以培養工程能力和創新思維為導向

趙德敏 鈕瑞艷 劉建林

摘要：本文介紹了一種理論力學的新型教學方法，主要包括：增加課堂演示實驗、深化計算軟件的應用和增加設計報告性大作業等。通過這些舉措，可提高學生運用所學知識解決工程實際問題的能力（工程能力），激發他們的創新思維。

關鍵詞：理論力學；演示實驗；計算軟件；工程能力；創新思維

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）36-0099-02 一、引言

理論力學，在石油工程、地質勘探、機械工程、汽車工程、航海、航空、航天、水利和土木建筑等領域應用廣泛，是上述專業本科二年級學生必修的專業基礎課。目前的理論力學教材包含了靜力學、運動學和動力學等內容，涉及龐大的知識量。近年來，各個學科蓬勃發展，專業分工越來越細，學科內容知識體系愈加寬廣，然而作為重要專業基礎課的理論力學，其教學篇幅和學時卻大幅縮減。

理論力學的一大特點是：數學公式較多，邏輯性較強，概念較抽象。因而，學生積極性不高，考試不及格率較高；學生也很難培養解決實際問題的能力[1-4]。其原因大致如下。

1.教師忽略了理論力學與現實中的工程問題相結合。理論力學教材中的力學模型都來源于工程實際中的典型設備的提煉，但對于大二且幾乎沒有工程實踐經驗的學生而言，很難將工程實際問題和這些抽象的力學模型聯系起來[2，5]。如果教師不闡釋這些模型的來龍去脈以及如何從工程實物建立力學模型的思路，就很難激發學生的學習興趣。

2.缺乏實驗尤其是學生能積極參與的小型的課堂演示性試驗。實驗是建立抽象概念和真實物理世界的橋梁。演示性實驗能將抽象的物理概念和力學定律可視化。缺乏實驗學生只面對公式和講解，理解知識不夠深刻。

3.缺乏利用計算軟件解決力學問題的訓練。軟件是解決復雜工程問題的主要工具，但教材中很少涉及如何用軟件解決力學問題的內容。學生如果一直依賴手工計算解決簡單的力學問題，在面對復雜的工程問題時往往會束手無策。

4.教師作業的布置不能充分調動學生的積極性和創造性。目前學生的作業以課本習題為主，這些習題往往是提前設計好的，學生過于被動性。而且這些課后習題的模型往往較簡單，離工程實際問題尚有一定距離[6]。

因此，探索理論力學的新型教學方式勢在必行。本文探討在保證教學大綱要求的前提下，在有限的學時內為學生提供更多的力學知識的應用背景。通過課堂演示實驗、增加軟件在力學中的應用和布置自主設計大作業等教學環節，將傳統式教學和主動探究式教學巧妙結合，既節省學時，又能培養學生的動手操作能力。

二、教學新舉措

（一）增強課堂演示性實驗

實驗教學是培養學生動手操作能力和科研能力的重要手段。實驗能訓練學生的觀察能力、動手操作能力和分析能力[1，7]；實驗能強化感性認識，使學生對力學知識的理解更深刻；更重要的是實驗為學生提供了良好的參與和思考的平臺。

目前的理論力學教學中沒有安排實驗，很難發揮實驗教學的以上優勢，應增強實驗室實驗教學，尤其是增加簡單且易于操作的課堂演示實驗。經驗證明，每節課50分鐘的課堂教學，最后10分鐘只有20%的學生在聽。而利用每次課的最后10～15分鐘做實驗，邀請部分學生參與，這樣既保證完成了教學工作量，又發揮了主動探究式教學的優點。例如：匯交力系的平衡、千斤頂的摩擦自鎖原理、測量重心、驗證動量矩定理等。

圖1為平面匯交力系的演示實驗裝置示意圖。通過該實驗，學生不但學習了匯交力系的平衡原理，還能驗證繩索約束的約束反力和靜力學公理的剛化原理。圖2為關于摩擦系數的測量實驗裝置。盡管在書本上測量摩擦的理論和公式很簡單，但是摩擦自鎖原理較為抽象，學生理解起來較為困難。如果在課堂上演示測量摩擦系數以及摩擦自鎖原理的實驗，使他們對摩擦系數和摩擦自鎖的理解更為透徹，在生活和生產中熟練地應用摩擦和摩擦自鎖的原理解決實際問題。

（二）充分發揮多媒體教學闡述力學模型的優勢

多媒體教學通過大量圖片、多媒體動畫、仿真程序和視頻資料，可以將許多力學的工程應用背景形象地呈現給學生，開闊視野[5]。運動學常見的例子之一為曲柄連桿機構。教材上的曲柄連桿機構力學模型雖簡單，卻是多種工程機械如發動機、空氣壓縮機、往復式水泵、蒸汽機和內燃機等的簡化力學模型。如果由多媒體圖片和動畫演示此力學模型的應用背景和工作原理，學生可輕易建立起真實的物理世界和抽象力學世界的聯系，輕松掌握上述機械的工作原理。

（三）增強力學應用軟件在理論力學教學中的作用

力學和工程科學計算結合，為解決復雜的工程問題提供了有力工具。如MATLAB和MAPLE都是功能強大的計算軟件，命令簡單易學，可相互兼容。傳統力學教學只注重理論和基本概念，主要采用手工計算，注重解題技巧，忽略科學計算能力的培養。應修正教材內容，在理論力學教材每一章的內容中增加應用計算軟件解決工程實際問題的典型實例，使教學中的抽象問題可視化。

如圖3（a）所示的曲柄搖桿機構是刨床“急回”機構（進刀慢、退刀快）的重要組成部分，此特性較為抽象。如果由MAPLE軟件對此機構的運動學模擬仿真，其動畫仿真結果的截圖如圖3（b-f）所示，通過動態仿真可以使學生觀察到曲柄搖桿機構的運動過程，更容易觀察到此類機構運動的“急回”特性，深化學生的認識。如果不進行運動仿真，即使優秀的學生也很難想象其“急回”特性。

（四）增加設計報告性的大作業

工程教育者的主要任務是培養學生的創新意識和創新能力，提高學生的綜合素質和解決實際問題的能力[3]。增加自主設計性大作業，教師要精心設計選擇較寬泛的題目，但是，要給學生充分自主發揮所學知識的空間，讓學生自主設計作品。可以讓2～3個學生自由組合成一組，這樣既激發了學生的創新思維，又培養了他們的團隊協作能力。例如，動力學設計報告題目可以如此設計：設計吸粉筆灰板擦、宿舍用手動升降機、小型機械手、小型脫水機等，但作品中必須包括平面運動部件或體現點牽連運動的部件等。

三、結語

總之，理論力學課程既具有理論性和邏輯性強的特點，也具有與工程實際問題和日常生活聯系緊密的“技術科學”的特色，因而在講課過程中需要加強對學生工程素質的培養。本文探討了靈活多變的新型教學模式，包括增加課堂演示實驗，增加計算軟件在解決力學問題的應用以及增加設計報告大作業等一系列教學改革措施。此方法豐富了此課程的工程應用背景，增強了學生的主動性，提高了學生解決工程實際問題的能力。這樣，工程力學課程的理論性、實踐性和應用性在有限時間內實現了有機結合，就能取得良好的教學效果。

參考文獻：

[1]Cheng P.，& Li X.. Reform and practice in engineering mechanics teaching for wood science and engineering major[J]. Advanced Technology in teaching，2012，（AISC 163）：369-374.

[2]趙德敏，胡玉林，候密山，薛世峰.學以致用 理論聯系實際——工程力學教學新模式初探[J].科技信息，2012：21-22，29.

[3]Karim R.. Teaching and learning of fundamentals of mechanics in an innovative way to maximise students' understanding[A].2nd WIETE annual conference on engineering and technology education[C].Thailand，Pattaya，2011：29-34.

[4]Goldfinch，T.，Carew，A.L. & McCarthy，T.J.. Improving learning in engineering mechanics：The significance of understanding [A].Proceeding of 2008 AaeE Conference[C].Australia，Yeppoon，2008：1-6.

[5]彭雅軒，王建國.在工程力學教學中的創新教育的探索與實踐[J].教育探索，2007，（190）：32-33.

[6]Grandin H. T.，Rencis J.J.. A New Approach to Mechanics of Materials[A]. Proceedings of the ASEE New England Section 2006 Annual Conference[C]. 2006：1-13.

[7]Zhang J.，Zhu M.，& Zhang L.Teaching research and practice on material mechanics with the core of the practice case[J]. Procedia Engineering，2011，（15）：4256-4260.