提高工程力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的研究與實(shí)踐

王 濤

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口570228）

0 引言

為了提升工程力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的工程實(shí)踐能力，建立能滿足新工科對于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)需要、科學(xué)合理的安排專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)思路及方法，以及實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課的興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新能力。以工程力學(xué)（理論力學(xué)和材料力學(xué)）為研究背景，提高工程力學(xué)整個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師的教學(xué)能力和質(zhì)量為目的，結(jié)合本院實(shí)際采用的教學(xué)措施并總結(jié)在工程力學(xué)基礎(chǔ)課教學(xué)方面的成功經(jīng)驗(yàn)，提出可顯著提高機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)質(zhì)量的方法、思路及措施，并付諸于實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，給同行予以交流參考。

1 課堂教學(xué)采用問題討論式

課堂教學(xué)采用以問題為導(dǎo)向，從工程力學(xué)的知識點(diǎn)開始，遵循提出問題，分析問題，解決問題，應(yīng)用擴(kuò)展及創(chuàng)新應(yīng)用等模式進(jìn)行教學(xué)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)。提高機(jī)械類專業(yè)學(xué)生對力學(xué)的興趣。并圍繞此模式對工程力學(xué)各個(gè)章節(jié)的工程教學(xué)案例進(jìn)行了制作。基本形成了促進(jìn)創(chuàng)新和提高學(xué)生科研創(chuàng)新思維能力的課堂教學(xué)模式，以剛體的簡單運(yùn)動定軸轉(zhuǎn)動教學(xué)案例進(jìn)行說明。

1.1 創(chuàng)設(shè)情境、導(dǎo)入新課——提出問題

提出為什么要進(jìn)行剛體的基本運(yùn)動計(jì)算工作：前面章節(jié)介紹點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)是針對一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，可以解決工程中常見的點(diǎn)的運(yùn)行方位、軌跡、速度加速度等計(jì)算問題，這也是運(yùn)動學(xué)計(jì)算工作的意義及價(jià)值，研究剛體運(yùn)動本質(zhì)是研究質(zhì)點(diǎn)系的運(yùn)動學(xué)問題。在本節(jié)研究剛體的定軸轉(zhuǎn)動運(yùn)動之前，利用工程中的實(shí)際科研案例——如何對甘蔗進(jìn)行收獲的方法進(jìn)行話題激趣[1]，使學(xué)生整堂課都能保持積極的心態(tài)去分析工程案例并解決實(shí)際問題，探索新知。

1.2 針對內(nèi)容、理論推導(dǎo)——分析問題

分析問題：通過學(xué)習(xí)剛體定軸轉(zhuǎn)動的基本概念，引入研究定軸轉(zhuǎn)動剛體的基本方法和思路，運(yùn)用剛體定軸轉(zhuǎn)動的基本分析方法總結(jié)剛體各個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律，同時(shí)對剛體的定軸轉(zhuǎn)動運(yùn)動計(jì)算結(jié)果分析對比，并闡述定軸轉(zhuǎn)動的基本內(nèi)涵和運(yùn)動規(guī)律。

1.3 結(jié)合實(shí)際、理論推廣——解決問題

解決問題：針對實(shí)際的工程問題，甘蔗收獲機(jī)械切割器的設(shè)計(jì)，運(yùn)用定軸轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的基本原理來實(shí)現(xiàn)甘蔗的切割，并分析圓盤式切割刀片都是做剛體的定軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)所需要的功能，運(yùn)用剛體的定軸轉(zhuǎn)動基本運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行分析，研究隨著刀片的基本參數(shù)——速度，半徑等變化會對甘蔗切割效果的影響規(guī)律[2]。并討論其他物理參數(shù)的變化會引起結(jié)果的不同。啟發(fā)式提出剛體定軸轉(zhuǎn)動的基本運(yùn)動的研究方法和并列出解決甘蔗進(jìn)行切割問題的基本思路和擴(kuò)展方法。

1.4 通過案例、引導(dǎo)思考——應(yīng)用推廣

應(yīng)用推廣：針對剛才同樣實(shí)際的工程問題，不同數(shù)值的影響及不同半徑參數(shù)的變化會對運(yùn)動軌跡、速度、加速度的影響進(jìn)行分析，同時(shí)進(jìn)行更進(jìn)一步的討論，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用對象變換的類比思維，啟發(fā)學(xué)生對于類似的割草機(jī)械的設(shè)計(jì)方案仍然可以采用刀片定軸轉(zhuǎn)動切割的方案[3]，深入討論該方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出改進(jìn)的方案的具體思路。比如從原有的割草機(jī)剛性刀片實(shí)際運(yùn)用的缺點(diǎn)分析過度到柔性切割器的創(chuàng)新發(fā)明。以及古人所發(fā)明的龍骨車運(yùn)用定軸轉(zhuǎn)動剛體進(jìn)行取水的發(fā)明成果[4]。同時(shí)再采用逆向思維：引導(dǎo)學(xué)生對該定軸轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)作為從動件被驅(qū)動的案例，介紹古人發(fā)明水排的優(yōu)秀成果[5]。再采用深入換位思考，對定軸轉(zhuǎn)動剛體進(jìn)行傾斜角度的改變研究起升問題。最后再對所提出的思路和方法，應(yīng)用到實(shí)際所做的課題橡膠果脫殼機(jī)械運(yùn)動定軸轉(zhuǎn)動剛體進(jìn)行脫殼的實(shí)際案例[6]。例如用定軸轉(zhuǎn)動剛體可以設(shè)計(jì)不同的脫殼機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，能夠生動的提高學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的能力和興趣。

1.5 通過案例、引導(dǎo)思考——創(chuàng)新應(yīng)用

在工程應(yīng)用中需要設(shè)計(jì)運(yùn)動學(xué)裝置，結(jié)合科研實(shí)際課題討論，比如變速機(jī)械的設(shè)計(jì)，提出變速器采用的創(chuàng)新方法的發(fā)明創(chuàng)造思想以及發(fā)明創(chuàng)造的過程提高學(xué)生的興趣，比如引導(dǎo)采用不同的結(jié)構(gòu)布置實(shí)現(xiàn)不同的變速比等參數(shù)，提高學(xué)生的興趣和創(chuàng)新能力。再由此擴(kuò)展出發(fā)動機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，仍然運(yùn)用剛體定軸轉(zhuǎn)的的基本原理實(shí)現(xiàn)飛球的擺動控制發(fā)動機(jī)噴油量并實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的基本原理和思路[7]。以及擴(kuò)展到其他領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計(jì)遐想，給學(xué)生一個(gè)廣闊的思維空間進(jìn)行運(yùn)動學(xué)創(chuàng)新裝置方案設(shè)計(jì)等。針對挖坑機(jī)械和橡膠果脫殼機(jī)械讓學(xué)生運(yùn)用今天所學(xué)習(xí)的基本知識進(jìn)行創(chuàng)新方案的深入探索[8-9]。最后總結(jié)基本內(nèi)容及基本知識，給學(xué)生提供廣闊的思路有利于進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)明。

針對工程力學(xué)課程各個(gè)章節(jié)主要內(nèi)容，將此教學(xué)理念貫穿始終，注重教學(xué)與科研相結(jié)合，講透弄清基本概念的本質(zhì)。在教學(xué)過程中，采用從問題出發(fā)、學(xué)生自主探索的教學(xué)模式，研究和開發(fā)針對此理念教學(xué)的案例啟發(fā)并提高了學(xué)生應(yīng)用和學(xué)習(xí)工程力學(xué)的水平和質(zhì)量，增強(qiáng)了力學(xué)學(xué)習(xí)的直觀性。

2 采用案例討論進(jìn)行啟發(fā)式思考

針對學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)教學(xué)知識的應(yīng)用直觀性，努力將教學(xué)實(shí)物模型應(yīng)用到課堂教學(xué)中，加強(qiáng)機(jī)械類學(xué)生將基本理論和實(shí)踐相互聯(lián)系的科學(xué)素養(yǎng)。應(yīng)用試驗(yàn)演示裝置來解決實(shí)際應(yīng)用和力學(xué)知識中提出的問題。在教授靜力學(xué)內(nèi)容時(shí)適當(dāng)引入壓榨機(jī)、搖樹機(jī)構(gòu)模型加深學(xué)生對工程力學(xué)理論推導(dǎo)結(jié)果的理解。這方法既提高了學(xué)生應(yīng)用力學(xué)知識的能力，更培養(yǎng)了創(chuàng)新的科學(xué)精神。同時(shí)進(jìn)行多樣化教學(xué)方法并用，在教學(xué)中以注重強(qiáng)化基礎(chǔ)知識的理論性和應(yīng)用性為前提，以啟發(fā)式、漸進(jìn)式、討論式教學(xué)為手段，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過課后的工程實(shí)際科研問題激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)的積極性和主動性，增強(qiáng)學(xué)生對力學(xué)與科研課題相互結(jié)合的意識。學(xué)生針對實(shí)際木薯?xiàng)U彎曲特性參數(shù)測量，制作木薯秸稈彎曲楊氏模量測試儀[10]。課上和課下學(xué)生對于實(shí)物模型的測量原理得到深刻認(rèn)識后對彎曲理論知識增強(qiáng)了理解并提高了興趣。學(xué)生的力學(xué)科研課題結(jié)果在試點(diǎn)班中采用評比與演講等方式進(jìn)行考核，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對解決專業(yè)問題的意識，增強(qiáng)了自信心。經(jīng)過近年來的教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生們對于工程力學(xué)學(xué)習(xí)興趣濃厚，每年有許多學(xué)生主動加入到工程力學(xué)教師實(shí)際科研課題的研究中，積極開展工程力學(xué)相關(guān)的課題的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究工作，學(xué)生們發(fā)表工程力學(xué)科研小論文近二十篇。

對于材料力學(xué)課程有計(jì)劃地精選一些章節(jié)內(nèi)容，讓學(xué)生提前搜集準(zhǔn)備資料及講課PPT，提前預(yù)習(xí)并進(jìn)行課堂講解的模式，進(jìn)行討論式教學(xué)，師生共同評比及演講等，這些我們都進(jìn)行了有益的探索。在這過程中發(fā)現(xiàn)有少部分學(xué)生對此教學(xué)模式非常贊同，還有一些同學(xué)并沒有充分準(zhǔn)備，講課效果差。究其原因是未進(jìn)行充分準(zhǔn)備，因此，教師針對理論力學(xué)課程靜力學(xué)部分其中三個(gè)章節(jié)，預(yù)留五分鐘時(shí)間讓學(xué)生每節(jié)課自己講解題目的方式進(jìn)行討論式教學(xué)，師生共同評比等。在探索中發(fā)現(xiàn)有極個(gè)別非常樂意準(zhǔn)備，有一些同學(xué)開始似乎并不愿意進(jìn)行準(zhǔn)備，主要是講解習(xí)題的準(zhǔn)備性工作未做，隨著幾次督促和改進(jìn)，效率和效果明顯提高。通過一些內(nèi)容隨機(jī)讓學(xué)生進(jìn)行臺上臺下講解的方式也可讓教師了解學(xué)生對于知識理解的程度。

3 采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)輔助教學(xué)

隨著近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方式在教學(xué)中的大力采用，學(xué)生們通過網(wǎng)絡(luò)獲取教學(xué)資源已成為重要的手段。我院工程力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過努力積極制作完成配套的教學(xué)課件、動畫制作、題庫建設(shè)，建立網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和交流園地。通過不斷改進(jìn)教學(xué)大綱、教學(xué)方式和教學(xué)方法以及考核方式等，不斷探索有利于高素質(zhì)人才培養(yǎng)的教學(xué)方式和方法。針對工程力學(xué)教學(xué)各個(gè)章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行全程教學(xué)視頻的錄制，積極創(chuàng)造條件建設(shè)“工程力學(xué)”（理論力學(xué)、材料力學(xué)）精品課程網(wǎng)站，將精品課程的教學(xué)文件，如教學(xué)大綱、教學(xué)教案、實(shí)習(xí)指導(dǎo)、電子版教案、電子教材、編制的網(wǎng)絡(luò)課堂課件、習(xí)題庫等內(nèi)容逐步上網(wǎng)，并實(shí)施網(wǎng)上在線和線下交流、指導(dǎo)，也便于教師間交流研討。各位工程力學(xué)教師積極開展課程教學(xué)改革與建設(shè)。完善課程的特色課件及案例建設(shè)，實(shí)現(xiàn)線上線下教學(xué)，提高學(xué)生工程力學(xué)學(xué)習(xí)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

隨著國家智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和對于機(jī)械工程類新工科對未來合格人才的迫切需求，提高工程力學(xué)整體教學(xué)質(zhì)量也是培養(yǎng)適應(yīng)新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展并具有創(chuàng)新性人才的關(guān)鍵。以上是我院針對提高機(jī)械類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)課程的一些有意嘗試，今后還要更進(jìn)一步結(jié)合本科人才培養(yǎng)高質(zhì)量需要，深入探索提高工程力學(xué)課程整體教學(xué)效果的方法和措施并大力提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。