“以賽促教”模式在工程力學課程教學中的應用1)

常利武杜亞志

(中原工學院建筑工程學院，鄭州450007)

工程力學課程是高校眾多工科專業的一門專業基礎課，該課程關乎學生知識體系的構建和創新思維能力的培養，是學生進行后續專業課程學習不可或缺的重要基礎。力學競賽作為大學生科技競賽的項目之一，不僅是青年學子展示自我、挑戰自我的舞臺，也是對高校基礎力學教學成果和人才培養的一次重要檢驗[1]。為了提高競賽成績，眾多高校采用多種形式對學生進行賽前輔導[2-4]。雖然這種“為了競賽而競賽”的賽前輔導對提高個人競賽成績有所幫助，但顯然不利于學生綜合能力的培養。據統計，我校參加力學競賽的大二學生占80%以上，這部分學生剛接觸到材料力學，直接采用賽前輔導的方式往往跟不上老師的進度而產生畏難情緒，甚至有部分學生在校賽后選擇退出。將競賽輔導內容引入常規課堂，特別是將典型的競賽試題引入課堂教學，即課堂采用“以賽促教”的模式，不僅可以提高部分學生參加競賽的熱情，也有利于培養學生的創新思維能力和力學建模能力。

1 “以賽促教”教學模式改革的思路

“以賽促教”教學模式以力學競賽為抓手，通過在課堂教學中使用競賽試題為例題，實現將競賽輔導日常化，從根本上激發部分學生參加競賽的熱情，調動學生學習的積極性，提高課堂效果。將富有趣味性的競賽題目引入常規課堂，可以激發學生學習的興趣，改變課堂氣氛。具有生活實例背景的題目可以開闊學生的知識面，提高其學習的主動性。團體賽的成功案例可以激發學生的創新思維，通過創新性課題作業提高學生的團隊合作能力。課堂教學改革的具體思路包括以下幾個方面。

(1)精簡課堂教學內容。為應對人才競爭的嚴峻形勢，全國高校對力學基礎課的學時進行了不同程度的壓縮。隨著課時的壓縮，不少力學競賽知識點不在授課范圍，而將競賽輔導內容引入課堂又占用了一定的課堂時間，因此必須對課堂教學內容進行精簡。近年來，我校錄取的學生水平參差不齊，不少同學基礎知識薄弱，造成很多同學對課上難懂的理論推導、公式證明過程經常表現出心不在焉、漠不關心的態度，而對理論及公式的如何應用相對比較感興趣。因此可將難懂的理論推導、公式證明的詳細過程以微課的形式供學生課下自主學習，而在課堂教學中淡化理論推導、公式證明的過程，將重點放在講清公式、原理的實際應用上，用節約的課上時間講解貼近生活實際的力學競賽應用題，這樣可使學生感覺競賽不再遙不可及，大大提高優秀學生參加競賽的積極性。通過課下微課，基礎好的同學不僅理解了證明和推導過程，課上也對公式的應用和增加的競賽題有了更好的掌握，而基礎相對薄弱的學生在課上也不再“開小差”，且較好地掌握了公式的應用。

(2)提升課堂教學的趣味性。工程力學課程理論性強，涉及的概念、公式繁多，學生學起來相對比較枯燥，容易產生厭學情緒。力學競賽試題中有不少趣味性的題目，將趣味性的競賽真題作為教學例題可提升學生的學習興趣，激發學生學習的主動性。

(3)提高學生的建模能力。力學課程教學不僅僅要傳授學生基礎力學知識，更重要的是以力學知識為載體，通過培養學生的建模能力，來提高學生的創新思維能力和解決問題的能力[5]。將工程實例建模問題的競賽試題作為課堂教學案例，深入剖析其隱含的力學要素和建模方法，可幫助學生提高建模能力。

(4)培養學生定性分析能力。將定性分析的力學競賽試題融入到工程力學課堂教學中，培養學生的定性分析能力。教學中形成工程力學的定性分析方法，能使學生從更高層次理解并把握力學的核心概念，提高學生的力學素養。

2 力學競賽融入課堂教學的改革與實踐

2.1 調整教學例題，適應競賽需要

為適應人才培養的需要，全國高校紛紛對工程力學基礎教學的課時不斷壓縮，造成不少力學競賽知識點不在授課范圍，因此有必要在課堂教學中適時補充某些競賽內容。在教學中可以將教材上的某些簡單例題放在課下讓學生自學，課上用競賽題目作為例題。如求復合梁中性軸位置題目在第八屆和第十二屆全國周培源大學生力學競賽中均有涉及，而這部分內容在“少學時”工程力學教學大綱中沒有要求。實際上，只要補充轉化同樣彈性模量的折算面積知識點后，這類題就變成了組合截面圖形求形心的問題。因此，課堂上完全可以用這類競賽題目作為組合截面求形心的例題。此外，隨著課堂教學學時的縮減，教師勢必將重點放在基礎知識點的講解，而對相關知識點的工程應用卻很少涉及，在一定程度上弱化了對學生綜合素質的培養。用難度適中、具有一定工程背景的力學競賽真題作為例題，讓學生不再畏懼競賽，增強學生學習的自信心。如河南省2018年競賽試題中關于判斷“凡梁之大小，各隨其廣為三分，以二為其厚”的合理性問題，其實就是討論抗彎截面模量Wz和慣性矩Iz兩個函數的極值問題，在課堂教學中用此題代替教材例題，可使學生清晰了解該知識點的工程應用，激發學生學習的熱情。

2.2 重視力學建模能力

結合生活實例和工程實例，引導學生自己提煉力學模型，利用相關力學知識分析解決問題，可以使學生從“給定的力學模型”思維中解脫出來，掌握分析問題的真本領[5]。課堂例題選取貼近生活實際、簡單易懂的大學生力學競賽題目以激發學生的學習興趣，提高學生參加競賽的自信心。為此精選出如下2個課堂教學例題。

(1)跳水板力學模型的建立

以第七屆全國周培源大學生力學競賽中第4題跳水板(圖1(a))的分析為實例，先以中國跳水“夢之隊”的輝煌戰績引起學生的興趣，然后分析跳板的實際結構，引導學生思考端部和中間支撐分別屬于哪一類約束？啟發學生思考端部抽象為固定鉸支座和固定端哪個更合理？討論跳水運動員對跳水板施加的力屬于何種類型？最后引出跳水板端部可簡化為固定鉸支座，中間支撐簡化為活動鉸支座，跳水運動員對跳板的作用力屬于沖擊載荷，其力學模型如圖1(b)所示。

圖1 跳水板模型分析

(2)撐架型木橋力學模型的建立

以宋代著名畫家范寬所繪《秋林飛瀑圖》的八字形撐架橋(圖2(a)，河南省2018大學生力學競賽)為例，先由其“世界級”的山水畫大師的地位引發學生的興趣，引導學生思考支撐所限制橋體的位移，得出簡化的支座形式。結合橋自重可簡化為均布載荷q和行人可簡化為集中載荷F，故一榀構架的力學模型分析如圖2(b)所示。根據學生的生活知識，可以啟發學生如何提高橋的承載能力。通過第八屆周培源大學生力學競賽團體賽“紙橋過車”的優秀作品，引導學生思考如何解決紙的連接問題，是采用梁式橋好還是拱橋形式好。最后分組討論并制作相應的紙質橋梁模型，通過紙質橋梁承載力比賽激發學生學習的熱情，提高學生的團隊合作能力。

圖2 撐架型木橋力學模型分析

2.3 運用例題的趣味性

興趣是最好的老師，也是學生學習最好的動力。利用大學生力學競賽題目的趣味性，能提高學生學習工程力學的積極性和主動性，也能吸引更多的優秀學生參加力學競賽。例如在空間力系的平衡問題中，以 “驕傲自滿的大力士”(第六屆)為題，分析為何大力士拉不倒球門而力量小的夫人卻可以。在摩擦問題講解中加入趣味性題目 ––“技高一籌的魔術師”(第六屆)和“令人驚訝的魔術師”(第八屆)，啟發學生發散思維考慮為何魔術師能讓水晶球駐停在明顯傾斜的水晶板上以及魔術隱含的摩擦問題。以“奇怪的獨木橋”(第六屆樣題)作為彎曲強度的例題來增加課堂的趣味性，讓學生體會到力學問題原來可以表現得如此豐富多彩，激發學生探索題目隱含的力學原理。

2.4 發揮定性分析的作用

傳統的工程力學教學以學生能夠掌握好書本上的知識為目標，這種以解題為主的應試教育不利于創新型人才的培養。為提高人才培養質量，在教學過程中應引導學生從解題為主轉向分析問題的本質為主，從注重答案轉向注重力學概念運用的創新思維，培養學生的力學素質和定性分析能力。在周培源大學生力學競賽試題中，“顧此失彼的挑戰者”(第六屆，圖 3(a))、“趣味單杠”(第七屆，圖 3(b))和 “斜撐優化問題”(第十屆)均有對定性分析能力的考查。將 “顧此失彼的挑戰者”有關定性分析的部分作為例題，拓展學生思維空間，啟發學生結合生活常識和力學知識思考梁變形的大致情況?！叭の秵胃堋睂嵸|是考查對稱結構在對稱力和反對稱力作用下內力分布的特點，以此作為教學例題可以加深學生對該知識點的理解。“斜撐優化問題”可以使學生由書本上改善彎曲強度的措施轉向對問題優化的思考，在關注結果的同時引導學生挖掘題目涉及的組合變形和壓桿穩定知識點。在課堂教學中還應適時穿插身邊實例多引導學生定性思考問題，提高學生的力學素養。以2012年哈爾濱陽明灘大橋坍塌事故為例(圖3(c))，根據橋面主梁和橋墩基本完好的現場及三輛超重卡車的停放位置，引導學生對事故原因的定性分析，使學生理解事故并非屬于彎曲強度破壞而是在超載作用下的傾覆破壞。

圖3 定性分析例題

3 結語

將力學競賽輔導內容引入課堂，充分發揮課堂教學的育人作用。采用“以賽促教”教學模式深化課堂教學改革，通過調整教學例題、增加例題的趣味性、注重力學建模和定性分析能力，提升學生學習的興趣，強化創新思維能力的培養和基本力學素養的形成，最終提高學生善于思考和解決力學問題的能力。