李秀榮（宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷　223800）

基于啟發(fā)式教學(xué)的工程力學(xué)教學(xué)改革研究

李秀榮
（宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷223800）

基于啟發(fā)式教學(xué)理念，圍繞提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與實(shí)踐應(yīng)用能力為目標(biāo)，通過(guò)改進(jìn)教學(xué)體系、教學(xué)方法以及考核方式等途徑，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與參與性，進(jìn)而提高工程力學(xué)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實(shí)踐問(wèn)題的能力。

工程力學(xué)；教學(xué)體系；考核方式；應(yīng)用能力

0　引言

工程力學(xué)是工科專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它具有與工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系緊密，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)［1］。工程力學(xué)不僅能為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課打下良好的基礎(chǔ)，更能培養(yǎng)學(xué)生利用力學(xué)知識(shí)來(lái)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力［2］。工程力學(xué)課程包括靜力學(xué)和材料力學(xué)，通過(guò)靜力學(xué)教學(xué)，使學(xué)生理解靜力學(xué)基本概念和物體的受力分析，掌握各種類型力系的受力與平衡的研究方法與規(guī)律［3］。材料力學(xué)主要研究構(gòu)件在外力作用下的變形與失效（破壞）規(guī)律，通過(guò)教學(xué)，使學(xué)生掌握材料力學(xué)的基本概念和理論，能夠求解在受力后變形體的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等問(wèn)題。

但是，工程力學(xué)課程存在概念與定理、公式等教學(xué)內(nèi)容多、課時(shí)少，邏輯性強(qiáng)，教學(xué)要求不斷提高的困難［4］。教師為了跟進(jìn)教學(xué)進(jìn)度須用多媒體進(jìn)行輔助教學(xué)，這種教學(xué)形式在給教學(xué)注入新的活力的同時(shí)，負(fù)面影響也逐漸凸顯出來(lái)，短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)太多內(nèi)容容易造成學(xué)生對(duì)知識(shí)消化不良，教學(xué)效果不佳。

針對(duì)課程性質(zhì)與學(xué)生特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力為目標(biāo)，積極探索新的教學(xué)方法成為教師迫在眉睫的研究任務(wù)。工程力學(xué)教學(xué)改革可以從優(yōu)化教學(xué)教材結(jié)構(gòu)體系、改進(jìn)教學(xué)方法來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及改善考核環(huán)節(jié)等幾個(gè)方面入手，進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐。

1　優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)結(jié)構(gòu)體系

材料力學(xué)以往教材編排總是以四種基本變形為主線，這種結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。教師采用這種教材時(shí)，教學(xué)思路就習(xí)慣性形成思維定勢(shì)進(jìn)行講解，這種知識(shí)結(jié)構(gòu)存在章節(jié)內(nèi)在關(guān)聯(lián)較少、相對(duì)獨(dú)立，重復(fù)講解、浪費(fèi)學(xué)時(shí)等弊端。材料力學(xué)應(yīng)被提倡的教學(xué)知識(shí)體系應(yīng)該是以內(nèi)力、強(qiáng)度、剛度為主線的力學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，具體

圖1以四種基本變形為主線的結(jié)構(gòu)體系

Fig.1 Structural system based on four fundamental distortions形式如圖2所示。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、知識(shí)點(diǎn)自然銜接，避免相同概念被重復(fù)講解以及節(jié)約教學(xué)時(shí)間等諸多優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)力概念講解四種基本變形，可以讓學(xué)生從相似概念的對(duì)比中尋找到共同的聯(lián)系、規(guī)律與區(qū)別，更容易被學(xué)生所接受。

圖2　以內(nèi)力、應(yīng)力、強(qiáng)度為主線的結(jié)構(gòu)體系Fig.2 Structural system based on internal forces，stress and intensity

2　實(shí)行啟發(fā)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

啟發(fā)式教學(xué)成功的關(guān)鍵就是看教師能否適當(dāng)、合理地創(chuàng)設(shè)具有一定難度的問(wèn)題情景。所謂創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，就是指教師在教學(xué)環(huán)節(jié)巧妙地提出一些難度適中的問(wèn)題來(lái)活躍學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而誘導(dǎo)學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，達(dá)到提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量的目的。

2.1創(chuàng)設(shè)多種問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

興趣是最好的老師，問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)要做到因材施教，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［5］。由于新舊知識(shí)的不同特點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，學(xué)生對(duì)新知識(shí)感興趣，理解比較困難；但對(duì)舊知識(shí)比較熟悉。因此教師在引入新知識(shí)時(shí)，應(yīng)在新舊知識(shí)的連接處設(shè)置問(wèn)題情境，使學(xué)生對(duì)新知識(shí)產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。這樣不僅復(fù)習(xí)鞏固舊知識(shí)，也學(xué)生更易理解與掌握新知識(shí)。例如在講授靜力學(xué)部分的平面任意力系時(shí)，問(wèn)：①平面匯交力系的知識(shí)怎么求解？答：分別向橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)做投影，即：ΣFx=0，ΣFy=0；②平面力偶系的合力矩等于零，即：ΣM=0；那么平面任意力系這章就是通過(guò)力線平移定理將平面任意力系轉(zhuǎn)換為平面匯交力系和平面力偶系的知識(shí)然后進(jìn)行求解。

2.2加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

工程力學(xué)主要以理論分析與計(jì)算為主，理論往往是在簡(jiǎn)化與假設(shè)的基礎(chǔ)上得到的。理論結(jié)果正確與否，是否符合實(shí)際情況，也需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。因此，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效率的必要環(huán)節(jié)。軸向拉壓變形章節(jié)中，先后對(duì)桿件橫截面與斜截面上的應(yīng)力進(jìn)行講解，學(xué)生只是機(jī)械的記憶公式。通過(guò)力學(xué)的拉、壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，以鑄鐵等脆性材料為例，當(dāng)受拉伸時(shí)，試件沿橫截面斷裂；而受壓縮時(shí)，卻在45°的斜截面出現(xiàn)裂縫，從而斷裂。這就啟發(fā)學(xué)生思考，為什么同種材料會(huì)產(chǎn)生兩種截然不同的結(jié)果？從而大大激發(fā)學(xué)生的求知欲與學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也加深學(xué)生對(duì)課本知識(shí)的理解，脆性材料是因最大拉應(yīng)力被拉斷，卻是因最大切應(yīng)力被剪切破壞。圖3為BZ8001多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以測(cè)出純彎曲變形以及彎扭組合情況下橫截面上的各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)。

圖3　BZ8001多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.3 BZ8001Multifunctional Bench

2.3滲透工程實(shí)踐聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力

工程力學(xué)中概念的引入和很多例題的原型都來(lái)源于工程實(shí)踐，一些力學(xué)模型都是從工程實(shí)際中概括出來(lái)的，具有明確的工程實(shí)踐背景［6］。但實(shí)際情況是，學(xué)生缺乏將書本知識(shí)還原為工程實(shí)際的能力，從而也就不能從工程問(wèn)題中抽象出力學(xué)模型，導(dǎo)致不能將所學(xué)應(yīng)用于實(shí)際。這主要應(yīng)歸咎于我們的教學(xué)模式。長(zhǎng)期以來(lái)，工程力學(xué)課程教學(xué)模式主要以傳授知識(shí)為主，把對(duì)概念的理解和公式的運(yùn)用作為教學(xué)重點(diǎn)，忽視了課程與工程實(shí)踐的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生只是被動(dòng)地接受課本內(nèi)容，沒(méi)有形成解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

例如在講解彎曲變形這一章內(nèi)容時(shí)，就可結(jié)合工廠里常見(jiàn)的起重機(jī)大梁為例，如圖4所示，梁長(zhǎng)L=10m，單位長(zhǎng)度的重量為38kg/m，起吊重物的重量為100kN，試求起重機(jī)大梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖。這個(gè)時(shí)候我們就把起重機(jī)大梁簡(jiǎn)化為一根等截面直桿，將其自重簡(jiǎn)化為沿長(zhǎng)度方向的均布載荷q，起吊重物簡(jiǎn)化為作用于固定點(diǎn)的集中力，這樣就把工程問(wèn)題簡(jiǎn)化為力學(xué)模型，這是一個(gè)可逆的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)邏輯與思維，提高學(xué)生分析與解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

因此，工程力學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生的逆向思維培養(yǎng)與創(chuàng)新思維訓(xùn)練，教師應(yīng)利用課余以及寒暑假時(shí)間深入企業(yè)，將總結(jié)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、掌握的新知識(shí)、新技術(shù)滲透到課堂教學(xué)中去，使學(xué)生能運(yùn)用工程問(wèn)題的思維方式分析和求解問(wèn)題，充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與工程能力。

圖4　起重機(jī)大梁實(shí)例與力學(xué)模型Fig.4 Examples of the crane girder and mechanical model

3　注重考核、評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)調(diào)整

工程力學(xué)傳統(tǒng)的考核方式以期末考試為主，以平時(shí)成績(jī)?yōu)檩o，其中期末考試成績(jī)起著決定作用。這種考核方式弊端明顯，期末考試的內(nèi)容太多，學(xué)生復(fù)習(xí)很難全面，導(dǎo)致這門課程的掛科率居高不下。基于這種情況，我們改革了工程力學(xué)考核方式，將考試分為期中和期末兩次進(jìn)行，并且各占20%與40%。調(diào)整的整體考核形式及相關(guān)比重如表1所示。

期中考試只包含靜力學(xué)部分的內(nèi)容，學(xué)生進(jìn)行階段性的復(fù)習(xí)、考試，內(nèi)容少，學(xué)生比較能很好掌握，又為后續(xù)知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；期末考試只考材料力學(xué)，這樣通過(guò)分次考試，不僅效果好，而且減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)。其余25%以平時(shí)成績(jī)?yōu)橹鳎?5%以綜合性大作業(yè)為主。

表1　工程力學(xué)考核形式、內(nèi)容與比重Tab.1 Engineering mechanics assessment form，content and proportion

大作業(yè)以算機(jī)軟件分析的形式進(jìn)行，在教授內(nèi)力與應(yīng)力以及變形之后，我們給學(xué)生一些基于工程實(shí)踐的綜合應(yīng)用實(shí)例，讓學(xué)生分組討論自己簡(jiǎn)化、抽象出力學(xué)模型，然后利用有限元仿分析軟件ANSYS，建立三維有限元模型，通過(guò)對(duì)物體施加約束，外力等，從而快速、直觀的分析、顯示出構(gòu)件不同位置的變形、應(yīng)力、應(yīng)變情況。這樣不僅激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加深對(duì)理論知識(shí)的掌握和理解，又使學(xué)生掌握一些軟件技能，更適應(yīng)以后企業(yè)的需求。

4　總結(jié)

如何提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生能積極主動(dòng)地投入到工程力學(xué)的課堂學(xué)習(xí)中，一直是教師教學(xué)努力的目標(biāo)與方向。在 《工程力學(xué)》的教學(xué)改革中，要充分把力學(xué)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生從工程實(shí)踐簡(jiǎn)化為力學(xué)模型的能力，改進(jìn)考核方式，擯棄以往單一的期末考試形式，達(dá)到提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與工程應(yīng)用能力。

［1］段潔利，盧玉華，嚴(yán)慕容.工程力學(xué)教學(xué)方法的創(chuàng)新探索與實(shí)踐［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011，7．

［2］夏平，陳莘莘，康穎安.基于“卓越工程師”培養(yǎng)的工程力學(xué)教學(xué)改革研究［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2012，4.

［3］劉靜，周曉玲，汪中厚.淺談工程力學(xué)教學(xué)中實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2013，2.

［4］劉新柱，王冬，潘佳卉.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標(biāo)的工程力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.黑龍江教育：高教研究與評(píng)估，2014，1.

［5］韋秀紅.如何創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境—激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣［J］.現(xiàn)代教育教學(xué)探索：學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2014.

［6］孫峰，薛世峰.在工程力學(xué)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與工程能力［J］.教育探索，2014，8.

Research of Engineering Mechanics Teaching Based on Heuristic Teaching

LI Xiu-Rong
（Suqian College，Suqian Jiangsu 223800，China）

Based on heuristic teaching philosophy，the goal is to improve the students interest and practical application capacities.Improving teaching system，teaching methods and assessment methods are main ways.By this，students'interest and participation are mobilized.Thus，the quality of teaching engineering mechanics and capabilities of students analyze and solve engineering practical problems are both improved.

engineering mechanics；teaching system；assessment methods；application capabilities

G420

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.051

1002-6673（2015）05-138-03

2015-06-19

李秀榮（1986-），女，碩士，助教。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。已發(fā)表論文四篇。