非機械類工科專業短學時工程力學教學內容優化組合與實踐

摘要：針對工程力學課程縮減學時而授課內容不減的實際問題，我們對非機械類短學時工程力學教學內容進行了優化組合，通過調整授課順序，采用“并聯”的方式進行授課，更加有利于學生在較短學時內掌握材料力學中各基本變形的概念和解決工程實際問題的方法。從考試結果來看，我們的教學改革實踐收到了預期的效果。

關鍵詞：工程力學；比較教學；高等教育；教學改革

力學同物理學、數學一樣，是一門基礎學科，它所闡明的規律往往帶有普遍性的意義。力學又是一門技術學科，作為眾多工程技術的理論基礎，又在廣泛的工程應用中得到不斷發展。力學和工程的結合推動了工程力學的形成和發展。因而，工程力學是一門具有顯著實用價值的技術課程，成為各工科專業的必學課程。

沈陽化工大學基礎力學的授課對象總體上分成兩部分，一個是機械類學生的力學的授課，主要包括理論力學和材料力學，學時都較長，均達到64學時，兩門力學課程為學習機械設計基礎等后續課程提供重要的理論依據。另一個是針對我校的非機械專業，我們開設的工程力學，學時較短，面向化學工程與工藝、高分子材料與工程、環境工程等近10個專業，工程力學的學習可以為這些學生樹立工程理念、了解相關專業設備的原理、操作應用等打下理論基礎。

近幾年來，在國家大力提倡素質教育、培養學生綜合能力的大環境下，本科學生學習的科目有所增加，但很多課程的學時得到削減，我們面向化學工程與工藝、應用化學、食品科學與工程等專業工程力學課程由三年前的24學時削減為現在的16學時，而另一方面，工程力學由于其知識體系的特點，24學時和16學時授課內容幾乎一樣，這就給學生學習工程力學帶來了一定的困難，也為教師講授該門課程帶來了挑戰。

近年來，筆者一直在講授非機械類工科專業工程力學，針對學時的削減對授課的方法作出了一些調整，其中，對授課內容進行重新優化組合，對各知識點進行比較講授，收到了不錯的效果。

一、非機械類短學時工程力學授課內容優化組合的基本思想

（一）授課內容

無論是24學時還是現在16學時的工程力學，由于工程力學課程的特點，授課內容均包括靜力學、軸向拉壓桿件強度和變形計算、扭轉的強度和變形計算、彎曲的強度計算等內容。

（二）授課內容優化組合

對授課內容進行優化組合的思想來源于我們編寫一本理論力學的雙語教材，當時我們參考了很多國外的原版教材。有些力學課程授課的思路和國內不同，比如我們的理論力學，我們曾經講過合力投影定理，我們還介紹過力的平行四邊形法則，我們在講運動學時也講授了速度及加速度的合成的法則，實際上這些都是矢量的性質，因此，在國外的一些教材上，他們先用很大的篇幅介紹了矢量的性質，然后在后續的課程的講授中只要遇到矢量就不用花大力氣去講授其性質了。實際上這就是一個先介紹個別還是先介紹整體的問題。孰優孰劣不好下結論，在不同的情況下二者會有不同的效果。

16學時《工程力學》現在的學時分配是靜力學、軸向拉壓桿件強度和變形計算、扭轉的強度和變形計算、彎曲的強度計算各4學時，可以說，4學時對每一部分的授課都幾乎是不可完成的任務。而我們的教學目的是讓同學們掌握工程力學解決實際問題的基本方法，即（1）工程實際問題的提出→（2）工程構件計算模型的建立→（3）根據題設條件（主動力）→（4）應用靜力學平衡方程求出約束力→（5）根據外力的作用特點，分析構件的變形形式→（6）應用截面法求出危險截面上的內力→（6）最大工作應力值、最大工作變形量→（7）再根據強度條件和剛度條件對工程構件進行設計計算。可以講，現在我們的學生如果掌握得比較好的話，能對單一基本變形的步驟（4）→（7）有所了解，因此，我們的授課還沒有完全達到理想的效果。

為此，我們將授課過程中的各基本變形的強度和變形計算進行“同類項合并”，使原來的“串聯”的授課和學習變為“并聯”的授課和學習，既能夠節省授課的時間，而且也有利于學生從整體的思想以及從力學方法的高度去認識我們講授的內容，因為我們授課的重要目的是讓學生掌握這門課程解決問題的方法。

本課程由于其內容特點決定了靜力學部分講授的內容和方法不會有大的變化，還是要講授受力分析、平面力系簡化和平面力系的平衡，可能的變化是學時的分配，初步想法是由現在的4學時增加到5學時，以期使同學們對這部分內容掌握得更好一些，為后面內容的學習打好基礎。本課題主要改革的內容是材料力學的四種基本變形的講授順序和方法。

材料力學部分幾種基本變形的研究思路如下圖1。現行教材和現在的授課思路都是①→②→③，①②③三條線都是作為單獨的一章進行講授的，每一部分用4學時。但從上面研究的問題中可以很容易地看出，每一種基本變形的每一個小的知識點都是相同的，而且每一個小知識的講授從力學方法上看都是一樣的。比如在講授內力的符號規定時，每一種基本變形的內力都會有正負號規定，而且每一種變形的內力都可以畫出內力圖，雖然具體的規定不同，但它們規定的目的和方法是類似的，因此也可以說它們是大同小異的，這樣我們就可以對這些“同類項”進行“合并”，為此我們編寫了一本臨時的教材，教材采用三欄，每一欄分別代表①②③，其相同內容部分在教材的橫向是對應的，講授時我們三條線同時進行。從整體來說，這樣有助于同學們從整體上掌握材料力學對變形的研究方法，而且對方法的理解會更加透徹。

二、優化組合教學實踐

根據我們優化教學的思路，2010-2011學年度第一學期，我們在我校高分子材料與工程專業2008級1班-6班進行了教學實踐，該專業工程力學學時為32學時，在工程力學材料力學的基本變形部分采用優化教學方案。以32學時為實踐對象主要考慮到初次實踐，應該留有余量，實際上我們主要的目標還是為16學時工程力學的教學內容優化組合提供數據和依據。

我們以學生的高等數學成績為參考依據，將6個班學生共計163人分成2個教學班組，并使他們的學習高等數學總體成績相當，以方便對我們教學效果的比較。第一班組共計81人，我采用的是傳統的教學方法，即按照圖1中的①→②→③的授課順序；第二班組共計82人，我采用的是①②③三條線同時進行的授課方式。為使授課條件相當，第一班組上課時間為周五下午13：30-15：20，第二班組為15：40-17：30。授課時講的內容包括例題等全部相同，部分采用多媒體教學。期末考試考核方式為閉卷考試，共5道題，考試時長90分鐘。

三、優化組合后的教學效果分析

下面我們對兩個教學班組的教學效果進行比對。考試共有5道題，但1、2兩題屬于靜力學部分內容，我們不加以對比。第3、4、5三題分別為軸向拉伸的強度計算、扭轉的強度和變形計算以及彎曲的強度計算，三個題的分值均為20分，我們以這三個題目考試的卷面成績進行對比。圖2為兩個教學班組考試成績各分數段分布情況，從分布情況來看，第二班組學生的分布情況比第一班組的情況要好一些。表1列出了各題平均分及最高分和最低分統計，從表1和圖2綜合來看，我們的教學改革實踐收到了一定的成效。

四、結論

通過對非機械類短學時工程力學教學內容的優化組合，調整授課順序，采用“并聯”的方式進行授課，更加有利于學生在較短學時內掌握材料力學中各基本變形的概念和解決工程實際問題的方法。從考試結果來看，我們的教學改革時間收到了預期的效果。

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