省属高校小学期基础力学综合训练设计与实践

赵增辉 李龙飞 邢明录 陈俊国

（1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.矿业工程国家级实验教学示范中心（山东科技大学），山东 青岛 266590）

○、引言

山东科技大学作为山东省重点建设的应用基础型人才培养特色名校，正在由规模扩张转入内涵发展与核心竞争力提升。近几年，学校围绕应用型创新人才培养目标，提出了“优势、特色、内涵统筹兼顾，知识、能力、素质协调发展”的实践教学建设与改革理念，先后实施了“优质课程工程”“实践强化工程”等教学改革“十大工程”，并积极探索与应用型创新人才培养相适应的多样化人才培养模式。为弥补大学生实践实训技能的短板，我校从2014级开始实施三学期制度，其基本构成就是把一学年分成两长学期和一小学期，并且在保持总的教学周数基本不变的情况下，在原有的两个长学期压缩后分别抽出较少的几周在暑假前安排小学期。两学期理论授课时间均为十六周，小学期一般为四周。如何适应三学期制，实现优质教学资源共享，加强课程建设，创新人才培养模式，提升教师素质，提高理论教学质量和教学效果是需要深入研究的问题。

基础力学（包含理论力学、材料力学和工程力学）是高等院校工科类各专业必修的一门重要的专业基础课。力学教学不仅要求学生掌握其理论知识，更重要的是加强对学生实践能力的培养。近年来，很多兄弟院校在基础力学系列课程理论教学体系、实验教学体系以及教学资源建设等方面进行了卓有成效的教学改革［1-8］。但对于省属高校来说三学期制是一个新生事物，如何安排学生四周的学习活动，特别是对于基础力学这类既强调理论基础又可以直接进行工程应用的课程，是需要深入探索的问题。

一、基础力学教学中存在的问题

力学这门学科有其独特的魅力，小到一根螺栓的强度问题，大到航空飞机、宇宙飞船的受力问题都离不开力学知识。力学不仅满足学生学习后续专业课的要求，也满足学生毕业后从事专业工作、新项目研究、开发和继续学习的要求。在基础力学课程教学中实施改革，对锻炼学生的初步研究能力和创新精神具有得天独厚的条件。然而，目前基础力学教学因受学时限制或者平台建设缺陷而存在如下问题。

其一，基础力学知识构架零散。教学过程中一般着重强调各门课程的完整性与严密性，而对各门课程之间的联系介绍得不多，至于对整个力学体系的介绍则更加少。这种教学方法导致学生学习完之后只见树木不见森林，缺乏对基础力学知识概貌的了解。同时，所学的知识相对零散、割裂，难以在头脑中形成完整的知识体系并对所学的知识实现融会贯通。

其二，对学生的工程视野开拓重视不够。在以往的力学系列课程教学中，教师通常重视讲授教材上的经典力学知识，而对相关力学理论的工程应用背景及应用案例引入较少。这导致一些学生力学知识视野比较狭窄，对力学课程学习缺乏兴趣。

其三，缺少对学生研究能力和创新能力培养的环节。教学中普遍偏重知识传授，而轻视对知识点探究的能力和实践应用能力的培养，导致学生对于已经学习过的经典题目能够比较熟练地计算，但是面对实际工程中的具体对象时却不善于抓住问题的力学本质，难以抽象出力学模型。同时，在解决实际问题时思路禁锢，不善于推陈出新。

综上所述，基础力学教学存在力学知识体系构建不完整、知识点深度和宽度讲授不够、工程应用不重视、创新和实践能力培养环节缺失等问题。如何更多地结合工程技术实际，使学生切实感受到基础力学在提高自己专业素质的实际意义和价值；如何引导学生从更深的层次上分析和理解力学知识，使学生创造性地应用力学概念、原理和公式去分析和解决复杂的工程实际问题，是基础力学教学中需要解决的问题。

二、小学期基础力学综合性项目的设计与实践

我校在基础力学教学中逐步构建了由“理论教学体系、实验教学体系、创新与实践活动”三主线并进，“课堂教学、知识拓展、实验技能、实践应用”四环节并行，理论与实践并重的工科基础力学教学体系框架［9-11］（如图1所示）。

为增加学生基础力学综合应用环节，提升创新与实践活动的效能，我校基础力学教学团队在2014年本科专业培养方案修订中提出了增加“基础力学课程设计”的设想，适逢学校从2014级开始进行学制改革。因此，我们向学校建议在本科专业二年级的小学期增加基础力学创新设计与实践环节，目前正在力学专业进行试点。

图1 工科基础力学教学体系框架

基础力学创新设计与实践属于一门实验实践课程。设置这门课程的目的是使学生在完成理论力学、材料力学理论课程学习后，依托山东省骨干学科力学实验中心的开放实验室，综合运用力学的基本概念和基本理论创新设计作品，强化基础力学知识的学习，在自主的条件下实验，在工程的背景下实践。也就是通过实验测试手段达到掌握用力学方法解决工程问题的目的。通过本课程的学习，全面提高学生的综合素质和创新能力，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的创新能力和工程实践能力。

基础力学创新设计与实践课程以团队形式开展学习活动。三四人为一个团队，为加强男女生的交流，采取男女混搭组队。学生要在两周的时间内完成四个综合性的设计项目，其中包括理论力学和材料力学问题各四个。作品包括设计文本和实物模型两部分。每个设计题目均应写出完整的解决方案，包括设计方案、理论计算、实验验证等，最终形成《基础力学创新实践》规范文本。实物部分要制作两个相同的作品，一个用于实验测试，另外一个由实验室留存。学生完成作品后，最后一个环节是制作幻灯片进行现场答辩。综合性项目的设计参考了全国周培源大学生力学竞赛、全国大学生结构设计大赛以及各学校组织的各类比赛题目。题目设计上需适应我校力学实验中心的设备要求以方便开展测试。以下以2014级力学专业小学期创新实践题目为例进行说明。

第一题：找家乡的形心

该题目要求确定本团队其中一位队员的家乡所在市地图的形心位置，并以东经×××.××°和北纬××.××°的形式将其表示出来。需采用实验测试、理论计算、计算机软件三种方法进行分析。

该题目是在第九届全国周培源大学生力学竞赛团体赛题目的基础上进行的拓展，学生解答起来思路比较清晰。比如在实验测试中可以采用悬挂法，大部分团队采用A4纸打印了所求地图，但由于A4纸太过单薄，学生又改用质量较好的瓦楞纸来剪裁图形，如图2所示。

图2 裁剪后的瓦楞纸图形

理论计算则将地图描绘在坐标纸上，采用静力学求形心的方法，将图形进行分块求解。计算机方法首先将地图边界以外部分用Photoshop剪裁后导入CAD中，生成面域，建立参考坐标系后，通过特殊命令可以直接找出形心位置。通过这三种方法的比较分析可以进一步提高求解的准确度。通过该题目训练，学生掌握了求解形心的各种方法，并熟悉了MATLAB和AUTOCAD等数据处理和绘图软件。

第二题：承受静压载荷的台式结构设计

该题目要求设计一个工程台式承载结构的实验室模型并进行加载破坏试验。材料限用打印纸、文具用胶水、软线，上下端面用包装瓦楞纸板（可利用商品废弃包装箱截取），层数和组合方式自定。图3为某团队设计的三棱柱型支撑平台。该结构的主体为九根垂直地面的长支柱，每三根为一组固定在瓦楞纸上，每根呈空心圆筒状。每一根长支柱由两根短圆筒通过销接组成，上下表面均为瓦楞纸板，互相平行。结构侧面采用细圆管为辅助支撑结构。整个模型上下对称，使每根相等圆柱受压均匀。学生在设计中充分考虑了截面图形几何性质、压杆稳定、二力杆、连接点受力等众多问题。

图3 承压平台设计图

图4为该平台的加载失稳曲线。测试结果表明，结构最大承载力为445N，自重为150g（1.47N），结构自重比为302.72。上升阶段出现突变是由于加载过程中出现了相对滑动和杆之间出现相对错动。学生通过该题目能够实现材料力学知识的串联，并掌握实验测试方法。对加载曲线出现的异常能够结合力学知识进行解释，极大地激发了学生的学习兴趣。

图4 支撑平台加载失稳曲线

第三题：桥梁模型的优化设计与制作

该题目要求设计一个只有一个主跨，次跨不限，且具有工程参考价值的桥梁，材料同第二题。要求能实现三点弯曲加载。评价方式为结构模型在静载下的力学行为，如挠度、承载能力、最先破坏位置、稳定性，兼顾考虑设计方案、结构造型及工艺水平。题目比较开放，给了学生极大的发挥空间。如图5为学生在进行斜拉桥的加载试验。

图5 斜拉桥加载试验

图6为该模型的三点弯曲加载曲线。根据曲线特征，学生从实验设计误差、材料误差、模型制作误差等多个方面对该桥梁的理论承载能力、实测值进行了比较分析。这些能力是在平时作业中无法训练出来的。

图6 桥梁的加载曲线

第四题：机构设计

该题目要求利用运动学知识设计制作一个机构，利用该机构，可以把原始图形在x方向放大一倍，在y方向收缩为原始图形的一半。该题来源于第八届全国周培源大学生力学竞赛团体赛，我校学生在参赛时该题做得非常不理想，因此，我们特意将该题移植到小学期创新设计中进行训练。图7为某团队设计的图形变换装置示意图。用薄木条及销钉设计制作平面运动机构，利用菱形的对称性，使得机构中的两支笔，一支沿着原始图形的外部边界运动，另一支笔画出变形后的图形，实现图形在两个方向上的放大与缩小。

图7 图形变换装置示意图

图8是对第一题所用地图进行的变换结果。制作与安装机构时产生的误差会对变换效果有一定影响。通过该题，学生进一步加深了对运动学知识以及坐标变换相关理论的理解，有的学生甚至进一步制作了该装置的动画。

图8 地图图形变换

学生经过为期两周的设计实践，强化了基础力学的理论，通过理论与实践结合极大地提高了学习兴趣。很多学生在最后答辩中很中肯地分析了自己团队在理论储备、实验能力、数据分析乃至团队合作方面存在的问题。

三、结论

山东科技大学作为山东省重点建设的应用基础型人才培养特色名校，正在积极进行教学改革，以适应应用基础型人才的培养需求。其中三学期制的实施给基础力学的教学模式和教学方法改革带来了机遇与挑战。本文就如何在小学期开展基础力学教学工作进行了初步探索，所得的主要结论及存在问题如下。

（1）小学期开展基础力学创新设计与实践环节，可以实现与理论授课、课程实验的对接，形成理论→试验→创新实践层层递进的教学体系，从知识的片段化到综合运用，逐步增强学生的力学理论功底和应用能力。

（2）以团队形式开展创新设计，可以提高学生的协作能力和动手能力，使学生清醒地认识到团队协作能力在科学研究中的重要性，锻炼学生的研究思维，起到课堂教学无法取代的作用。

（3）目前，基础力学创新设计与实践环节在力学专业还处于试点阶段，如何利用有限的平台在各工科专业铺开推广，是需要进一步探索的问题。