工程力學教學中“力學建模”與工程案例相結合的實踐研究

摘要：工程力學涉及大量的工程案例，在許多工程技術領域中有著廣泛的應用。本文建議從課堂教學、實驗教學和考核形式三個方面實施“力學建模”與工程案例相結合的教學模式。

關鍵詞：工程力學；力學建模；工程案例；工程應用

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）35-0083-02

一、力學建模與工程案例相結合的教學具有重要意義

工程力學課程的能力培養要求是使學生通過系列基礎課程的學習提高：（1）建模能力；（2）分析計算能力；（3）實驗能力；（4）自學能力。工程力學是一門兼有基礎理論和應用技術兩重性質的技術基礎課，它要求學生不僅要掌握課程要求的基本理論，而且要求學生具有將實際問題抽象為力學模型的能力和處理工程中有關力學問題的能力。工程力學涉及大量的工程案例，在許多工程技術領域中有著廣泛的應用。工程力學教學中實施“力學建模”與工程實際案例相結合，培養學生應用力學的基本理論和方法分析、解決一些工程實際問題，具有重要的理論和實際意義。

二、工程力學教學中存在的典型問題

1.教材方面。國內近幾年有關工程力學課程及其教材的建設成果頗為豐碩，但是教材中基本沒有系統介紹建模的內容，而是直接給出力學模型，講解理論概念及模型的計算方法[1]。教材中問題的提出、概念的引入缺乏明確的工程背景介紹。工程力學是一門兼有基礎理論和應用技術兩重性質的技術基礎課，現有教材建設沒有依托具體的學科專業深化展開，需要適量增補一些富有專業實踐性或趣味性的教學素材。同時高校生源質量良莠不齊，以及出于教學學時數大幅縮減，工程力學教材降低了其所編內容的難度，刪除了偏難的理論分析和公式推導，忽視了不同基礎學生的多層次需求。工程力學教材的課后習題多數偏重于某個具體理論或公式的分析與運用，很少引入生產實踐中基于力學分析的綜合運用實例，沒有發揮出課后習題應有的功效。

2.教師方面。一方面傳統教學方法側重于對工程力學課本中概念的講解，雖然學生能掌握力學解題思路，但其弊端是形式呆板、內容枯燥，難以提高學生的學習興趣。這就需要教師弱化理論推演，加強應用環節的講解。另一個方面長期以來工程力學的教學改革側重于課程內容和教學方法的研究，忽視課程與工程實踐密切聯系的特性，因而不能很好地調動學生的學習積極性和培養學生的創新能力。同時許多工科教師畢業留校直接從事教學工作[2]，缺乏實際工作經驗，難以掌握。這就要求教師具有深厚的力學知識和寬廣的知識結構，加強實踐學習，將科研項目總結為工程力學問題，授課時對學生進行結合專業的創新性引導和啟發。

3.學生方面。工程力學是在大學里最初接觸到與工程實際密切相關的主要課程之一，它具有理論性強、系統性強、邏輯嚴密、比較抽象、與工程實際具有一定聯系等特點。但學生實踐經驗少，綜合分析工程實際問題的能力差，這給學生學習這門課程造成了很大困難。我校大規模擴招后，高校生源的質量良莠不齊。同時基礎課程的教學中，如高等數學和大學物理，有些教學環節的實施不到位，教學效果不是很理想，直接影響學生工程力學的學習效果。而科學技術的高速發展使得力學的研究對象更加復雜，力學的基礎性、交叉性、技術性的學科特點更加明顯，這也增加了學生學習力學的難度。

三、力學建模與工程案例相結合教學的幾點建議

建模是指根據具體問題選擇合理的計算模型，建立工程構件力學模型，并根據力學基本原理建立相應數學模型，它是將力學理論應用到實踐的必要過程。下面從課堂教學、實驗教學和考核三個方面論述力學建模與工程案例相結合教學模式。

1.結合典型力學案例讓學生掌握建模。力學建模是聯結力學與工程應用最為重要的紐帶，課堂上老師要向學生介紹力學建模的基本知識。所謂建模指的是用某種形式或模式去近視描述、模擬所考察對象本身及其變化過程的現象和規律。一個理想的模型既能反映考察問題的根本特征，同時可以量化求解的模型，應滿足：可靠性和適用性。建模時必須對與考察問題有關事物進行詳盡和深入的分析，建模研究包含以下三個方面：（1）模型的建立；（2）模型參數的估計；（3）模型的檢驗。工程力學理論性很強并緊密聯系工程實際，而學生實踐經驗少，直接影響學生綜合分析工程實際問題的能力。課堂上工程問題的提出，首先是介紹它的工程背景，除了必要的語言描述，還通過大量圖片和影音資料進行介紹，提高學生的感性認識。教師還要鼓勵學生用所學的知識去解決問題，幫助學生學習對問題的界定，了解實際工程問題與計算簡圖之間的差距。教會學生將具體的工程實際問題抽象為力學模型的方法，要求所建的模型能接受實踐的檢驗并做出相應的修正，使科學研究的模型計算成果接近于實際。教師應注意搜集和積累一些與工程力學相關的典型案例，有目的地選擇密切聯系工程實際和日常生活的例題，在講解例題時，突出對實際問題的簡化、建模的過程，注重培養學生運用所學的基本理論和方法去分析和解決工程實際問題的能力[3]。

2.借助實驗進一步提高學生建模能力。實驗和理論在工程力學中占有同等重要的地位，但是我校在力學教學中存在著重理論、輕實驗的現象。現有的一些實踐課程大都是為驗證課堂教學所傳授的知識而開設的，只注重教授學生求解具體的力學理論問題，而忽視通過實驗培養學生將工程實際問題提煉成力學模型，培養學生靈活運用理論知識解決實際問題的能力[4]。實驗教學中應該精簡驗證性實驗內容，增加綜合性與研究型實驗項目。為適應不同層次學生的教學需要，結合課程性質和課程內容，從科研項目中提煉出一些具有工程背景的綜合性與研究型實驗項目，讓學生綜合運用基礎理論知識，建立其力學模型，研究其理論解決方案，再用實驗結果來檢驗力學模型[5]。這樣不僅豐富了實驗教學內容，充分調動了學生學習的積極性和主動性，提高了教學質量。學生通過“實驗到理論再到實驗”的過程，提高自身研究問題和解決問題的能力。同時根據需要可以開展模擬實驗，它作為真實實驗在一定條件下的替代具有明顯的優勢，模擬實驗的表現形式有：（1）實物演示實驗；（2）數值模擬實驗；（3）人機交互模擬實驗。目前一些高校已經開始用MATLAB軟件為工程力學進行模擬計算和實驗，可以借鑒這些先進成果進行轉化應用。

3.增加力學建模考核內容。目前我校仍然采用課后習題作業和閉卷考試作為考核學生的基本手段，這種方式考查學生記憶能力的較多，不利于發揮學生運用知識和動手實踐的能力。因此，有必要對現行考試方法和考試內容加以改革。平時的考核可以采用課后習題作業、實驗操作和讀書報告的形式[6]，課后習題是適量的基本概念的考核和理論計算；實驗內容應貼近于工程實際，讓學生綜合運用理論知識，建立其力學模型，研究其理論解決方案；讀書報告要求學生就一個工程實踐中的力學問題，根據力學基本概念和定理對問題進行抽象簡化并建立其力學模型，然后利用所學的理論知識確定計算方法，最后進行分析計算并給出解答。期末考試內容不僅包括考核學生掌握力學基本概念的能力，還包括考核學生應用力學理論知識分析和解決問題的能力。例如，給定一個簡單的典型力學問題，讓學生簡化力學模型，給出受力分析，為各構件選取材料及截面形狀和尺寸，并對該結構存在的問題談自己的看法。這種考核方式注重培養學生解決力學問題的能力和對所學工程力學知識進行歸納、總結的能力。

參考文獻：

[1]楊冠聲.工程力學建模[J].天津職業院校聯合學報，2007，（11）：12-15.

[2]黎杰松.淺析大學工程師教育存在的問題及對策[J].華北水利水電學院學報（社科版），2012，（4）：155-157.

[3]周麗珍，張濤.勘查技術與工程專業的“工程力學”課程教學方法探索[J].中國地質教育，2010，（增）；

[4]張濤，周麗珍.加強高校實驗室建設培養學生創新思維[J].中國地質教育，2007，（增）.

[5]王彥生，侯中華.創建工程力學實驗教學示范中心培養創新型人才[J].實驗室研究與探索，2010，（8）：75-77.

[6]劉永壽，支希哲.工科理論力學考試改革的理論與實踐[J].力學與實踐，2004，（26）：68-69.

基金項目：中國地質大學（武漢）教學研究項目（2012B07）

作者簡介：周麗珍（1979-），女，在讀博士研究生，講師，主要從事工程力學方面的教學和科研工作。