提高工程力学教学质量的研究与实践

王 涛

（海南大学机电工程学院，海南 海口570228）

0 引言

为了提升工程力学专业基础课程的教学质量和学生的工程实践能力，建立能满足新工科对于创新性人才培养需要、科学合理的安排专业基础课程教学思路及方法，以及实现提高学生学习工程力学专业基础课的兴趣和培养创新能力。以工程力学（理论力学和材料力学）为研究背景，提高工程力学整个教学团队教师的教学能力和质量为目的，结合本院实际采用的教学措施并总结在工程力学基础课教学方面的成功经验，提出可显著提高机械类专业基础课教学质量的方法、思路及措施，并付诸于实践的经验，给同行予以交流参考。

1 课堂教学采用问题讨论式

课堂教学采用以问题为导向，从工程力学的知识点开始，遵循提出问题，分析问题，解决问题，应用扩展及创新应用等模式进行教学，提高学生的综合素质和产品创新设计能力培养。提高机械类专业学生对力学的兴趣。并围绕此模式对工程力学各个章节的工程教学案例进行了制作。基本形成了促进创新和提高学生科研创新思维能力的课堂教学模式，以刚体的简单运动定轴转动教学案例进行说明。

1.1 创设情境、导入新课——提出问题

提出为什么要进行刚体的基本运动计算工作：前面章节介绍点的运动学是针对一个质点，可以解决工程中常见的点的运行方位、轨迹、速度加速度等计算问题，这也是运动学计算工作的意义及价值，研究刚体运动本质是研究质点系的运动学问题。在本节研究刚体的定轴转动运动之前，利用工程中的实际科研案例——如何对甘蔗进行收获的方法进行话题激趣[1]，使学生整堂课都能保持积极的心态去分析工程案例并解决实际问题，探索新知。

1.2 针对内容、理论推导——分析问题

分析问题：通过学习刚体定轴转动的基本概念，引入研究定轴转动刚体的基本方法和思路，运用刚体定轴转动的基本分析方法总结刚体各个点的运动规律，同时对刚体的定轴转动运动计算结果分析对比，并阐述定轴转动的基本内涵和运动规律。

1.3 结合实际、理论推广——解决问题

解决问题：针对实际的工程问题，甘蔗收获机械切割器的设计，运用定轴转动机构的基本原理来实现甘蔗的切割，并分析圆盘式切割刀片都是做刚体的定轴转动，实现所需要的功能，运用刚体的定轴转动基本运动规律进行分析，研究随着刀片的基本参数——速度，半径等变化会对甘蔗切割效果的影响规律[2]。并讨论其他物理参数的变化会引起结果的不同。启发式提出刚体定轴转动的基本运动的研究方法和并列出解决甘蔗进行切割问题的基本思路和扩展方法。

1.4 通过案例、引导思考——应用推广

应用推广：针对刚才同样实际的工程问题，不同数值的影响及不同半径参数的变化会对运动轨迹、速度、加速度的影响进行分析，同时进行更进一步的讨论，启发学生进行应用对象变换的类比思维，启发学生对于类似的割草机械的设计方案仍然可以采用刀片定轴转动切割的方案[3]，深入讨论该方案的优缺点，提出改进的方案的具体思路。比如从原有的割草机刚性刀片实际运用的缺点分析过度到柔性切割器的创新发明。以及古人所发明的龙骨车运用定轴转动刚体进行取水的发明成果[4]。同时再采用逆向思维：引导学生对该定轴转动机构作为从动件被驱动的案例，介绍古人发明水排的优秀成果[5]。再采用深入换位思考，对定轴转动刚体进行倾斜角度的改变研究起升问题。最后再对所提出的思路和方法，应用到实际所做的课题橡胶果脱壳机械运动定轴转动刚体进行脱壳的实际案例[6]。例如用定轴转动刚体可以设计不同的脱壳机械创新设计方案，能够生动的提高学生设计创新机构的能力和兴趣。

1.5 通过案例、引导思考——创新应用

在工程应用中需要设计运动学装置，结合科研实际课题讨论，比如变速机械的设计，提出变速器采用的创新方法的发明创造思想以及发明创造的过程提高学生的兴趣，比如引导采用不同的结构布置实现不同的变速比等参数，提高学生的兴趣和创新能力。再由此扩展出发动机稳定转速的调速系统，仍然运用刚体定轴转的的基本原理实现飞球的摆动控制发动机喷油量并实现柴油机稳定运转的基本原理和思路[7]。以及扩展到其他领域的创新设计遐想，给学生一个广阔的思维空间进行运动学创新装置方案设计等。针对挖坑机械和橡胶果脱壳机械让学生运用今天所学习的基本知识进行创新方案的深入探索[8-9]。最后总结基本内容及基本知识，给学生提供广阔的思路有利于进行创新发明。

针对工程力学课程各个章节主要内容，将此教学理念贯穿始终，注重教学与科研相结合，讲透弄清基本概念的本质。在教学过程中，采用从问题出发、学生自主探索的教学模式，研究和开发针对此理念教学的案例启发并提高了学生应用和学习工程力学的水平和质量，增强了力学学习的直观性。

2 采用案例讨论进行启发式思考

针对学生学习力学教学知识的应用直观性，努力将教学实物模型应用到课堂教学中，加强机械类学生将基本理论和实践相互联系的科学素养。应用试验演示装置来解决实际应用和力学知识中提出的问题。在教授静力学内容时适当引入压榨机、摇树机构模型加深学生对工程力学理论推导结果的理解。这方法既提高了学生应用力学知识的能力，更培养了创新的科学精神。同时进行多样化教学方法并用，在教学中以注重强化基础知识的理论性和应用性为前提，以启发式、渐进式、讨论式教学为手段，提高学生学习兴趣。通过课后的工程实际科研问题激发学生学习工程力学的积极性和主动性，增强学生对力学与科研课题相互结合的意识。学生针对实际木薯杆弯曲特性参数测量，制作木薯秸秆弯曲杨氏模量测试仪[10]。课上和课下学生对于实物模型的测量原理得到深刻认识后对弯曲理论知识增强了理解并提高了兴趣。学生的力学科研课题结果在试点班中采用评比与演讲等方式进行考核，提高学生的学习兴趣和对解决专业问题的意识，增强了自信心。经过近年来的教学实践表明，学生们对于工程力学学习兴趣浓厚，每年有许多学生主动加入到工程力学教师实际科研课题的研究中，积极开展工程力学相关的课题的科学实验研究工作，学生们发表工程力学科研小论文近二十篇。

对于材料力学课程有计划地精选一些章节内容，让学生提前搜集准备资料及讲课PPT，提前预习并进行课堂讲解的模式，进行讨论式教学，师生共同评比及演讲等，这些我们都进行了有益的探索。在这过程中发现有少部分学生对此教学模式非常赞同，还有一些同学并没有充分准备，讲课效果差。究其原因是未进行充分准备，因此，教师针对理论力学课程静力学部分其中三个章节，预留五分钟时间让学生每节课自己讲解题目的方式进行讨论式教学，师生共同评比等。在探索中发现有极个别非常乐意准备，有一些同学开始似乎并不愿意进行准备，主要是讲解习题的准备性工作未做，随着几次督促和改进，效率和效果明显提高。通过一些内容随机让学生进行台上台下讲解的方式也可让教师了解学生对于知识理解的程度。

3 采用网络技术辅助教学

随着近年来互联网技术方式在教学中的大力采用，学生们通过网络获取教学资源已成为重要的手段。我院工程力学教学团队经过努力积极制作完成配套的教学课件、动画制作、题库建设，建立网络学习和交流园地。通过不断改进教学大纲、教学方式和教学方法以及考核方式等，不断探索有利于高素质人才培养的教学方式和方法。针对工程力学教学各个章节内容进行全程教学视频的录制，积极创造条件建设“工程力学”（理论力学、材料力学）精品课程网站，将精品课程的教学文件，如教学大纲、教学教案、实习指导、电子版教案、电子教材、编制的网络课堂课件、习题库等内容逐步上网，并实施网上在线和线下交流、指导，也便于教师间交流研讨。各位工程力学教师积极开展课程教学改革与建设。完善课程的特色课件及案例建设，实现线上线下教学，提高学生工程力学学习质量。

4 结束语

随着国家智能制造产业的发展和对于机械工程类新工科对未来合格人才的迫切需求，提高工程力学整体教学质量也是培养适应新的产业发展并具有创新性人才的关键。以上是我院针对提高机械类专业学生学习工程力学课程的一些有意尝试，今后还要更进一步结合本科人才培养高质量需要，深入探索提高工程力学课程整体教学效果的方法和措施并大力提升人才培养质量。