常利武杜亞志

(中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州450007)

工程力學(xué)課程是高校眾多工科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程關(guān)乎學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，是學(xué)生進(jìn)行后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)不可或缺的重要基礎(chǔ)。力學(xué)競(jìng)賽作為大學(xué)生科技競(jìng)賽的項(xiàng)目之一，不僅是青年學(xué)子展示自我、挑戰(zhàn)自我的舞臺(tái)，也是對(duì)高?；A(chǔ)力學(xué)教學(xué)成果和人才培養(yǎng)的一次重要檢驗(yàn)[1]。為了提高競(jìng)賽成績(jī)，眾多高校采用多種形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行賽前輔導(dǎo)[2-4]。雖然這種“為了競(jìng)賽而競(jìng)賽”的賽前輔導(dǎo)對(duì)提高個(gè)人競(jìng)賽成績(jī)有所幫助，但顯然不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我校參加力學(xué)競(jìng)賽的大二學(xué)生占80%以上，這部分學(xué)生剛接觸到材料力學(xué)，直接采用賽前輔導(dǎo)的方式往往跟不上老師的進(jìn)度而產(chǎn)生畏難情緒，甚至有部分學(xué)生在校賽后選擇退出。將競(jìng)賽輔導(dǎo)內(nèi)容引入常規(guī)課堂，特別是將典型的競(jìng)賽試題引入課堂教學(xué)，即課堂采用“以賽促教”的模式，不僅可以提高部分學(xué)生參加競(jìng)賽的熱情，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和力學(xué)建模能力。

1 “以賽促教”教學(xué)模式改革的思路

“以賽促教”教學(xué)模式以力學(xué)競(jìng)賽為抓手，通過在課堂教學(xué)中使用競(jìng)賽試題為例題，實(shí)現(xiàn)將競(jìng)賽輔導(dǎo)日?；瑥母旧霞ぐl(fā)部分學(xué)生參加競(jìng)賽的熱情，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高課堂效果。將富有趣味性的競(jìng)賽題目引入常規(guī)課堂，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，改變課堂氣氛。具有生活實(shí)例背景的題目可以開闊學(xué)生的知識(shí)面，提高其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。團(tuán)體賽的成功案例可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，通過創(chuàng)新性課題作業(yè)提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。課堂教學(xué)改革的具體思路包括以下幾個(gè)方面。

(1)精簡(jiǎn)課堂教學(xué)內(nèi)容。為應(yīng)對(duì)人才競(jìng)爭(zhēng)的嚴(yán)峻形勢(shì)，全國(guó)高校對(duì)力學(xué)基礎(chǔ)課的學(xué)時(shí)進(jìn)行了不同程度的壓縮。隨著課時(shí)的壓縮，不少力學(xué)競(jìng)賽知識(shí)點(diǎn)不在授課范圍，而將競(jìng)賽輔導(dǎo)內(nèi)容引入課堂又占用了一定的課堂時(shí)間，因此必須對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精簡(jiǎn)。近年來，我校錄取的學(xué)生水平參差不齊，不少同學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，造成很多同學(xué)對(duì)課上難懂的理論推導(dǎo)、公式證明過程經(jīng)常表現(xiàn)出心不在焉、漠不關(guān)心的態(tài)度，而對(duì)理論及公式的如何應(yīng)用相對(duì)比較感興趣。因此可將難懂的理論推導(dǎo)、公式證明的詳細(xì)過程以微課的形式供學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)，而在課堂教學(xué)中淡化理論推導(dǎo)、公式證明的過程，將重點(diǎn)放在講清公式、原理的實(shí)際應(yīng)用上，用節(jié)約的課上時(shí)間講解貼近生活實(shí)際的力學(xué)競(jìng)賽應(yīng)用題，這樣可使學(xué)生感覺競(jìng)賽不再遙不可及，大大提高優(yōu)秀學(xué)生參加競(jìng)賽的積極性。通過課下微課，基礎(chǔ)好的同學(xué)不僅理解了證明和推導(dǎo)過程，課上也對(duì)公式的應(yīng)用和增加的競(jìng)賽題有了更好的掌握，而基礎(chǔ)相對(duì)薄弱的學(xué)生在課上也不再“開小差”，且較好地掌握了公式的應(yīng)用。

(2)提升課堂教學(xué)的趣味性。工程力學(xué)課程理論性強(qiáng)，涉及的概念、公式繁多，學(xué)生學(xué)起來相對(duì)比較枯燥，容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。力學(xué)競(jìng)賽試題中有不少趣味性的題目，將趣味性的競(jìng)賽真題作為教學(xué)例題可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

(3)提高學(xué)生的建模能力。力學(xué)課程教學(xué)不僅僅要傳授學(xué)生基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)，更重要的是以力學(xué)知識(shí)為載體，通過培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，來提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和解決問題的能力[5]。將工程實(shí)例建模問題的競(jìng)賽試題作為課堂教學(xué)案例，深入剖析其隱含的力學(xué)要素和建模方法，可幫助學(xué)生提高建模能力。

(4)培養(yǎng)學(xué)生定性分析能力。將定性分析的力學(xué)競(jìng)賽試題融入到工程力學(xué)課堂教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的定性分析能力。教學(xué)中形成工程力學(xué)的定性分析方法，能使學(xué)生從更高層次理解并把握力學(xué)的核心概念，提高學(xué)生的力學(xué)素養(yǎng)。

2 力學(xué)競(jìng)賽融入課堂教學(xué)的改革與實(shí)踐

2.1 調(diào)整教學(xué)例題，適應(yīng)競(jìng)賽需要

為適應(yīng)人才培養(yǎng)的需要，全國(guó)高校紛紛對(duì)工程力學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)的課時(shí)不斷壓縮，造成不少力學(xué)競(jìng)賽知識(shí)點(diǎn)不在授課范圍，因此有必要在課堂教學(xué)中適時(shí)補(bǔ)充某些競(jìng)賽內(nèi)容。在教學(xué)中可以將教材上的某些簡(jiǎn)單例題放在課下讓學(xué)生自學(xué)，課上用競(jìng)賽題目作為例題。如求復(fù)合梁中性軸位置題目在第八屆和第十二屆全國(guó)周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽中均有涉及，而這部分內(nèi)容在“少學(xué)時(shí)”工程力學(xué)教學(xué)大綱中沒有要求。實(shí)際上，只要補(bǔ)充轉(zhuǎn)化同樣彈性模量的折算面積知識(shí)點(diǎn)后，這類題就變成了組合截面圖形求形心的問題。因此，課堂上完全可以用這類競(jìng)賽題目作為組合截面求形心的例題。此外，隨著課堂教學(xué)學(xué)時(shí)的縮減，教師勢(shì)必將重點(diǎn)放在基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的講解，而對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的工程應(yīng)用卻很少涉及，在一定程度上弱化了對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。用難度適中、具有一定工程背景的力學(xué)競(jìng)賽真題作為例題，讓學(xué)生不再畏懼競(jìng)賽，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心。如河南省2018年競(jìng)賽試題中關(guān)于判斷“凡梁之大小，各隨其廣為三分，以二為其厚”的合理性問題，其實(shí)就是討論抗彎截面模量Wz和慣性矩Iz兩個(gè)函數(shù)的極值問題，在課堂教學(xué)中用此題代替教材例題，可使學(xué)生清晰了解該知識(shí)點(diǎn)的工程應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

2.2 重視力學(xué)建模能力

結(jié)合生活實(shí)例和工程實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生自己提煉力學(xué)模型，利用相關(guān)力學(xué)知識(shí)分析解決問題，可以使學(xué)生從“給定的力學(xué)模型”思維中解脫出來，掌握分析問題的真本領(lǐng)[5]。課堂例題選取貼近生活實(shí)際、簡(jiǎn)單易懂的大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽題目以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生參加競(jìng)賽的自信心。為此精選出如下2個(gè)課堂教學(xué)例題。

(1)跳水板力學(xué)模型的建立

以第七屆全國(guó)周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽中第4題跳水板(圖1(a))的分析為實(shí)例，先以中國(guó)跳水“夢(mèng)之隊(duì)”的輝煌戰(zhàn)績(jī)引起學(xué)生的興趣，然后分析跳板的實(shí)際結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生思考端部和中間支撐分別屬于哪一類約束？啟發(fā)學(xué)生思考端部抽象為固定鉸支座和固定端哪個(gè)更合理？討論跳水運(yùn)動(dòng)員對(duì)跳水板施加的力屬于何種類型？最后引出跳水板端部可簡(jiǎn)化為固定鉸支座，中間支撐簡(jiǎn)化為活動(dòng)鉸支座，跳水運(yùn)動(dòng)員對(duì)跳板的作用力屬于沖擊載荷，其力學(xué)模型如圖1(b)所示。

圖1 跳水板模型分析

(2)撐架型木橋力學(xué)模型的建立

以宋代著名畫家范寬所繪《秋林飛瀑圖》的八字形撐架橋(圖2(a)，河南省2018大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽)為例，先由其“世界級(jí)”的山水畫大師的地位引發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考支撐所限制橋體的位移，得出簡(jiǎn)化的支座形式。結(jié)合橋自重可簡(jiǎn)化為均布載荷q和行人可簡(jiǎn)化為集中載荷F，故一榀構(gòu)架的力學(xué)模型分析如圖2(b)所示。根據(jù)學(xué)生的生活知識(shí)，可以啟發(fā)學(xué)生如何提高橋的承載能力。通過第八屆周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽團(tuán)體賽“紙橋過車”的優(yōu)秀作品，引導(dǎo)學(xué)生思考如何解決紙的連接問題，是采用梁式橋好還是拱橋形式好。最后分組討論并制作相應(yīng)的紙質(zhì)橋梁模型，通過紙質(zhì)橋梁承載力比賽激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。

圖2 撐架型木橋力學(xué)模型分析

2.3 運(yùn)用例題的趣味性

興趣是最好的老師，也是學(xué)生學(xué)習(xí)最好的動(dòng)力。利用大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽題目的趣味性，能提高學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)的積極性和主動(dòng)性，也能吸引更多的優(yōu)秀學(xué)生參加力學(xué)競(jìng)賽。例如在空間力系的平衡問題中，以 “驕傲自滿的大力士”(第六屆)為題，分析為何大力士拉不倒球門而力量小的夫人卻可以。在摩擦問題講解中加入趣味性題目 ––“技高一籌的魔術(shù)師”(第六屆)和“令人驚訝的魔術(shù)師”(第八屆)，啟發(fā)學(xué)生發(fā)散思維考慮為何魔術(shù)師能讓水晶球駐停在明顯傾斜的水晶板上以及魔術(shù)隱含的摩擦問題。以“奇怪的獨(dú)木橋”(第六屆樣題)作為彎曲強(qiáng)度的例題來增加課堂的趣味性，讓學(xué)生體會(huì)到力學(xué)問題原來可以表現(xiàn)得如此豐富多彩，激發(fā)學(xué)生探索題目隱含的力學(xué)原理。

2.4 發(fā)揮定性分析的作用

傳統(tǒng)的工程力學(xué)教學(xué)以學(xué)生能夠掌握好書本上的知識(shí)為目標(biāo)，這種以解題為主的應(yīng)試教育不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，在教學(xué)過程中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從解題為主轉(zhuǎn)向分析問題的本質(zhì)為主，從注重答案轉(zhuǎn)向注重力學(xué)概念運(yùn)用的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)素質(zhì)和定性分析能力。在周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽試題中，“顧此失彼的挑戰(zhàn)者”(第六屆，圖 3(a))、“趣味單杠”(第七屆，圖 3(b))和 “斜撐優(yōu)化問題”(第十屆)均有對(duì)定性分析能力的考查。將 “顧此失彼的挑戰(zhàn)者”有關(guān)定性分析的部分作為例題，拓展學(xué)生思維空間，啟發(fā)學(xué)生結(jié)合生活常識(shí)和力學(xué)知識(shí)思考梁變形的大致情況?！叭の秵胃堋睂?shí)質(zhì)是考查對(duì)稱結(jié)構(gòu)在對(duì)稱力和反對(duì)稱力作用下內(nèi)力分布的特點(diǎn)，以此作為教學(xué)例題可以加深學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解?！靶睋蝺?yōu)化問題”可以使學(xué)生由書本上改善彎曲強(qiáng)度的措施轉(zhuǎn)向?qū)栴}優(yōu)化的思考，在關(guān)注結(jié)果的同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生挖掘題目涉及的組合變形和壓桿穩(wěn)定知識(shí)點(diǎn)。在課堂教學(xué)中還應(yīng)適時(shí)穿插身邊實(shí)例多引導(dǎo)學(xué)生定性思考問題，提高學(xué)生的力學(xué)素養(yǎng)。以2012年哈爾濱陽明灘大橋坍塌事故為例(圖3(c))，根據(jù)橋面主梁和橋墩基本完好的現(xiàn)場(chǎng)及三輛超重卡車的停放位置，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)事故原因的定性分析，使學(xué)生理解事故并非屬于彎曲強(qiáng)度破壞而是在超載作用下的傾覆破壞。

圖3 定性分析例題

3 結(jié)語

將力學(xué)競(jìng)賽輔導(dǎo)內(nèi)容引入課堂，充分發(fā)揮課堂教學(xué)的育人作用。采用“以賽促教”教學(xué)模式深化課堂教學(xué)改革，通過調(diào)整教學(xué)例題、增加例題的趣味性、注重力學(xué)建模和定性分析能力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，強(qiáng)化創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)和基本力學(xué)素養(yǎng)的形成，最終提高學(xué)生善于思考和解決力學(xué)問題的能力。