工程力学应用型人才培养与教学研究

林加剑

摘 要： 根据应用型人才培养目标，教师应以工程力学教学内容为基础，将知识点与工程实例相结合，激发学生兴趣，拓宽学生视野，精选工程实际问题，采用理论分析、数值计算、实验研究三种方法解决问题，提高学生解决问题的能力，夯实力学理论基础。

关键词： 应用型人才 教学研究 工程力学

一、应用型人才培养模式下的工程力学教学现状

应用型本科教育是一种新型本科教育，是随着科学技术的发展及高等教育由精英教育向大众化教育的转变形成的。应用型人才是指能将专业知识和技能应用于所从事的职业的一种专门人才类型。他们不仅要系统掌握与岗位相适应的专业基础理论和知识结构，还要具备较强的获取知识和应用知识、分析问题和解决问题等综合能力[1]。对于机械专业的学生来讲，企业需要他们有夯实的专业基础知识，并将理论应用于实践，特别强调具备与一线生产实践相结合的实验、制图、计算机等专业技能和基本工艺操作技能。这种现状对高校的教育方式提出了新要求，同样工程力学作为机械专业的核心课程，其教学模式需要进行一系列改革和思考。

工程力学是工科类专业的一门重要的核心课程，在基础课与专业课之间起着承上启下的作用，它的重要性是毋庸置疑的。传统工程力学教学大纲比较强调理论的系统性和公式推导的完备性，这需要学生有一定的数学基础。工程力学有其固有的特点和难点，如内容丰富、概念多、定理多、理想模型多、逻辑性强、推理抽象、数学应用多等[2]。另外，目前教学改革形势比较偏向于教学内容的增加和教学课时的减少，随着高校扩招，上课学生人数增多，教师多采用多媒体教学，无形中加快讲课速度。上述各情况均在教学中引起了一系列问题，根据多年的教学经验可知，经常有一些学生因为课程本身的难度和数学基础的缺乏，在开课初期就感觉到学习存在困难，甚至开始逃课，完全放弃本课程的学习；由于课时较少，上课进度较快等原因，一部分学生无法跟上老师的讲解速度，随着疑点、难点的积累，很容易产生厌学情绪，还有一部分学生初期比较认真，随着课程的深入讲解，无法及时形成知识系统，陷入一个个概念和公式的怪圈中[3]。少数同学可以比较系统地掌握本课程的理论知识，能否将知识灵活运用于实践中则是对其提出的一个新挑战。基于上述情况和局面，必须对现有工程力学的课程内容、教学方法等环节进行一系列改革，以便实现应用型人才培养目标，才能取得让人满意的结果。

二、基于应用型人才培养模式的工程力学教学改革思路

1.工程意识培养

钱学森认为力学工作者必须用理论解决工程技术问题，而理论分析需要有正确的抽象和概括，使分析得到简化，从而解决全局性问题。工程力学具有两重性，既有科学基础性的一面，又有技术应用性的一面。工程力学在材料、机械、航空航天、交通水利等工程领域有非常重要的作用，它是许多课程的先修课程，又与许多后续课程有着密切联系，是学生从理科基础进入工科应用的桥梁。所以，开课初期就应该让学生了解工程力学在工程中的重要地位，不能把工程力学仅当成一门理论课程。教师在授课过程中要时刻将理论知识与工程实践相结合，潜移默化地培养学生的工程意识及学习兴趣，提高其学习积极性。这样的教学才可以真正做到学以致用，才可以成功地将学生从理科世界带入工程世界，才是应用型人才培养的核心内涵。

教学过程中，在讲解理论知识之前，教师应该尽量提供相关工程实例，采用启发式或引导探究式教学方法。另外，教师应该充分利用多媒体工具，精选一些与学生专业相关的工程实例，尽量使课堂上讲解的例题均来自于工程实例或是实例的简化，力争将分析的问题与机械工程背景对应。比如，讲扭转这一章时，先让学生看一些汽车传动轴、汽车方向盘等涉及扭转的图片或动画，从实物图引出要解决的问题继而进入理论知识的学习，即扭转的概念、扭矩的计算及扭矩图的画法等，最后将前面提到的实例简化为力学模型，作为本章的练习题，让学生学以致用，又如学习静力学中的平面平行力系的平衡时可结合起重机或吊塔平衡时的重物重量与配重之间的关系，学习材料的强度刚度校核时可结合机械加工用的钻床立柱的折断及弯曲对钻孔精度的影响，学习弯曲变形时可结合桥梁的倒塌，学习压杆稳定时可结合翻斗货车的液压机构中的顶杆发生稳定失效等实例。这样，不仅可以提高学生建模能力，更促使其牢固地掌握理论知识，还可以使学生认识到工程力学在工程中的重要性。

2.引入数值计算的概念。

1941年A.Hrennikoff首次提出了用离散元素法求解弹性力学问题，1960年R.W.Clough教授首次提出了“有限单元法”的概念，并发表了论文“平面应力分析的有限单元法”，自此，有限单元法在力学界迅速发展起来。到20世纪80年代初期，数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛应用。目前，数值计算已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。在教学中引入数值计算是一种必然结果，一方面，数值计算工程师已成为目前企业的紧缺人才，而高校中仅有部分硕士生在科研项目中有机会学习数值计算理论，掌握数值分析软件。本科生对此则几乎没有了解。另一方面，数值计算软件在科研项目中的应用越来越广泛，选择继续深造的本科生提前接触数值计算理论和应用，对其提前进入硕士阶段的研究课题有很大帮助。

在工程力学中引入数值计算方法，是一种具有前瞻性和挑战性的大胆建议。虽然有不少学者提出过将数值计算引入教学中[4]，但受限于课时和学校的硬件条件，实践效果甚微。对数值计算在工程力学中的应用，主要有以下建议：第一，简单讲解数值计算理论，偏重分析软件的应用。本科生无需花费大量时间掌握深层次数值计算理论，而数值分析软件的熟练应用则能不断深化教材内容，顺应时代需求。第二，提倡学生组队合作，课后自学软件，分工合作完成相关案例的数值分析。以竞赛的形式比较各组的计算精度，结果计入平时成绩。数值计算代替部分手动计算，既不需要占用课堂时间，又能提高学生完成作业的积极性。第三，有相关课题项目的教师可邀请学生参与进来，帮助其完成简单的数值计算工作，并给予一定的生活补助。教师可将自己进行数值计算的时间用于学生学习软件的指导上，则可有更多时间用于教学，学生也会更有激情地投入学习和工作中。

3.实验研究

积极开展实验教学，开放力学基础实验室，鼓励学生根据自己的兴趣，探索发现问题，提高实践动手能力，实验教学除了用于验证力学原理和数值计算的正确性外，还能帮助学生提高学习兴趣，培养动手操作能力，还能激发学生的创新能力及利用力学理论知识的能力[5]。

目前，由于高校招生人数的逐年增加，而学校实验室仪器数量有限，且基本都是定时开放，在固定的课时安排下，每位学生都能亲手实验存在一定困难，因此，面向学生开放实验室是必然的，力学实验中心应积极实行网络化、开放式管理，创建力学实验教学网站，为学生提供便捷的学习平台，创建开放式的实验教学环境，让学生有更多机会动手操作，让对教学安排外的实验有兴趣的同学有机会进行练习，将学生被动实验、被动学习转变为主动实验、主动学习。另外，可以按照教学大纲、不同专业特点和不同学生要求，对实验内容进行分层次教学，如可分为基础型、提高型和创新型实验，或分为必做型、选做型等。在教学规定的课时内，在确保基本力学实验完成的前提下，鼓励学生自主选择部分创新实验进行练习，这样更符合应用型人才的培养需求。

另外，要求学生深入分析实验结果与理论计算的误差，鼓励学生自己分析误差来源，并提出减小误差的可行性方案。在实验教学中增加中期考核环节，学生分组合作，确定实验目的，明确实验原理，指定实验方案，最后进行实验，并分析实验结果。小组成绩计入平时成绩，提高学生的实验积极性。

三、以压杆稳定为例的教学模式演示

进入压杆稳定的学习之前，先准备一些相关实例材料，让学生意识到压杆稳定计算的重要性。具体教学安排为：引进美国《时代周刊》日前评出的百年世界十大最恶劣塌桥事故之一——魁北克大桥坍塌，对此次事故进行简单的讲解，并分析坍塌原因，最后总结出事故原因为设计师忽略对桥梁的精确计算而引起结构设计缺陷，最终导致事故的发生。在该案例中让学生意识到力学计算的重要性。接着提供如图1所示的几个实例图片，并分别将其应用到的压杆稳定知识和工程实例结合起来，把形象思维和逻辑思维结合起来，把理性思维与直觉结合起来，激发学生对本章节知识的学习兴趣。然后，介绍本章的教学目标和重难点，接着进行知识讲解，在教学过程中注意教学风格多变，时时与工程实例相结合。

教学中需精选例题，并尽量选择工程实例，建立力学模型，然后利用所学知识点进行分析计算，这样可以提高学生的建模能力，有利于学生将所学知识应用于实际中。现以蒸汽机活塞杆的稳定性校核为例展示例题教学过程。

在例题教学过程中，可以进行如下教学设计。

（1）给出实际生活中的蒸汽机应用实例简单讲解蒸汽机的工作原理，强调蒸汽机活塞杆稳定性校核的重要性，启发学生从实例中提取出科学的问题：活塞杆的稳定性问题。

（4）设计合理的思考问题，加深学生对知识点的理解，并将其应用到实际工程实例中。如（1）若活塞杆承受的压力变大为200kN，计算活塞杆是否稳定？并分析受力大小对其稳定性的影响程度。（2）上述条件下活塞杆不稳定，可采取哪些措施

例题讲解结束后，组织学生分组，课后分析本例题的数值，通过数值实验观察蒸汽机的工作原理和杆的变形，计算活塞杆的受力等，探讨数值分析与理论计算之间的误差来源，并给出优化计算结果的方案，提高学生的软件应用能力，增强学生思考问题的主动性。

另外，针对本章的理论知识，结合实验室的现有器材，进行单杆双铰支压杆稳定实验，用电测法测定两端铰支压杆的临界载荷，并与理论值进行比较，验证欧拉公式，观察两端铰支压杆丧失稳定的现象。强化知识点，提高学生动手能力。最后，在本章内容讲解结束后，除了经典例题的练习外，还可组织课后小制作竞赛，如让学生用若干根塑料吸管和线绳制成一个承受压力的结构，要求结构高度不低于吸管长度。分小组进行比赛，以承重最大者为胜，并让学生思考此模型承重的影响因素，总结活动经验。

四、结语

将“源于工程应用，服务于工程应用”的思想贯穿整个教学阶段，突破传统照本宣科的枯燥教学模式，使学生掌握基本力学知识点，增强工程应用概念。即应结合数值计算和实验研究，培养学生自主发现问题、解决问题的能力。

参考文献：

[1]许卫群，徐云杰，胡潇毅.机械专业应用型人才培养力学教学研究[J].教法研究，2013（25）：58-59.

[2]史文谱，张春萍，方士杰等.工程力学教学改革初探[J].高等教育研究，2009，26（2）：27-29.

[3]张丽.论力学教学中学生综合能力的培养[J].课程教材改革，2012（1）：79-80.

[4]毛军，薛琳，熊艳.在本科力学课程中引入计算力学内容的可行性分析[J].北京交通大学学报（社会科学版），2003，2（2）：54-59.

[5]刘玉庆，刘玉梅.本科力学实验的创新化教学[J].科技信息，2012（1）：308-315.

基金项目：安徽大学第二批青年骨干教师（02303301）；安徽大学第一批应用型教学示范项目（17110164）。