基于先进力学分析方法的“理论力学”课程教学实践改革初探

郭剑锋 胡延安 王沿朝 何盼莉 王韶迪

摘 要：针对少课时“理论力学”课程背景下学员力学实践及运用能力不足的突出问题，课题组创新性地将先进力学仿真分析方法引入“理论力学”课程教学实践之中，并从教员“教”、学员“学”以及学习全过程考核等三个方面开展了初步探索，取得了良好的教学效果，相关方法可为推动我校“理论力学”课程教学改革提供有力的支撑。

关键词：理论力学；仿真方法；教学实践；教学评价；教学效果

Abstract：In response to the prominent problem of lack of mechanical practice and application ability among students in the background of less class hours of theoretical mechanics，the research group innovatively introduced advanced mechanical simulation methods into the teaching practice in theoretical mechanics courses.Then，preliminary explorations are conducted from three aspects：teacher teaching，student learning，and whole process assessment.Good teaching results have been achieved，and relevant methods will provide strong support for promoting the teaching reform of theoretical mechanics courses.

Keywords：theoretical mechanics；mechanical simulation methods；teaching and leaning practice；teaching evaluation；teaching effects

1 概述

“理论力学”课程是我校工科专业高等教育（本科）武器发射工程、土木工程、机械工程等专业必修的一门核心专业基础课程。该课程以经典力学理论为基础，综合利用“高等数学”“大学物理”等基础知识研究物体机械运动的一般规律，同时也是一门对工程对象进行静力学、运动学与动力学分析的技术基础课程。“理论力学”在航空航天、土木水利、机械能源等诸多工程技术领域都有着非常广泛的应用。此外，该课程还是“材料力学”“结构力学”“机械设计基础”“弹性力学”“飞行力学”及“空气动力学”等后续课程的先导课程，对培养学员利用力学知识解决工程实际问题的能力对进一步塑造学员的力学素养具有至关重要作用［1］。

需要指出的是，“理论力学”课程教学实践环节薄弱是其突出问题［24］。在少课时背景下，“理论力学”课程教学实践仅仅是作为理论教学的附属和补充，很难再为其安排足够的学时，师生普遍重理论而轻实践。而在少量的实践教学环节中，学员一般只是严格按照教师或书本给出的步骤“依葫芦画瓢”，需要自主思考的实践能力无法得到有效锻炼和提高，更无法灵活应用力学知识探索开展深层次的力学创新活动，导致学员普遍存在“力学实践能力差”的问题，学员力学素养亟待提高［57］。针对这一问题，课题组创新性地将先进仿真分析方法引入“理论力学”教学实践改革之中，以期提升“理论力学”课堂的教学效果，培养学员的力学实践能力，并为进一步优化我校专业基础课程教学改革工作，提升我校基础力学课程教学质量，并为最终实现大学育人的使命任务提供重要的理论基础和技术支撑。

2 先进力学分析方法在“教”中的实践运用

在“基础力学”课程学时被普遍压缩的情况背景下，为了完成“基础力学”理论知识的传授，传统的理论力学课堂往往按照“内容回顾”“概念介绍”“定理推导”“例题讲解剖析”和“课堂小结”等定式环节来开展教学设计和实施，以“教师讲学生听”为主，课堂结构紧凑，学员疲于应付。除此之外，传统教学课堂中教员与学员的课堂互动也明显不足，学员的课堂参与度和思考积极性都不高，力学素养更无法得到有效的培养和训练。

基于此，课题组在近年来力学科学研究的基础上，探索性地将先进的数值仿真技术引入理论力学教学实践之中，如基于Abaqus、Adams及SolidWorks等仿真软件强大的数值建模及仿真功能，对教材中的经典力学问题开展二维及三维建模、数值仿真及静/动力学分析，获取了经典力学问题的全过程动态解，为学员拓展示范了先进的分析方法及技术，并为力学课堂提供了生动的动画演示和课堂案例。

在前述课堂教学实践的基础上，课题组还进一步依托火箭军特色背景及机械、土木等行业背景，以先进力学分析方法为基础建立了一批生动的虚拟教学实践工程案例库（见图1），如典型的四连杆机构、曲柄连杆滑块机构、牛头刨床机构及火箭飞行运动模型等，极大地丰富了教学内容，并使得课堂教学紧贴实战化教学目标。以这些案例中的典型力学问题为驱动，打通了课前预习—课堂研讨—课后创新实践等重要教学环节，显著丰富了课堂教学手段，取得了良好的教学示范效果。

为了让学员能够掌握先进数值分析方法的流程与步骤，课题组预先录制了教学视频并上传至网上课堂，以ABAQUS为例，整个建模分析过程中的典型步骤包括创建模型部件、设置材料与截面属性、定义装配件、设置分析步骤和输出、施加载荷和约束、划分网格并提交分析及结果后处理等步骤。学员通过课下时间自由观看教学视频即可学习掌握大部分建模分析流程，而剩下的部分问题则可通过与同学交流或向教师请教得到有效解决。

3 先进力学分析方法在“学”中的实践运用

在传统填鸭式课堂中，主要以教员讲、学员听的形式展开，在这样的课堂模式下，学员处于被动学习状态，学习动力明显不足。此外，受限于课堂时间，学员所能接收的知识点不够充分，更无法对所学知识融会贯通和有效运用。通过对以往学过“理论力学”的高年级学员的调研和座谈发现，许多学员在学完“理论力学”课程后都有“学会了但不会用”的感觉，面对具体工程问题时仍然不知从何下手。出现这一问题的主要原因其一是书本中的案例与例题都是高度抽象化的，无法让学员将其与工程实际联系起来，更不易建立工程思维；二是传统的“理论力学”课程实践大都只是对某一更为复杂综合的力学题目进行分析求解，这些问题虽然比教材中的案例更加复杂综合，但其仍然很抽象，学员也只是按照教员的理论方法“依葫芦画瓢”，无法真正将力学知识应用于工程实际之中。

因此，课题组在开展“传统力学”课程教学实践的基础上，进一步在课堂中引入了计算机编程及数值仿真等先进力学计算分析手段，对学员进行简单培训，让学员了解先进数值建模仿真方法中的模型建立—装配加载—提交分析—结果处理的全流程。然后，在教员的引导下，学员对前述工程案例库中的案例及教材中的经典例题进行建模分析，自主探索经典力学问题的全过程动态解，并通过与书本结果的对比验证激发学员的求知欲和探索欲。

在此基础上，基于教员指定和学员自拟题目相结合的方式为学员在“理论力学”的《静力学》《运动学》及《动力学》三个篇章中分别设置三次自主探索大作业实践，引导学员对教材或工程实际中感兴趣的力学问题进行自主探索和建模分析，这一过程可由学员独立完成或以小组形式锻炼学员的软件使用能力并培养他们的团队协作精神，进一步提高学员解决实际问题能力。

除了课内实践活动之外，课题组还以学科竞赛为牵引，引导学员积极参加全国周培源力学竞赛、全国大学生基础力学实验竞赛、大学生科技创新比赛、全国大学生机械创新设计大赛等各类力学与机械类学科竞赛，将课程内容与学科竞赛有机结合，竞赛的获奖成果进一步激发了学员的学习热情（见图2）。这样从课内到课外层层递进，不仅加深了学员对力学概念的理解和力学知识的融会贯通，激发了他们的学习热情与内驱力，使学习变被动为主动，更能够有效拓展实践范畴，解决学员力学实践能力差的问题。

4 先进力学分析方法在教学考核中的实践运用

传统“理论力学”课程在进行教学考核时，大都只采用单一的期末闭卷考试形式进行，这一考核方式的弊端在于：部分学员平时不努力学习，仅仅在考试之前进行突击复习，虽然也可能通过最终的期末考试，但在后续学习其他专业课程时就会明显表现出基础知识不牢固的现象，后续课程的学习明显感到吃力。

因此，在“理论力学”教学实践改革的基础上，课题组对本课程的教学考核方法进行了进一步优化，采取多元化刚柔并济的考核方式取代了传统的考核方式。具体而言，就是在传统笔试考核的刚性要求基础上引入线上学习成绩、实践项目探究、登台展示介绍及小组讨论互评等柔性的、非笔试考核方式。突出探究性的能力考核，以激发学员通过刻苦学习收获力学实践能力和力学素养养成的成就感。

具体来讲，对于学员的线上学习效果，可以通过雨课堂实时跟踪，让学员能够及时了解自己的学习与进步情况。对于实践项目探究可以采取开放项目式研究，不限定具体的研究目标、流程和方法并允许失败。学员可以独立或者以小组形式开展探索实践，并将最后的实践结果以PPT的形式在课堂展示。同时，在课堂展示结束后可让其他小组学员对展示的学员进行评价并打分，并总结实践经验及失败教训。在这样的多元化考核方式下，学员的主体作用得以强化，并进一步激发了学员学习的积极性，学习效果得到了有效提升。

结语

“理论力学”课程是我校工科专业的核心专业基础课程，对于培养学员的力学思维与创新能力至关重要。为引导学员从“要我学”的学习观念转变为“我要学”的学习理念，切实提升学员的力学能力和力学素养，项目组针对“理论力学”课程教学实践环节薄弱的突出问题，创新性地将先进仿真分析方法引入了教学实践之中，让学员在掌握先进力学分析方法的基础上，积极主动探索、深入研究，有效培养了学员的力学思维与创新能力，提升了教与学的效果，取得了良好的教学示范效应。

参考文献：

［1］叶红玲，杨庆生，杜家政，等.基础力学课程教学中非标准化考核模式的探索与实践［J］.力学与实践，2022，44（05）：12061212.

［2］王沿朝，秦忠宝，桑媛园，等.ABAQUS数值仿真在理论力学教学中的运用［J］.教育教学论坛，2021（38）：132135.

［3］王沿朝，王鑫峰，郭剑锋，等.新时期军校青年教员教学能力提升研究——以理论力学课程为例［J］.高教学刊，2023，9（26）：156159.

［4］谭邹卿，蒋学东，何云松，等.新工科背景下理论力学教学实践与探索［J］.高教学刊，2021（07）：103107.

［5］李达，孙凯，李书卉，等.基础力学实验教学的改革与实践［J］.实验室科学，2023，26（01）：143147.

［6］郝颖，余为，李哲.理论力学研究导向型教学方法探索与实践［J］.力学与实践，2023，45（05）：11601166.

［7］郭铁丁，康厚军.理论力学研究性教学新探索——变质量系统动力学与连续介质Reynolds输运定理［J］.力学与实践，2023，45（03）：659663.

项目来源：国家自然科学基金项目“基于负刚度放大系统的地下大型人防工程防爆抗震性能提升机理研究”（52108387）；火箭军工程大学教育改革项目“基础课程青年教员‘教与学教学互动机制研究”（HJJKTD2023006）

作者简介：郭剑锋（1981— ），男，汉族，湖南桃源人，硕士，副教授，研究方向为工程力学。

*通讯作者：王沿朝（1991— ），男，汉族，湖北应城人，博士，讲师，研究方向为工程力学。