林加劍

摘 要： 根據(jù)應用型人才培養(yǎng)目標，教師應以工程力學教學內(nèi)容為基礎(chǔ)，將知識點與工程實例相結(jié)合，激發(fā)學生興趣，拓寬學生視野，精選工程實際問題，采用理論分析、數(shù)值計算、實驗研究三種方法解決問題，提高學生解決問題的能力，夯實力學理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 應用型人才 教學研究 工程力學

一、應用型人才培養(yǎng)模式下的工程力學教學現(xiàn)狀

應用型本科教育是一種新型本科教育，是隨著科學技術(shù)的發(fā)展及高等教育由精英教育向大眾化教育的轉(zhuǎn)變形成的。應用型人才是指能將專業(yè)知識和技能應用于所從事的職業(yè)的一種專門人才類型。他們不僅要系統(tǒng)掌握與崗位相適應的專業(yè)基礎(chǔ)理論和知識結(jié)構(gòu)，還要具備較強的獲取知識和應用知識、分析問題和解決問題等綜合能力[1]。對于機械專業(yè)的學生來講，企業(yè)需要他們有夯實的專業(yè)基礎(chǔ)知識，并將理論應用于實踐，特別強調(diào)具備與一線生產(chǎn)實踐相結(jié)合的實驗、制圖、計算機等專業(yè)技能和基本工藝操作技能。這種現(xiàn)狀對高校的教育方式提出了新要求，同樣工程力學作為機械專業(yè)的核心課程，其教學模式需要進行一系列改革和思考。

工程力學是工科類專業(yè)的一門重要的核心課程，在基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間起著承上啟下的作用，它的重要性是毋庸置疑的。傳統(tǒng)工程力學教學大綱比較強調(diào)理論的系統(tǒng)性和公式推導的完備性，這需要學生有一定的數(shù)學基礎(chǔ)。工程力學有其固有的特點和難點，如內(nèi)容豐富、概念多、定理多、理想模型多、邏輯性強、推理抽象、數(shù)學應用多等[2]。另外，目前教學改革形勢比較偏向于教學內(nèi)容的增加和教學課時的減少，隨著高校擴招，上課學生人數(shù)增多，教師多采用多媒體教學，無形中加快講課速度。上述各情況均在教學中引起了一系列問題，根據(jù)多年的教學經(jīng)驗可知，經(jīng)常有一些學生因為課程本身的難度和數(shù)學基礎(chǔ)的缺乏，在開課初期就感覺到學習存在困難，甚至開始逃課，完全放棄本課程的學習；由于課時較少，上課進度較快等原因，一部分學生無法跟上老師的講解速度，隨著疑點、難點的積累，很容易產(chǎn)生厭學情緒，還有一部分學生初期比較認真，隨著課程的深入講解，無法及時形成知識系統(tǒng)，陷入一個個概念和公式的怪圈中[3]。少數(shù)同學可以比較系統(tǒng)地掌握本課程的理論知識，能否將知識靈活運用于實踐中則是對其提出的一個新挑戰(zhàn)?；谏鲜銮闆r和局面，必須對現(xiàn)有工程力學的課程內(nèi)容、教學方法等環(huán)節(jié)進行一系列改革，以便實現(xiàn)應用型人才培養(yǎng)目標，才能取得讓人滿意的結(jié)果。

二、基于應用型人才培養(yǎng)模式的工程力學教學改革思路

1.工程意識培養(yǎng)

錢學森認為力學工作者必須用理論解決工程技術(shù)問題，而理論分析需要有正確的抽象和概括，使分析得到簡化，從而解決全局性問題。工程力學具有兩重性，既有科學基礎(chǔ)性的一面，又有技術(shù)應用性的一面。工程力學在材料、機械、航空航天、交通水利等工程領(lǐng)域有非常重要的作用，它是許多課程的先修課程，又與許多后續(xù)課程有著密切聯(lián)系，是學生從理科基礎(chǔ)進入工科應用的橋梁。所以，開課初期就應該讓學生了解工程力學在工程中的重要地位，不能把工程力學僅當成一門理論課程。教師在授課過程中要時刻將理論知識與工程實踐相結(jié)合，潛移默化地培養(yǎng)學生的工程意識及學習興趣，提高其學習積極性。這樣的教學才可以真正做到學以致用，才可以成功地將學生從理科世界帶入工程世界，才是應用型人才培養(yǎng)的核心內(nèi)涵。

教學過程中，在講解理論知識之前，教師應該盡量提供相關(guān)工程實例，采用啟發(fā)式或引導探究式教學方法。另外，教師應該充分利用多媒體工具，精選一些與學生專業(yè)相關(guān)的工程實例，盡量使課堂上講解的例題均來自于工程實例或是實例的簡化，力爭將分析的問題與機械工程背景對應。比如，講扭轉(zhuǎn)這一章時，先讓學生看一些汽車傳動軸、汽車方向盤等涉及扭轉(zhuǎn)的圖片或動畫，從實物圖引出要解決的問題繼而進入理論知識的學習，即扭轉(zhuǎn)的概念、扭矩的計算及扭矩圖的畫法等，最后將前面提到的實例簡化為力學模型，作為本章的練習題，讓學生學以致用，又如學習靜力學中的平面平行力系的平衡時可結(jié)合起重機或吊塔平衡時的重物重量與配重之間的關(guān)系，學習材料的強度剛度校核時可結(jié)合機械加工用的鉆床立柱的折斷及彎曲對鉆孔精度的影響，學習彎曲變形時可結(jié)合橋梁的倒塌，學習壓桿穩(wěn)定時可結(jié)合翻斗貨車的液壓機構(gòu)中的頂桿發(fā)生穩(wěn)定失效等實例。這樣，不僅可以提高學生建模能力，更促使其牢固地掌握理論知識，還可以使學生認識到工程力學在工程中的重要性。

2.引入數(shù)值計算的概念。

1941年A.Hrennikoff首次提出了用離散元素法求解彈性力學問題，1960年R.W.Clough教授首次提出了“有限單元法”的概念，并發(fā)表了論文“平面應力分析的有限單元法”，自此，有限單元法在力學界迅速發(fā)展起來。到20世紀80年代初期，數(shù)值模擬技術(shù)通過計算機程序在工程中得到廣泛應用。目前，數(shù)值計算已成為解決現(xiàn)代工程學問題必不可少的有力工具。在教學中引入數(shù)值計算是一種必然結(jié)果，一方面，數(shù)值計算工程師已成為目前企業(yè)的緊缺人才，而高校中僅有部分碩士生在科研項目中有機會學習數(shù)值計算理論，掌握數(shù)值分析軟件。本科生對此則幾乎沒有了解。另一方面，數(shù)值計算軟件在科研項目中的應用越來越廣泛，選擇繼續(xù)深造的本科生提前接觸數(shù)值計算理論和應用，對其提前進入碩士階段的研究課題有很大幫助。

在工程力學中引入數(shù)值計算方法，是一種具有前瞻性和挑戰(zhàn)性的大膽建議。雖然有不少學者提出過將數(shù)值計算引入教學中[4]，但受限于課時和學校的硬件條件，實踐效果甚微。對數(shù)值計算在工程力學中的應用，主要有以下建議：第一，簡單講解數(shù)值計算理論，偏重分析軟件的應用。本科生無需花費大量時間掌握深層次數(shù)值計算理論，而數(shù)值分析軟件的熟練應用則能不斷深化教材內(nèi)容，順應時代需求。第二，提倡學生組隊合作，課后自學軟件，分工合作完成相關(guān)案例的數(shù)值分析。以競賽的形式比較各組的計算精度，結(jié)果計入平時成績。數(shù)值計算代替部分手動計算，既不需要占用課堂時間，又能提高學生完成作業(yè)的積極性。第三，有相關(guān)課題項目的教師可邀請學生參與進來，幫助其完成簡單的數(shù)值計算工作，并給予一定的生活補助。教師可將自己進行數(shù)值計算的時間用于學生學習軟件的指導上，則可有更多時間用于教學，學生也會更有激情地投入學習和工作中。

3.實驗研究

積極開展實驗教學，開放力學基礎(chǔ)實驗室，鼓勵學生根據(jù)自己的興趣，探索發(fā)現(xiàn)問題，提高實踐動手能力，實驗教學除了用于驗證力學原理和數(shù)值計算的正確性外，還能幫助學生提高學習興趣，培養(yǎng)動手操作能力，還能激發(fā)學生的創(chuàng)新能力及利用力學理論知識的能力[5]。

目前，由于高校招生人數(shù)的逐年增加，而學校實驗室儀器數(shù)量有限，且基本都是定時開放，在固定的課時安排下，每位學生都能親手實驗存在一定困難，因此，面向?qū)W生開放實驗室是必然的，力學實驗中心應積極實行網(wǎng)絡(luò)化、開放式管理，創(chuàng)建力學實驗教學網(wǎng)站，為學生提供便捷的學習平臺，創(chuàng)建開放式的實驗教學環(huán)境，讓學生有更多機會動手操作，讓對教學安排外的實驗有興趣的同學有機會進行練習，將學生被動實驗、被動學習轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉嶒?、主動學習。另外，可以按照教學大綱、不同專業(yè)特點和不同學生要求，對實驗內(nèi)容進行分層次教學，如可分為基礎(chǔ)型、提高型和創(chuàng)新型實驗，或分為必做型、選做型等。在教學規(guī)定的課時內(nèi)，在確保基本力學實驗完成的前提下，鼓勵學生自主選擇部分創(chuàng)新實驗進行練習，這樣更符合應用型人才的培養(yǎng)需求。

另外，要求學生深入分析實驗結(jié)果與理論計算的誤差，鼓勵學生自己分析誤差來源，并提出減小誤差的可行性方案。在實驗教學中增加中期考核環(huán)節(jié)，學生分組合作，確定實驗目的，明確實驗原理，指定實驗方案，最后進行實驗，并分析實驗結(jié)果。小組成績計入平時成績，提高學生的實驗積極性。

三、以壓桿穩(wěn)定為例的教學模式演示

進入壓桿穩(wěn)定的學習之前，先準備一些相關(guān)實例材料，讓學生意識到壓桿穩(wěn)定計算的重要性。具體教學安排為：引進美國《時代周刊》日前評出的百年世界十大最惡劣塌橋事故之一——魁北克大橋坍塌，對此次事故進行簡單的講解，并分析坍塌原因，最后總結(jié)出事故原因為設(shè)計師忽略對橋梁的精確計算而引起結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，最終導致事故的發(fā)生。在該案例中讓學生意識到力學計算的重要性。接著提供如圖1所示的幾個實例圖片，并分別將其應用到的壓桿穩(wěn)定知識和工程實例結(jié)合起來，把形象思維和邏輯思維結(jié)合起來，把理性思維與直覺結(jié)合起來，激發(fā)學生對本章節(jié)知識的學習興趣。然后，介紹本章的教學目標和重難點，接著進行知識講解，在教學過程中注意教學風格多變，時時與工程實例相結(jié)合。

教學中需精選例題，并盡量選擇工程實例，建立力學模型，然后利用所學知識點進行分析計算，這樣可以提高學生的建模能力，有利于學生將所學知識應用于實際中?，F(xiàn)以蒸汽機活塞桿的穩(wěn)定性校核為例展示例題教學過程。

在例題教學過程中，可以進行如下教學設(shè)計。

（1）給出實際生活中的蒸汽機應用實例簡單講解蒸汽機的工作原理，強調(diào)蒸汽機活塞桿穩(wěn)定性校核的重要性，啟發(fā)學生從實例中提取出科學的問題：活塞桿的穩(wěn)定性問題。

（4）設(shè)計合理的思考問題，加深學生對知識點的理解，并將其應用到實際工程實例中。如（1）若活塞桿承受的壓力變大為200kN，計算活塞桿是否穩(wěn)定？并分析受力大小對其穩(wěn)定性的影響程度。（2）上述條件下活塞桿不穩(wěn)定，可采取哪些措施

例題講解結(jié)束后，組織學生分組，課后分析本例題的數(shù)值，通過數(shù)值實驗觀察蒸汽機的工作原理和桿的變形，計算活塞桿的受力等，探討數(shù)值分析與理論計算之間的誤差來源，并給出優(yōu)化計算結(jié)果的方案，提高學生的軟件應用能力，增強學生思考問題的主動性。

另外，針對本章的理論知識，結(jié)合實驗室的現(xiàn)有器材，進行單桿雙鉸支壓桿穩(wěn)定實驗，用電測法測定兩端鉸支壓桿的臨界載荷，并與理論值進行比較，驗證歐拉公式，觀察兩端鉸支壓桿喪失穩(wěn)定的現(xiàn)象。強化知識點，提高學生動手能力。最后，在本章內(nèi)容講解結(jié)束后，除了經(jīng)典例題的練習外，還可組織課后小制作競賽，如讓學生用若干根塑料吸管和線繩制成一個承受壓力的結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)高度不低于吸管長度。分小組進行比賽，以承重最大者為勝，并讓學生思考此模型承重的影響因素，總結(jié)活動經(jīng)驗。

四、結(jié)語

將“源于工程應用，服務于工程應用”的思想貫穿整個教學階段，突破傳統(tǒng)照本宣科的枯燥教學模式，使學生掌握基本力學知識點，增強工程應用概念。即應結(jié)合數(shù)值計算和實驗研究，培養(yǎng)學生自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

參考文獻：

[1]許衛(wèi)群，徐云杰，胡瀟毅.機械專業(yè)應用型人才培養(yǎng)力學教學研究[J].教法研究，2013（25）：58-59.

[2]史文譜，張春萍，方士杰等.工程力學教學改革初探[J].高等教育研究，2009，26（2）：27-29.

[3]張麗.論力學教學中學生綜合能力的培養(yǎng)[J].課程教材改革，2012（1）：79-80.

[4]毛軍，薛琳，熊艷.在本科力學課程中引入計算力學內(nèi)容的可行性分析[J].北京交通大學學報（社會科學版），2003，2（2）：54-59.

[5]劉玉慶，劉玉梅.本科力學實驗的創(chuàng)新化教學[J].科技信息，2012（1）：308-315.

基金項目：安徽大學第二批青年骨干教師（02303301）；安徽大學第一批應用型教學示范項目（17110164）。