工程力學教學方法與教學改革探討

孫占坤

內蒙古工業大學理學院力學系 內蒙古呼和浩特 010000

一、概述

工程力學作為工科專業的一門涉及眾多力學學科分支和廣泛工程技術領域的技術基礎課，主要面向諸如能動、材料、機電、橋梁、交通等諸多工科專業的本科生進行開設，其受眾較廣且在各專業基礎課中具有極為重要的位置。作為一門理論性較強的課程，工程力學通過理論力學的內容介紹靜力學的基本概念、一般力系的簡化與平衡條件、摩擦、空間力系、點的運動、剛體的運動及動力學定理等；通過材料力學的內容介紹拉伸、剪切、扭轉、彎曲等基本變形方式下應力應變的計算及材料的強度、剛度、穩定性校核等。鑒于工程力學課程的重要性，工程力學的教學方法及改革已被很多力學教學工作者所關注，例如郎風超等論述了如何在工程力學教學中優化課程內容，注重實踐教學，邵俊華等討論了在新工科背景下工程力學實驗教學改革問題，斯日古楞等探討了在工程力學課程中引入實踐視頻幫助開展教學的具體措施。

諸多具體的教學方法與改革措施為承擔課程教學的力學教師提供了很好的借鑒，但是在新的時代背景下，有必要對工程力學的教學措施與改革方法進行進一步探索，從而更好地開展工程力學教學工作，為社會主義現代化建設和中華民族的偉大復興培養更多具備知識且能夠踐行社會主義核心價值觀的新時代工程人才。

二、工程力學教學現狀

內蒙古工業大學工程力學課程是2005年建成的內蒙古自治區精品課程，在多年的課程教學工作中，力學系教師們積累了豐富的教學經驗，也總結了一定的教學方法和教訓。內蒙古工業大學近10年來工程力學平均分數變化如圖1所示，可見工程力學平均成績呈現明顯下降趨勢。根據筆者在教學工作中的感受，工程力學的教學中也存在著諸多問題，諸如教學模式單一、理論講述過于抽象化、學生對力學分析方法框架掌握不清晰、公式理解不到位、沒有建立起力學和數學思維等。這些問題制約著工程力學教學質量的提升，嚴重影響著新工科背景下工程人才的培養質量，有必要針對具體問題展開細致分析討論，逐步提高工程力學的教學水平。

圖1 內蒙古工業大學不同學年工程力學平均成績統計[1]

三、工程力學教學促進措施

(一)提高課程生動可參與性

保證課堂教學質量是工程力學教學改革的核心和基礎。教師要對自己嚴格要求，努力吃透工程力學課程中靜力學及材料力學部分所涉及全部知識，同時通過觀摩線上線下優秀教師課程，領會課程內容講授方法和學生的學習理解規律。對于青年教師，特別要利用自身優勢使工程力學課程更為生動，調動學生的學習積極性?？梢詫ふ疑婕傲W知識的有趣視頻，既可以豐富課程內容，又可以拉近與學生的距離，激發其學習興趣；還可利用各種計算機輔助設計(computer aided design，CAD)和計算機輔助工程(computer aided engineering，CAE)軟件對工程力學所涉及的一些抽象概念，如圣維南原理、應力集中等進行形象解釋。同時，也不妨充分地借鑒一些國外的優秀教學視頻及軟件，例如數學領域的“3Blue1Brown”，其在數學原理的可視化方面做了很多工作，可以借鑒來為學生講解工程力學所涉及的數學原理；材料力學領域的“The Efficient Engineer”，其發布的視頻也用非常形象的動畫直觀地展示了材料力學中應力、應變、軸的扭轉及梁的彎曲等知識；在工程力學涉及數學原理方面，還可以使用GeoGebra快速地可視化數學圖形，讓學生更好地深刻理解工程力學中的定理及公式。每一位教師要不斷地吸取新的知識技能為我所用，提高知識傳授效率，善于對抽象的力學問題進行可視化和形象化講解，站在學生角度，深入淺出地讓抽象的力學原理落地，避免理論灌輸。

(二)提升線上教學能力

線上線下教學會不定時轉換，有時會讓習慣于傳統面授教學方式的高校教師有些猝不及防。如何克服線上教學教師與學生之間的疏離感、學生注意力難以集中、互動交流受限等問題亟待更好解決。特別是對于普通本科高校諸如工程力學這類理論性強又同時需要聯系實際的課程，要求教師在講解的過程中進行變形幾何分析、受力分析、公式推演、教具演示、解題過程推導及針對學生問題個性化的輔導。如何將工程力學教學的各個環節通過適當的方式在線上開展是每位力學教學工作者必須思考的問題。線上教學的順利開展對教、學雙方的數字化設備都提出了一定的要求，從這一角度來講，無疑提高了學生的學習成本和教師的教學成本。從學生角度來講，必須有較高的網絡通信速度以保障與教師的實時互動，同時對學生手機、電腦等硬件設備也提出了一定的基本要求；從教師角度來講，不僅必須保證網絡通信速度，在各種硬件及軟件的使用方面也對教師提出了新的更高要求。董紅永關于線上教學干擾因素的研究如圖2所示，可見網絡和軟件的限制是目前影響網絡教學工作順利開展的主要因素。2022年3月以來，內蒙古工業大學進行了較長時間的線上教學，在學校各級的積極準備和妥善安排下，教學促進與教師發展中心組織開展了多次線上教學培訓并定期通過公眾號在全校分享線上教學經驗，充分利用線上教學的優點，努力克服其不足，每一位教師都最大限度做好了線上教學工作。面對新形勢、新挑戰下的教學模式，學校要從全局角度安排線上教學，盡最大努力為教師的教學工作與學生的學習建立軟硬件基礎，每一位老師要盡快熟悉掌握必備的線上教學技能，充分調動學生學習積極性，保證教學質量。

圖2 影響網絡教學質量的主要因素[4]

(三)注重理論講述與實驗相結合

工程力學具有很強的工程實用性，是解決工程實際問題的基礎，理論講解工作要結合實驗才能更好地使學生的掌握基礎知識，解決實際問題。工程力學實驗通常包括單軸拉伸與壓縮、扭轉與剪切矩形截面梁的純彎曲等。教師在講解基礎理論的同時，要涉及實驗與理論之間的聯系，介紹實驗的應用背景以及實驗手段更新與理論發展的互相推動作用?？梢韵驅W生介紹新的實驗技術，激發學生的學習興趣。例如，在實驗試樣變形的測量技術方面，可以向學生介紹較新的數字圖像相關技術(Digital Image Correlation，DIC)。DIC技術又稱數字散板相關技術，其通過在實驗試樣表面噴涂散斑點，使用相機記錄散斑位置變化，對比變形前后圖像的散斑點坐標計算位移量，通過相應的算法計算試樣變形場，如圖3所示。教師可以講解該種方法與傳統應變片測量應變方法的異同，幫助學生掌握較新的實驗技術和測試手段，進一步理解應變的物理意義和實際應用。

(a)圖像采集設備

(b)噴涂了散斑點的十字拉伸試樣圖3 數字圖像相關變形測量技術

(四)嚴肅成績考評制度和考試紀律

工程力學考試中存在一些考評制度和考試紀律不嚴肅問題，不但影響教師對教學效果的客觀評價，也在很大程度上打擊學生認真學習、自主思考的積極性。內蒙古工業大學工程力學課程分為72學時和56學時兩種，本科生的工程力學主要為72學時，其中包括6學時的實驗教學。分數評定上，考試成績占到總分數的70%，課程考試仍是檢測學生對課程內容掌握情況的主要手段。在教學與監考過程中發現，一些同學平時作業不能自主完成，這就要求任課教師與學校職能部門共同把好學習質量測評關口，規范考場秩序、整頓考風考紀、倡導誠信考試、嚴肅處理作弊人員。教師在編制考卷時也要考慮到試題來源，不斷更新試題庫，使得學生的真實學習水平能夠更好地體現在試卷成績上。學校方面要實行多級巡考制度，檢查監考情況和考場紀律，同時對監考教師、任課教師和有關工作人員要加強師德教育，不得以任何形式泄漏考試相關內容。

(五)工程力學課程中的價值引領

高校工程力學課程不僅要傳授知識，還要培養學生的科學精神，使得課程既有深度、廣度，也有態度和溫度，既有知識性也有價值引領性。工程力學課程要注重培養學生力學科學思維和科學倫理，加強學生工程倫理教育，樹立精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國、工程強國的情懷和擔當。教師要善于總結工程力學中的能夠體現科學精神、工匠精神的素材。例如：講述靜力學時，將靜力學的發展與文藝復興時期如伽利略(Galileo Galilei)、虎克(Robert Hook)、牛頓(Issac Newton)及達芬奇(Leonardo da Vinci)等科學家的貢獻簡要講述。由于工程力學中的靜力學難度并不大，所以可以適當加入一些有趣的科學史內容，以科學人物為線索，一定程度上激發學生的學習欲望，提升課程的有趣度，同時可以向學生講述15—17世紀科學家們的科學精神及科學信仰；還可以引導學生在工程力學的學習中體會如何辯證客觀地認識、思考和描述物體之間的作用與物體的變形，建立利用數學表達定量描述客觀規律的思維方式；向學生講述我國老一輩力學家如錢學森、錢偉長、郭永懷、周培源等的人生態度、科學精神及家國情懷。過程中要避免大而空的介紹，盡量挖掘選取一兩件貼近學生生活、適合學生理解力，同時學生易于接受的、不老套的小事例來凸顯大力學家的人生觀、做事風格、治學精神和家國擔當，力求用小的事例對學生產生大的震撼，在學生腦海中打下深刻烙印。在內蒙古工業大學建校70周年時，學校匯總了許多老一輩優秀教師學者的事例，從70多年的校史及力學系的發展歷程中可以挖掘豐富的且發生在學生身邊不同時空的學長學姐們的優秀事跡，是很好的教學素材。在講解壓桿穩定時，也可以舉一些事例激勵學生，培養其工程師認真負責的精神。

如果說將先進事例融入課程講授是在學生心中播撒“正能量”種子的“潤物無聲”，那么對不良價值觀的解構與核心價值觀的引領就是直指學生內心與人格的一束強光，幫助其驅除陰霾，樹立正確的價值導向和人生態度。在當今的移動互聯網時代，每個人都可以作為自媒體向外界輸出自己的價值觀，然而這其中不乏非理性、不積極的思潮。面對各種魚龍混雜的信息與價值導向，高校教師要堅守正確價值取向，充分利用現代信息傳播手段，培養學生淳樸、豁達、進取的能力，使得社會主義核心價值觀在其內心扎根，幫助其建立理性的思考方式，高尚的價值判斷、積極的個性表達和嚴謹的語言邏輯。

結語

工程力學是工科專業重要的基礎課程，為了提高教學質量，需要教師在教學過程中不斷地總結經驗，從每個教學環節的細微處入手，既要生動形象地傳授力學知識，也要幫助學生將理論知識運用到工程實際，還要使課程有態度、有溫度，培養學生的科學精神、工匠精神、家國情懷和擔當意識，同時要使學生樹立正確、科學積極的人生觀和價值觀，培養踐行社會主義核心價值觀的全方位工程人才。