陳為林 劉軍 盧清華 張云志 張清華

[摘 要] 針對機械電子工程專業(yè)學生對工程力學學習興趣不足、學習難度大、學習效果不佳的問題，開展機械電子工程專業(yè)工程力學教學改革與實踐。首先，分析目前機械電子工程專業(yè)“工程力學”課程教學存在的問題。其次，結(jié)合自身教學實踐提出教學優(yōu)化方法，以解決機械電子工程專業(yè)工程力學課程教學存在的學時不足問題，提升學生對工程力學重要性的認識，增強學生推導工程力學公式的能力，突破實驗教學的局限性，貫徹課程思政教學改革要求。結(jié)果表明，“工程力學”的教學改革思考與實踐有利于進一步提升機械電子工程專業(yè)的人才培養(yǎng)能力。

[關鍵詞] 機械電子工程;工程力學;教學改革

[基金項目] 2019年度教育部產(chǎn)學研協(xié)同育人項目“‘雙學院制’模式下復合應用型機器人創(chuàng)新人才培養(yǎng)（2020年立項）”（201902252031）;2020年度廣東省高等教育廳教育教學改革項目“‘科—產(chǎn)—教’融合背景下機電類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的改革與實踐（2020年立項）”

[作者簡介] 陳為林（1990—），男，廣東汕頭人，博士，佛山科學技術學院機電工程與自動化學院副教授，主要從事工程力學教學與機器人機構(gòu)學研究;劉 軍（1967—），男，江西興國人，碩士，佛山科學技術學院機電工程與自動化學院副院長（通信作者），教授，主要從事機械工程教學管理與金屬材料加工技術研究;盧清華（1978—），男，江西修水人，博士，佛山科學技術學院機電工程與自動化學院院長，教授，主要從事機器人機構(gòu)學與機器視覺研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）20-0069-04 [收稿日期] 2021-07-26

引言

對于機械電子工程專業(yè)本科生而言，“工程力學”是一門重要的專業(yè)基礎課。通過研究各種工程中機械運動與變形最普遍、最基本的規(guī)律，工程力學可以指導人們科學地從事工程技術工作。該課程以高等數(shù)學、線性代數(shù)和大學物理為基礎，為機械設計基礎等機械電子工程的專業(yè)核心課提供了理論基礎。同時，力學技能和力學素養(yǎng)的全面培養(yǎng)是高素質(zhì)復合型新工科人才培養(yǎng)的基礎[1]。然而，在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，機械電子工程專業(yè)“工程力學”課程教學存在諸多問題，進而影響機械電子工程專業(yè)學生在后續(xù)專業(yè)課和實踐活動中進行正確的力學分析。因此，亟須結(jié)合機械電子工程專業(yè)的特點，開展“工程力學”課程教學改革。

一、機械電子工程專業(yè)“工程力學”課程教學存在的問題

首先，工程力學理論教學內(nèi)容多、數(shù)學基礎要求高、知識點抽象性強、思維方式跨越大，與機械電子工程專業(yè)工程力學課程理論學時短的特點相矛盾，影響學生的學習效果。工程力學課程涵蓋12單元主干內(nèi)容：受力分析、平面力系、空間力系、摩擦、拉伸與剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲內(nèi)力、彎曲應力、彎曲變形、應力應變分析、組合變形、壓桿穩(wěn)定。并且，每單元內(nèi)容均涉及大量的公式推導與抽象的邊界條件分析。同時，在學習工程力學過程中，存在5次思維方式的跨越：受力分析“模糊化”、平衡方程的建立依托坐標系、從工程力學靜力學部分主要進行剛體分析跨越至材料力學的變形體分析、用微積分思想處理復雜變形、從靜力學部分對“正誤”的關注跨越至材料力學對“誤差”的關注。學生需要足夠的思考時間與練習來消化上述內(nèi)容與思維跨越。但是，以佛山科學技術學院機械電子工程專業(yè)為例，該專業(yè)工程力學課程理論學時為80學時，平均每單元僅有6.67學時，學生學習壓力較大。

其次，學生對工程力學的重要性認識不足。在機械電子工程專業(yè)中，有部分學生認為，機械電子工程是一個偏“電”的專業(yè)，工程力學并不重要。還有部分學生認為，目前許多仿真軟件可以進行精準的力學分析，在實際工作中并不需要像學習工程力學那樣進行大量的推導計算，工程力學理論知識的重要性較低。上述認識導致機械電子工程專業(yè)學生對工程力學的學習積極性不高。機械電子工程專業(yè)強調(diào)機電一體化，涉及機器人等新興領域。該專業(yè)優(yōu)秀學生積極參與機器人相關競賽（如Robomaster、Robocom），但通過與參加機器人競賽的學生交流發(fā)現(xiàn)，由于不知如何在實際機器人開發(fā)中應用工程力學理論知識，導致即使是專業(yè)的優(yōu)秀學生也逐漸忽視該課程的重要性。

再次，綜合分析考試情況發(fā)現(xiàn)，學生的工程力學推導能力薄弱，并未有效實現(xiàn)“培養(yǎng)學生的抽象思維能力、邏輯思維能力、科學計算能力”的目標。在后續(xù)專業(yè)課中，工程力學公式推導被廣泛使用。因此，工程力學考試仍應當以計算題為主，督促學生扎實訓練公式推導能力。但是，綜合分析幾屆機械電子工程專業(yè)學生的工程力學考試情況發(fā)現(xiàn)，學生計算題得分偏低，特別是需要公式變換的計算步驟。

最后，國內(nèi)大部分高校的工程力學實驗內(nèi)容基本停留在驗證性實驗范疇[1，2]，影響了學生解決實際工程力學問題的能力。同時，受實驗儀器臺套數(shù)的限制，學生實際動手操作的時間較少，不利于增強學生對抽象工程力學理論的感性認識。此外，工程力學作為專業(yè)基礎課，具有傳授知識、培養(yǎng)能力，以及進行思想政治教育的雙重功能，承擔著培養(yǎng)大學生世界觀、價值觀、人生觀的職責[3]，但在教學實踐中，專任教師大多僅從“技能”層面講授工程力學知識，未能同步進行思想政治教育。

二、機械電子工程專業(yè)“工程力學”課程教學的優(yōu)化方法

針對機械電子工程專業(yè)工程力學課程教學存在的學時不足、學生對工程力學的重要性認識不足、學生的工程力學推導能力薄弱、實驗教學局限性明顯、課程思政要求貫徹不充分五個問題，可采用如下優(yōu)化方法。

第一，將有限課時集中于工程力學的關鍵基礎知識點。在機械電子工程專業(yè)中，工程力學主要支撐后續(xù)的專業(yè)核心課——“機械設計基礎”。在“機械設計基礎”上，機構(gòu)僅討論平面機構(gòu)，而平面機構(gòu)受力形式為平面力系。因此，機械電子工程專業(yè)工程力學應側(cè)重講解平面力系平衡問題，并適當壓縮空間力系的教學學時。在工程力學的材料力學部分，軸向拉伸與壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲三種基本變形形式是關鍵基礎知識點，如果能深入理解并掌握這三種基本變形形式的內(nèi)力、應力與變形定量規(guī)律，經(jīng)過少量學時的引導，學生可以具備自學應力應變分析、組合變形、壓桿穩(wěn)定單元的能力。

第二，針對機械電子工程專業(yè)學生認為工程力學及其推導不重要的問題，應在教學過程中講透工程力學對自動控制原理、傳感器原理等專業(yè)課的重要作用，并通過具體工程案例講解其在機電工程控制、傳感器設計與分析領域的實際運用。在以自動控制原理為基礎的機電工程控制中，機電系統(tǒng)傳遞函數(shù)的精準建立必須結(jié)合理論建模與參數(shù)辨識，而機電系統(tǒng)理論建模離不開工程力學理論推導。在機器人競賽中，部分學生認為傳遞函數(shù)可以直接通過實驗頻響函數(shù)獲得，無須理論建模。但這種純實驗方法屬于黑箱模型，其準確性易受實驗精度影響，而且頻帶寬度較低。對于力傳感器而言，其本質(zhì)是將力信號轉(zhuǎn)換為電學輸出信號，在上述轉(zhuǎn)換過程中，不僅需要電路，通常還需要梁、軸、桿等材料力學基本單元作為應力應變轉(zhuǎn)換媒介，而材料力學基本單元的力學模型是建立力傳感器優(yōu)化模型的基礎。只有建立基于壓阻材料的梁單元的力學模型，才能進一步優(yōu)化傳感器的輸入輸出特性，提升傳感器的靈敏度。運用具體案例，講透工程力學對機械電子工程專業(yè)“電”類專業(yè)核心課的重要作用，可以提升機械電子工程專業(yè)學生對工程力學重要性的認識。學生的學習動力是教學活動達到預期效果的前提條件[4]。只有提升機械電子工程專業(yè)學生對工程力學重要性的認識，才能增強其對工程力學的學習動力。

第三，優(yōu)化過程性評價措施，引導學生在課外強化自主練習。在傳統(tǒng)的教學實踐中，一線教師主要通過平時作業(yè)批改與隨堂檢測等過程性評價措施，實時掌握學生的工程力學學習效果。平時作業(yè)是訓練學生推導能力的重要途徑，但在批改作業(yè)時發(fā)現(xiàn)，學生存在一定程度的作業(yè)抄襲現(xiàn)象，并未在完成作業(yè)過程中理解公式推導的本質(zhì)。隨堂檢測可以迅速檢驗學生的聽課效果，但限于課堂教學時間和學時安排，工程力學的隨堂測試一般為基礎概念題與簡單計算題。在平時作業(yè)不能獨立完成的條件下，僅依靠課堂教學與隨堂測試，對于提升學生的工程力學推導能力而言，是完全不夠的。在教學改革實踐中，本文作者引入“作業(yè)修改成績”優(yōu)化過程性評價。實踐表明，通過批改學生的作業(yè)修改情況，并將作業(yè)修改成績計入平時成績，可以促使學生認真對待平時作業(yè)修改，強化學生對正確推導過程的印象。

第四，采用虛擬仿真的方法，拓展工程力學實驗教學手段。從基本教學要求的角度，工程力學實驗應實現(xiàn)三種目標：提升學生對基本工程力學規(guī)律的感性認識，使學生具備基本工程力學測量能力，加強學生對工程力學理論適用范圍的認識。傳統(tǒng)的工程力學實驗主要聚焦前兩種目標，但在第三種目標的達成上較為欠缺。仿真實驗作為一種虛擬方式，可以不受實驗儀器臺套數(shù)的限制，使學生在虛擬環(huán)境中開展髙效、安全且經(jīng)濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學效果[5]，比如，讓所有學生直觀認識工程力學理論的適用范圍。以筆者所進行的教學改革實踐為例，工程力學教材[6]指出，“雖然橫力彎曲和純彎曲存在差異，但進一步分析表明，用純彎曲正應力公式計算橫力彎曲時的正應力，并不會引起太大的誤差”，該理論實際存在適用范圍，可以通過有限元仿真直觀認識。

第五，結(jié)合機械電子工程前沿與熱門領域，以項目競賽實踐為抓手，拓展工程力學實踐教學方式。機器視覺是機械電子工程的前沿與熱門領域，受到許多學生的青睞。而以Robomaster、Robocom為代表的機器人競賽，以其競技性強、評價體系客觀的特點，吸引著眾多優(yōu)秀學生。事實上，經(jīng)過40多年的發(fā)展，機器視覺的方法與技術已被廣泛應用于航空航天、汽車制造、材料科學、生物工程等領域的力學測試中[7]，完全可以為機器人競賽中的工程力學實驗提供重要的測量手段，例如：基于機器視覺的結(jié)構(gòu)形變測量、基于機器視覺的機器人射擊彈道測量。通過在機械電子工程專業(yè)中選拔優(yōu)秀學生參與機器人競賽技術培訓，并在技術培訓中講授基于機器視覺的工程力學實驗手段，可以激發(fā)優(yōu)秀學生進一步深入學習工程力學的興趣。同時，傳統(tǒng)的必修驗證性工程力學實驗、課外全體學生自行完成的工程力學仿真實驗與選拔優(yōu)秀學生參與的基于機器視覺的工程力學實驗培訓，共同構(gòu)成了多層次工程力學實驗教學體系，有效拓展了工程力學實踐教學方式。

第六，開展工程力學課程思政教學改革，提升機械電子工程專業(yè)育人水平。貫徹落實《高等學校課程思政建設指導綱要》[8]，將思想政治教育自然融入工程力學的教學內(nèi)容中，既有利于增強機械電子工程專業(yè)學生學習工程力學的責任感，也有利于提升機械電子工程專業(yè)的育人水平。工程力學的課程思政要素主要包括愛國主義精神、科學探索精神與嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度[9]。本文作者通過案例教學，將思想政治教育自然融入工程力學教學內(nèi)容。例如，在工程力學緒論的教學中，以宋元戰(zhàn)爭襄陽保衛(wèi)戰(zhàn)中元軍利用工程力學知識優(yōu)化投石機設計，突破宋軍深溝厚墻的防御工事為例，引導學生認識到工程力學知識關系著國家的存亡;在彎曲變形章節(jié)，針對機械電子工程專業(yè)常用的工程力學公式——撓曲線微分方程及其近似形式，結(jié)合公式推導，講授伯努利家族圍繞撓曲線微分方程的接續(xù)探索，將傳授科學探索精神與講解公式推導的“技能”自然結(jié)合。

結(jié)語

為提升機械電子工程專業(yè)工程力學課程的教學質(zhì)量，本文首先分析了教學過程存在的學時不足、學生對工程力學的重要性認識不足、學生的工程力學推導能力薄弱、實驗教學局限性明顯、課程思政要求貫徹不充分五個問題。針對上述問題，結(jié)合機械電子工程專業(yè)特點，提出了六種教學優(yōu)化方法并進行了相應的實踐：將有限課時集中于工程力學關鍵基礎知識點;講透工程力學對于后續(xù)專業(yè)課與專業(yè)技術的重要作用;優(yōu)化過程性評價措施，引導學生在課外強化自主練習;采用虛實結(jié)合的方法，拓展工程力學實驗教學手段;結(jié)合機械電子工程前沿與熱門領域，以項目競賽實踐為抓手，拓展工程力學實踐教學方式;開展工程力學課程思政教學改革。

參考文獻

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[8]中華人民共和國教育部.關于印發(fā)《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知：教高〔2020〕3號[A/OL].（2020-05-28）[2021-04-12].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[9]陳亮，劉丹，呂鑫穎.融入思政理念的“工程力學”課程教學改革探索與實踐[J].福建建材，2021，4（4）：116-118.

Teaching Reform and Practice for Engineering Mechanics in the Major of Mechatronic Engineering CHEN Wei-lin， LIU Jun， LU Qing-hua， ZHANG Yun-zhi， ZHANG Qing-hua

（School of Mechatronics Engineering and Automation， Foshan University， Foshan，

Guangdong 528000， China）

Abstract： In view of the lack of interest， difficulty and poor learning effect of Engineering Mechanics for students majoring in mechanical and electronic engineering， the teaching reform and practice of Engineering Mechanics for students majoring in mechanical and electronic engineering are carried out. Firstly， we analyze the problems existing in the teaching of Engineering Mechanics course of mechanical and electronic engineering major. Secondly， combined with our own teaching practice， we put forward teaching optimization methods to solve the problem of insufficient class hours in the teaching of Engineering Mechanics， improve students’ understanding of the importance of Engineering Mechanics， enhance students’ ability to deduce Engineering Mechanics formulas， break through the limitations of experimental teaching， and implement the requirements of curriculum ideological and political teaching reform. The results show that the reflections and practice of teaching reform of Engineering Mechanics are conducive to further improving the talent training ability of mechanical and electronic engineering major.

Key words： mechanical and electronic engineering major; Engineering Mechanics; teaching reform