基于先進力學分析方法的“理論力學”課程教學實踐改革初探

郭劍鋒 胡延安 王沿朝 何盼莉 王韶迪

摘?要：針對少課時“理論力學”課程背景下學員力學實踐及運用能力不足的突出問題，課題組創新性地將先進力學仿真分析方法引入“理論力學”課程教學實踐之中，并從教員“教”、學員“學”以及學習全過程考核等三個方面開展了初步探索，取得了良好的教學效果，相關方法可為推動我校“理論力學”課程教學改革提供有力的支撐。

關鍵詞：理論力學；仿真方法；教學實踐；教學評價；教學效果

Abstract：In?response?to?the?prominent?problem?of?lack?of?mechanical?practice?and?application?ability?among?students?in?the?background?of?less?class?hours?of?theoretical?mechanics，the?research?group?innovatively?introduced?advanced?mechanical?simulation?methods?into?the?teaching?practice?in?theoretical?mechanics?courses.Then，preliminary?explorations?are?conducted?from?three?aspects：teacher?teaching，student?learning，and?whole?process?assessment.Good?teaching?results?have?been?achieved，and?relevant?methods?will?provide?strong?support?for?promoting?the?teaching?reform?of?theoretical?mechanics?courses.

Keywords：theoretical?mechanics；mechanical?simulation?methods；teaching?and?leaning?practice；teaching?evaluation；teaching?effects

1?概述

“理論力學”課程是我校工科專業高等教育（本科）武器發射工程、土木工程、機械工程等專業必修的一門核心專業基礎課程。該課程以經典力學理論為基礎，綜合利用“高等數學”“大學物理”等基礎知識研究物體機械運動的一般規律，同時也是一門對工程對象進行靜力學、運動學與動力學分析的技術基礎課程。“理論力學”在航空航天、土木水利、機械能源等諸多工程技術領域都有著非常廣泛的應用。此外，該課程還是“材料力學”“結構力學”“機械設計基礎”“彈性力學”“飛行力學”及“空氣動力學”等后續課程的先導課程，對培養學員利用力學知識解決工程實際問題的能力對進一步塑造學員的力學素養具有至關重要作用［1］。

需要指出的是，“理論力學”課程教學實踐環節薄弱是其突出問題［24］。在少課時背景下，“理論力學”課程教學實踐僅僅是作為理論教學的附屬和補充，很難再為其安排足夠的學時，師生普遍重理論而輕實踐。而在少量的實踐教學環節中，學員一般只是嚴格按照教師或書本給出的步驟“依葫蘆畫瓢”，需要自主思考的實踐能力無法得到有效鍛煉和提高，更無法靈活應用力學知識探索開展深層次的力學創新活動，導致學員普遍存在“力學實踐能力差”的問題，學員力學素養亟待提高［57］。針對這一問題，課題組創新性地將先進仿真分析方法引入“理論力學”教學實踐改革之中，以期提升“理論力學”課堂的教學效果，培養學員的力學實踐能力，并為進一步優化我校專業基礎課程教學改革工作，提升我校基礎力學課程教學質量，并為最終實現大學育人的使命任務提供重要的理論基礎和技術支撐。

2?先進力學分析方法在“教”中的實踐運用

在“基礎力學”課程學時被普遍壓縮的情況背景下，為了完成“基礎力學”理論知識的傳授，傳統的理論力學課堂往往按照“內容回顧”“概念介紹”“定理推導”“例題講解剖析”和“課堂小結”等定式環節來開展教學設計和實施，以“教師講學生聽”為主，課堂結構緊湊，學員疲于應付。除此之外，傳統教學課堂中教員與學員的課堂互動也明顯不足，學員的課堂參與度和思考積極性都不高，力學素養更無法得到有效的培養和訓練。

基于此，課題組在近年來力學科學研究的基礎上，探索性地將先進的數值仿真技術引入理論力學教學實踐之中，如基于Abaqus、Adams及SolidWorks等仿真軟件強大的數值建模及仿真功能，對教材中的經典力學問題開展二維及三維建模、數值仿真及靜/動力學分析，獲取了經典力學問題的全過程動態解，為學員拓展示范了先進的分析方法及技術，并為力學課堂提供了生動的動畫演示和課堂案例。

在前述課堂教學實踐的基礎上，課題組還進一步依托火箭軍特色背景及機械、土木等行業背景，以先進力學分析方法為基礎建立了一批生動的虛擬教學實踐工程案例庫（見圖1），如典型的四連桿機構、曲柄連桿滑塊機構、牛頭刨床機構及火箭飛行運動模型等，極大地豐富了教學內容，并使得課堂教學緊貼實戰化教學目標。以這些案例中的典型力學問題為驅動，打通了課前預習—課堂研討—課后創新實踐等重要教學環節，顯著豐富了課堂教學手段，取得了良好的教學示范效果。

為了讓學員能夠掌握先進數值分析方法的流程與步驟，課題組預先錄制了教學視頻并上傳至網上課堂，以ABAQUS為例，整個建模分析過程中的典型步驟包括創建模型部件、設置材料與截面屬性、定義裝配件、設置分析步驟和輸出、施加載荷和約束、劃分網格并提交分析及結果后處理等步驟。學員通過課下時間自由觀看教學視頻即可學習掌握大部分建模分析流程，而剩下的部分問題則可通過與同學交流或向教師請教得到有效解決。

3?先進力學分析方法在“學”中的實踐運用

在傳統填鴨式課堂中，主要以教員講、學員聽的形式展開，在這樣的課堂模式下，學員處于被動學習狀態，學習動力明顯不足。此外，受限于課堂時間，學員所能接收的知識點不夠充分，更無法對所學知識融會貫通和有效運用。通過對以往學過“理論力學”的高年級學員的調研和座談發現，許多學員在學完“理論力學”課程后都有“學會了但不會用”的感覺，面對具體工程問題時仍然不知從何下手。出現這一問題的主要原因其一是書本中的案例與例題都是高度抽象化的，無法讓學員將其與工程實際聯系起來，更不易建立工程思維；二是傳統的“理論力學”課程實踐大都只是對某一更為復雜綜合的力學題目進行分析求解，這些問題雖然比教材中的案例更加復雜綜合，但其仍然很抽象，學員也只是按照教員的理論方法“依葫蘆畫瓢”，無法真正將力學知識應用于工程實際之中。

因此，課題組在開展“傳統力學”課程教學實踐的基礎上，進一步在課堂中引入了計算機編程及數值仿真等先進力學計算分析手段，對學員進行簡單培訓，讓學員了解先進數值建模仿真方法中的模型建立—裝配加載—提交分析—結果處理的全流程。然后，在教員的引導下，學員對前述工程案例庫中的案例及教材中的經典例題進行建模分析，自主探索經典力學問題的全過程動態解，并通過與書本結果的對比驗證激發學員的求知欲和探索欲。

在此基礎上，基于教員指定和學員自擬題目相結合的方式為學員在“理論力學”的《靜力學》《運動學》及《動力學》三個篇章中分別設置三次自主探索大作業實踐，引導學員對教材或工程實際中感興趣的力學問題進行自主探索和建模分析，這一過程可由學員獨立完成或以小組形式鍛煉學員的軟件使用能力并培養他們的團隊協作精神，進一步提高學員解決實際問題能力。

除了課內實踐活動之外，課題組還以學科競賽為牽引，引導學員積極參加全國周培源力學競賽、全國大學生基礎力學實驗競賽、大學生科技創新比賽、全國大學生機械創新設計大賽等各類力學與機械類學科競賽，將課程內容與學科競賽有機結合，競賽的獲獎成果進一步激發了學員的學習熱情（見圖2）。這樣從課內到課外層層遞進，不僅加深了學員對力學概念的理解和力學知識的融會貫通，激發了他們的學習熱情與內驅力，使學習變被動為主動，更能夠有效拓展實踐范疇，解決學員力學實踐能力差的問題。

4?先進力學分析方法在教學考核中的實踐運用

傳統“理論力學”課程在進行教學考核時，大都只采用單一的期末閉卷考試形式進行，這一考核方式的弊端在于：部分學員平時不努力學習，僅僅在考試之前進行突擊復習，雖然也可能通過最終的期末考試，但在后續學習其他專業課程時就會明顯表現出基礎知識不牢固的現象，后續課程的學習明顯感到吃力。

因此，在“理論力學”教學實踐改革的基礎上，課題組對本課程的教學考核方法進行了進一步優化，采取多元化剛柔并濟的考核方式取代了傳統的考核方式。具體而言，就是在傳統筆試考核的剛性要求基礎上引入線上學習成績、實踐項目探究、登臺展示介紹及小組討論互評等柔性的、非筆試考核方式。突出探究性的能力考核，以激發學員通過刻苦學習收獲力學實踐能力和力學素養養成的成就感。

具體來講，對于學員的線上學習效果，可以通過雨課堂實時跟蹤，讓學員能夠及時了解自己的學習與進步情況。對于實踐項目探究可以采取開放項目式研究，不限定具體的研究目標、流程和方法并允許失敗。學員可以獨立或者以小組形式開展探索實踐，并將最后的實踐結果以PPT的形式在課堂展示。同時，在課堂展示結束后可讓其他小組學員對展示的學員進行評價并打分，并總結實踐經驗及失敗教訓。在這樣的多元化考核方式下，學員的主體作用得以強化，并進一步激發了學員學習的積極性，學習效果得到了有效提升。

結語

“理論力學”課程是我校工科專業的核心專業基礎課程，對于培養學員的力學思維與創新能力至關重要。為引導學員從“要我學”的學習觀念轉變為“我要學”的學習理念，切實提升學員的力學能力和力學素養，項目組針對“理論力學”課程教學實踐環節薄弱的突出問題，創新性地將先進仿真分析方法引入了教學實踐之中，讓學員在掌握先進力學分析方法的基礎上，積極主動探索、深入研究，有效培養了學員的力學思維與創新能力，提升了教與學的效果，取得了良好的教學示范效應。

參考文獻：

［1］葉紅玲，楊慶生，杜家政，等.基礎力學課程教學中非標準化考核模式的探索與實踐［J］.力學與實踐，2022，44（05）：12061212.

［2］王沿朝，秦忠寶，桑媛園，等.ABAQUS數值仿真在理論力學教學中的運用［J］.教育教學論壇，2021（38）：132135.

［3］王沿朝，王鑫峰，郭劍鋒，等.新時期軍校青年教員教學能力提升研究——以理論力學課程為例［J］.高教學刊，2023，9（26）：156159.

［4］譚鄒卿，蔣學東，何云松，等.新工科背景下理論力學教學實踐與探索［J］.高教學刊，2021（07）：103107.

［5］李達，孫凱，李書卉，等.基礎力學實驗教學的改革與實踐［J］.實驗室科學，2023，26（01）：143147.

［6］郝穎，余為，李哲.理論力學研究導向型教學方法探索與實踐［J］.力學與實踐，2023，45（05）：11601166.

［7］郭鐵丁，康厚軍.理論力學研究性教學新探索——變質量系統動力學與連續介質Reynolds輸運定理［J］.力學與實踐，2023，45（03）：659663.

項目來源：國家自然科學基金項目“基于負剛度放大系統的地下大型人防工程防爆抗震性能提升機理研究”（52108387）；火箭軍工程大學教育改革項目“基礎課程青年教員‘教與學教學互動機制研究”（HJJKTD2023006）

作者簡介：郭劍鋒（1981—?），男，漢族，湖南桃源人，碩士，副教授，研究方向為工程力學。

*通訊作者：王沿朝（1991—?），男，漢族，湖北應城人，博士，講師，研究方向為工程力學。