺乏拓展思維，且不能將理論知識轉變為實際操作技能。長此以往，會導致一些學生因為力學基礎沒打牢，在今后進行“儲罐強度設計”“工程流體力學”“輸氣或輸油管道設計”等實踐類課程學習時難度增大。

2.3"學生學習主動性較弱

學生在學習“工程力學”的大量理論、公式時感覺理論深奧繁雜，存在畏難情緒。加上課時周期（如2023—2024學年第一學期排課18周）較長，公式的推導過程相對枯燥，進一步導致學生對授課內容難以理解。教師雖布置課堂作業，但很多學生不會或不愿做作業，作業雷同現象嚴重，教師無法通過作業掌握學生的課堂學習情況，學生完成的應付式作業亦不能鞏固其“工程力學”理論知識和提高其“工程力學”應用能力。此外，若學生沒有及時修改教師批改的作業，也將無法提高學生的知識掌握程度。期末考試時學生盲目地套用公式，會忽視自己是否理解其真正含義。例如，《梁的彎曲》這一章節已明確強調梁分為外伸梁、懸臂梁和簡支梁，但在2023—2024學年“工程力學”期末考試試卷外伸梁強度校核這一考題中，1/3的同學錯誤地采用桿件伸長壓縮的情況來開展計算分析。學生在課堂中不想背誦“工程力學”中的理論知識和重要公式，課后又不愿意復習易錯知識點，長此以往將導致力學基礎不牢固。

3"優化“工程力學”教學內容和方法

3.1"優化教學內容

3.1.1"對教學內容進行系統性和完整性的歸類

面對《工程力學》教材內容和重要知識點涵蓋面廣，但課時有限這一問題，建議教師備課時對教學內容進行系統性和完整性的歸類，講授時結合油氣儲運工程專業特點和培養目標對相關內容重點講解。首先，如材料力學中軸、桿和梁中應力公式的應用，通常會涉及應力的校核、截面設計和許用荷載的計算這三方面。教師可以在習題講解過程中，用一道例題舉一反三，變換提問形式，讓學生在同一個力學模型中領會強度校核、截面設計和估算許用載荷的實際運用，以達到系統性的優化教學內容。其次，工科類院校在本科教學內容的選擇上遵循“有用、夠用、實用”的原則［9］。故而，“工程力學”課程要多講與油氣儲運工程相關的知識，偏理論研究的內容可以進行概念性的提及。最后，“工程力學”課程中的力學知識要為后續“儲罐強度設計”“工程流體力學”“輸氣管道設計及原理”等專業課程學習做鋪墊，所以教師在授課期間可以多次強調后續專業課程運用到的知識點，以此讓學生對該知識點留下深刻印象［10］。

針對目前所用教材與儲運工程實況契合度不高的問題，鼓勵儲運工程專業資深教師撰寫專業性教材。多位資深教師協力把自身掌握的“工程力學”理論知識、與“工程力學”緊密聯系的儲運工程典型案例融合并整理成冊，為提高儲運工程專業“工程力學”的教學質量奠定基礎。

3.1.2"有針對性地擴展課堂知識點

面對“工程力學”授課內容枯燥、課程理論與油氣儲運工程關系不緊密等問題，建議教師在講述基本教學內容或講解例題時，適當地導入油氣儲運工程領域典型案例，增加學生的感知認識［10］，讓學生明白課程所學的力學知識在今后工程實踐中至關重要。例如，在油氣傳輸管道工程中，“工程力學”課程可以通過研究管道的受力分析、撓度問題，為管道工程的設計和施工提供理論依據；“工程力學”課程也可以用于儲能設備的設計與分析，確保其在受到外界力作用時的穩定性和安全性。

同時，教師在講解實驗與理論之間的聯系時，可以著重介紹實驗的應用前景、實驗手段更新過程與實驗理論發展史，亦可以向學生介紹新的實驗技術和新型材料在油氣儲運領域的應用，激發學生的學習興趣。例如，數值模擬技術能用來模擬油氣輸送管道及儲能設備的受力、變形等情況，為工程設計和優化提供更精確的依據；“工程力學”課程在新材料的應用中起著重要的作用，通過對材料的強度、剛度等力學性質進行分析和計算，可以為新材料在儲罐設備中的應用及輸送效率提供指導。

3.1.3"有針對性地開展實驗教學

以往的“工程力學”實驗課程都由任課教師制定實驗題目、實驗目的、實驗原理、前期準備工作、實驗步驟、實驗注意事項，以及實驗要求。這樣的實驗課程中，學生參與度不高，不能真正掌握實驗方法和實驗原理。因此，建議授課教師設定實驗題目和實驗目的，由學生自己以小組為單位針對實驗題目嘗試撰寫相應的實驗方案、實驗步驟、所需材料，經教師修改認可后開展實驗。通過這種針對性較強的實驗教學，“工程力學”課程可以實現理論+實驗的教學方式，營造出良好的有效的教學環境，不斷提高學生對“工程力學”的認知以及實踐操作能力［8］。

3.1.4"合理巧妙地設計課堂

要想避免枯燥的課堂氛圍，教師需要合理巧妙地規劃課堂。教師可以利用多媒體教室、工程力學模型等素材，將構件的受力分析、動態變形、內力疊加等抽象的知識點變得生動形象［8］，也可以讓學生將文字化的力學知識與真實的工程案例有效融合［10］，從而深入淺出地讓抽象的力學原理落地，避免理論灌輸。例如，將力學中各種抽象構件模型（如簡支梁、外伸梁、變形組合中內力疊加等）通過動畫模擬呈現在學生面前［10］。但需要注意的是，動畫視頻一幀一幀變化較快，既需要教師偶爾暫停視頻進行詳述，也需要結合板書來使學生思維緊跟視頻講解的思路。值得注意的是，板書不僅為學生整理知識體系，還讓學生在做課堂筆記時進行一定的頭腦風暴，幫助學生理解重要的知識理論和公式推導。因此，根據“工程力學”課程內容的不同，將板書、多媒體短視頻、多媒體PPT合理分工，使得課堂教學生動有趣。

當前，多媒體技術已經成為延安大學油氣儲運工程專業開展“工程力學”教學活動的有效輔助手段，因此建議教師增加課件的美觀度和吸引力。①課件的排版配色要清新、自然［9］，提高視覺美感；頁面中可以有一些小裝飾，使課件顯得活潑、不呆板。②頁面布局上要合理，結構要清晰。課件中文字之間要有邏輯、重點突出，必要時用動畫配合教師口頭講解。③圖表和視頻比文字更直觀、更易理解和記憶，因此建議教師多采用圖表、視頻等直觀展示手段［9］。

3.2"教學模式和教學方法多元化

如何改變以教師為中心的傳統式教學？如何在“工程力學”課程中以學生為主體，幫助學生主動融入課堂？這對教師來說是一個全新的挑戰，是“工程力學”教師在教學中需要改變與創新的方向［11］。

首先，教師要幫助學生明白學生是“工程力學”學習的主體，學生要自主學習、主動學習，并能積極主動地輸出自身掌握的力學基礎知識［9］，翻轉課堂或小組合作能實現這種教學目的［7］。在“工程力學”的教學實踐過程中，教師要由教師教、學生學的傳統教學模式，變成學生主動學的教學模式。要讓學生成為課堂的主體，讓學生掌握力學學習方法，重點培養學生的思維能力與創新能力。例如，學習《圓軸扭轉》章節中的扭矩公式時，教師可以布置一兩條課程任務，讓學生成立學習小組并一起探討和思考課程任務，并在課堂中展示扭矩公式的推導過程。學生有針對性地去預習，在預習過程中發現問題、提出問題、組內探討問題，最后再帶著未解問題在課堂上認真聽課。這種教學方式不僅能夠調動學生的學習主動性［10］，激發他們的學習潛力，還能加強學生對理論知識的掌握與運用能力［11］。

其次，教學中可以多用情景式、類比式、案例式和互動式等教學方法［9］。以《動載荷與疲勞強度概述》這一章節為例，可以使用案例法引出授課內容。油氣儲運工程領域經常面臨設備故障和損壞的問題，如管道泄漏等。“工程力學”課程可以通過分析材料疲勞、斷裂和損傷等力學行為，幫助工程師準確判斷設備和結構的壽命和可靠性，預測潛在的故障和失效問題，及時采取維修和改進措施。

再次，教師在授課過程中要對重要知識點或者重要過程進行多次提問、多次紙質版知識闖關練習，甚至叫學生板書答案。俗話說：“好記性不如爛筆頭”，教師只有帶動學生記錄重要知識點，才能避免學生不認真聽講的情況。講課時，教師可以適當離開講臺，在學生間走動，既能讓神游天外的學生思緒回歸課堂，也使認真聽課的學生感受到被關注、上課更專注。

最后，教師可引入互動教學平臺（如學習通、超星爾雅）或工程力學專用小程序，提升“工程力學”教學互動性與反饋效率，實現課堂內外的高效連接。例如，在講授梁的彎曲應力時，教師可先在平臺上發布包含不同支撐條件和載荷類型的虛擬梁模型，設置關鍵參數讓學生在線調整（如截面形狀、載荷大小位置），并即時觀察梁的彎矩圖、剪力圖及應力分布云圖的動態變化。課后，平臺可推送基于學生模擬結果的個性化練習題組，強化薄弱環節。AI賦能課堂，不僅顯著增強了教學的互動性與趣味性，更將抽象的力學概念以直觀、可操作的方式呈現，有效解決了學生“被動聽講、反饋失真”的問題，最終促進學生將理論知識內化為解決儲運工程實際問題的能力。

3.3"學生互評式批改作業

為了避免平時作業無效批改，可以在教師批改的基礎上補充學生互評［9］。如學生完成課堂測驗后，教師給出參考答案和評分標準，讓學生之間進行隨機互評，以此培養學生的糾錯能力，教師還可以讓作業做得比較好的學生講解自己的解題思路和解題注意事項。學生互評或講解課堂作業的過程，也是其明確解題原理、鞏固解題思路和解題步驟的過程，能進一步提高學生學習的參與度和積極性。最關鍵的一點就是，易錯題要讓學生在課堂上間歇性多次練習，直至基本掌握。

儲運專業的教師也可以研發課程習題小程序，比如借助典型分析計算題小程序來識別學生計算步驟中存在的問題，且能解譯出現問題的原因。這項開發軟件的工作任重道遠，但開發出來之后學生會受益頗多。

3.4"“工程力學”課程中的價值引領

教師除了“傳道受業解惑”，也要立德樹人。因此，高校“工程力學”課程不僅要傳授力學理論基礎知識，還要培養學生的科學精神、工匠精神和工程素養，保證課程既有知識性傳輸也有價值觀引領。“工程力學”中的靜力學部分公理較多，教師可以適當擴充公理的發明史，或講述趙州橋、“神舟”號載人飛船發射運用的力學知識。這些課外延展內容可以在一定程度上激發學生的學習欲望，也能增強學生的愛國情懷和民族自豪感。此外，在向學生弘揚科學家們的科學精神及科學信仰時，還可以介紹我國石油管道運輸奠基人——翁心源和油氣儲運工程帶頭人——李長俊的科研之路，激發學生科技報國、工程強國的情懷和擔當。授課教師也可以講解目前油氣儲運工況中面臨的瓶頸問題，激發學生的學習熱情，促使學生自主學習、努力學習。

結語

充分立足于油氣儲運工程專業“工程力學”教學目標和教學任務，結合專業特點和培養目標，對教學內容進行系統性和完整性的歸類。在教學實踐過程中，突出重點，使得教學內容更為貼近油氣儲運工程的實際情況。同時，教師還應當對部分課程內容進行拓展創新，加強“工程力學”與其他相關專業性課程之間的聯系，盡量做到油氣儲運專業本科培養方案中多種課程之間的無縫對接。此外，教師在教學中利用情境創建法、類比法、案例分析法、互動法等多元化教學方法，不僅讓學生融入課堂，提高其學習主動性，還要向學生弘揚工匠精神、家國情懷和工程意識，努力培養更多具備專業知識和社會主義核心價值觀的新時代工程人才。

參考文獻：

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［11］方前程.工程力學教學方法的創新探索［J］.當代教育實踐與教學研究，2017（05）：143144.

項目資助：延安大學博士科研啟動項目“榻石原位微區地球化學特征對斑巖CuAu礦床巖漿熱液成礦過程的約束：以滇西北衙超大型金礦床為例”；延安大學線上線下混合式一流課程建設項目：《工程力學》；基于實踐計算的本科生解決復雜工程問題能力的培養與實踐；研究生教改項目：滲流力學與生產生活

*通信作者：鮑新尚（1991—"），女，漢族，河北滄州人，博士研究生，講師，碩士生導師，研究方向：油氣儲運工程和礦床地球化學。