应用型本科高校力学课程教学改革研究

［摘 要］随着高等教育改革步入“深水区”，带来了许多新情况、新问题、新观点。不断总结经验教训，探究各种教学现象的根源，并采用积极稳妥的举措，可以建立“面向工程、强化基础、提升能力、塑造价值”的力学课程教学体系，提升力学课程教学的生命力。文章以淮阴工学院力学课程教学为例，着重讨论其教学核心，构想其教学模式，提出其优化策略，强化在教学过程中若干关系的平衡。

［关键词］力学课程；教学核心；教学模式；优化策略

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）12-0024-05

力学是近代工程技术的重要理论基础之一，主要研究物体的空间位置和形状随时间变化的机械运动规律，为揭示自然界中与机械运动有关的内在联系提供有效的工具[1]。理论力学研究移动和转动，材料力学研究变形，流体力学或空气动力学则研究流动。按学生所学专业需要可细分为结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学、振动力学、生物力学等。力学课程知识与自然现象、生产实际联系密切，在基础课与专业课间起着重要的桥梁作用。

淮阴工学院是一所地方应用型本科高校，其二级学院机械与材料工程学院（以下简称学院）将力学课程作为必修课。学生掌握力学知识的程度直接影响后续专业课程的学习效果。多数学生毕业后进入生产一线从事实践工作。为了培养学生具有扎实的专业理论功底和比较丰富的专业知识，学院坚持以应用为出发点和落脚点，不断优化力学课程教学内容，深入开展教学改革、更新和升级，将学生固有的或潜在的智慧由内而外地激发出来。

一、以强化学生力学思维分析能力为教学核心

应用型高校的教学目标是学业期满的学生应有比较高的思维分析水平，能够分析、解决具体工程问题。力学教育主旋律是教会学生思维分析[2]。力学知识与力学思维分析有密切的关系，但两者的内涵不相同。力学教材知识和教师讲课内容不会自动钻进学生头脑，也不能代替学生进行思维分析，教师应引导学生发挥思维分析能力，对比相关物体之间的异同点，分析相关现象中物体的因果关系、排中关系、依存关系、对立关系等，通过独立琢磨、思索、构想、推断、归纳，认清物体或知识的本质、特征，并化感性认识为理性认识。例如，教师完成理论力学课程各个阶段的教学后，可以安排学生分别做静力学的受力分析、力系简化、平衡方程、摩擦、桁架内力等内容的思维导图，运动学的坐标描述、刚体简单运动、点的合成运动、刚体平面运动等内容的思维导图，以及动力学的质点运动微分方程、动量定理、动量矩定理、动能定理等内容的思维导图[3]。随着一系列精心授课和有效实训的开展，学生在力学知识的学习上渐渐入门，熟悉并掌握思维分析的方法、路径，悉数学会转换思维分析尺度、维度、角度、梯度的诀窍，娴熟处理力学要素之间的搭配，就能将学到的力学知识付诸应用，以力学思维孕育创新思维。

二、探索实践新型的力学课程教学模式

（一）开放式教学模式

科学发展及新材料、新结构、新技术、新产品的不断涌现，对力学提出了新的挑战。创建学生自主学习实践的开放式课堂，将学生置于力学科技信息最新发展区，不断拓宽学生的视野，放大学生的想象空间，成为力学课程教学改革的当务之急。课程教学知识要及时补充课外实用的反映现代科技成果的内容，并同经典力学基本概念相互呼应。特别在电脑软件计算工具问世以来，力学教学不能停留在手工方法计算上，而应要求学生运用数字设备的强大功能，把力学学科知识与有关联的其他学科知识联系起来，研究荷载、结构更加错综复杂的力学对象[4]。改变教师总在课堂上一枝独秀的状况，突出学生在课程教学中的主体地位，加强师生、生生沟通、合作，大家各抒己见、畅所欲言，共同探索力学的问题性质，借助力学理论剖析工程项目，分享所获结论的力学意义[5]。鼓励学生不要满足于课堂教学的信息量，积极上网、在图书馆查阅力学学科的文献资料，进行自我扩充、积累，依靠自身能力排除学习上的障碍，并在固定程序或范例束缚之外解题，尽量做到推陈出新。组织学生前往实习基地或参观生产设备作业现场，深刻体验力学的物质表现形式和内在道理。

（二）个性化教学模式

尊重学生的独特性和差异性，在教学大纲范围内严格执行力学课程质量标准，有目的、有计划、有步骤地开展个性化教学活动，尽量使每个学生都能得到充分的可持续的发展。根据教学班学生的专业特点、知识基础、钻研水平，教师对部分教学内容进行适当删减或添补、细化或简化、提前或推后。对于那些对力学学科知识学习兴趣浓厚、能力较强的学生，可在课堂上适当引导他们进行略有难度的思考，加强其认知张力。超出教学大纲范围，提出力学建模题目（如正应力、位移、加速度等）和应把握的要点，指导学生个人或兴趣小组学习创新设计力学模型。学生创造模型后，经过多种参数变化的运行，如果其结果能满足一定精确度的要求，并与仿真或实验效果相吻合，则及时予以肯定和赞许；如果学生创造模型的求解精度较差的，则提示他们从哪几个方面去分析原因并加以改进、研究解决途径，或者让他们留待以后用更强的建模能力来完成。对于学习进步缓慢的学生则需多费一番周折，通过批改作业找到其出错的原因，进行一对一的师生辅导或学生小组帮扶。

（三）服务型教学模式

学生在力学课程教学中应占据主动地位，教师应处于为学生提供各种引导、助力的位置。教师在教学实践中真诚为学生服务，一切从学生实际出发，把学生的刚需纳入教学安排[6]。在学生学习过程中，他们能想到的要为他们雪中送炭，及时满足他们的合理需求和愿望；他们暂时没有想到的，也要提醒他们提前做好准备，便于其摆脱困境。教师可将自己精心制作的力学课程视频上传至本校网络教学课程平台，以便学生结合自己的学习进度自主学习，不懂的地方反复看、反复听，直至明白为止。建立学生力学课程各阶段学习状况的档案记录，以便对症下药、服务到位。为了使学生能够提高学习效率，营造良好的教学环境，教学单位购置各种台（套）的小型便携式教具，如曲柄滑块、牛头刨床、制动机构、行星轮系等，收藏更多可以用于教学用具的学生参加省级以上力学竞赛的获奖作品，如无碳小车、连杆式机器人、全自动转轮、电动螺丝刀等；教研组建立教学案例库、思政案例库、教师课堂提问题库、学生讨论题库等。教师要提高将资源为我所用、物尽其用的能力，在课堂教学、实验课教学中恰当、巧妙地发挥它们应有的作用。

三、力学课程课堂教学、实验室教学优化策略

（一）提高课堂教学的效率

教师在课堂上耐心讲解力学知识，吸引学生的注意力，把课前预设在课堂变现，把教学初衷转变为教学实践。力学概念往往比较抽象，教师讲授相关内容时尽量从具体的事物入手，举一些生产、生活中的例子，可使学生形成感性认识，便于其更好地理解和掌握理论知识。例如在讲解受力平衡时，分析人采用头顶或肩挑负重，使重物的重力沿着脊椎的轴线方向作用而只承受压力的做法是科学的；在讲解点的加速度合成运动时介绍柏而定律，并告诉学生在地球科里奥利力的作用下，北半球的人鞋底的右侧往往比左侧先磨破，而南半球的人则相反；在讲解刚体对定点的动量矩定理时，引入抖空竹中的力学问题，即人将线绳绕在短轴上用力来回抽拉，利用线绳对短轴的摩擦力带动空竹旋转。线下课堂授课的优势是面对面启发学生，教师需开展有深度的问答，例如可提问“为什么吊车由于起吊位置选择不合适没有吊起重物，反而引起翻倒”，指定学生按照力矩理论来回答原因何在。总而言之，在力学课程教学过程中激活学生的思维，触发其能动反应，促使其迸发灵感火花，达到活学、活用的目的。

（二）强化多媒体教学的作用

把多媒体教学设备用得得心应手，逐步提高教学课件的质量。将原本在黑板上书写本课程教学的体系、脉络类文字内容改由多媒体展示，节省课堂教学时间，可以向学生输送更多的教学信息与资源。力学理论离不开抽象的严谨的语言表述，教师要吃透力学课程内容的精髓，使用信息技术将抽象的原理和计算结果转化为可视化课件。自制或从网上下载相应的照片、图画、漫画、动画、示意图、曲线图、统计表、幻灯片、录像等，然后用多媒体教学设备在课堂上同步播放，用以配合教师讲授的一些难以用语言表述清楚的内容，使学生能够直接感知描述性的知识，以便达到化难为易、化繁为简的效果。最后将相关的分散内容升格为系统、高级的认知。

例如可以用ANSYS仿真软件及手段制作相应理论模型的课件[7]，反映测算不同截面形状悬臂梁的强度、刚度。第一步，在屏幕展示悬臂梁的示意图。第二步，在屏幕展示梁的矩形、工字形、圆形、圆管、箱形、三角形环状截面示意图，假定控制各截面面积S=1200mm2，测算这6种形状截面边线的长度尺寸。第三步，计算这6种形状截面梁的惯性矩大小。第四步，计算这6种形状截面悬臂梁在自由端受1200N载荷作用下固定端的最大弯曲正应力理论解。第五步，计算这6种形状截面悬臂梁在自由端受1200N载荷作用下自由端的最大挠度理论解。第六步，计算这6种形状截面梁在ANSYS中的有限元模拟解：（1）在屏幕展示所建立的几何模型图；（2）在屏幕展示计算机求解上述形状截面悬臂梁在自由端受1200N载荷作用下的位移云图；（3）在屏幕展示与前述相同条件下的等效应力云图；（4）在屏幕展示绘制的前述6种形状截面悬臂梁的数据分析表格，并进行与理论值的误差计算。第七步，对问题进行分析总结。全例在屏幕上总共展示各种图25幅、表格1份。

（三）注重确保实验室教学的成效

材料力学、工程力学、热流体学基础等课程的教学大纲规定有一定比例课时的实验项目教学。通过实验室教学，学生能学到许多理论课堂上学不到的东西。把课程理论贯穿到力学性能实验中，以实验为理论教学服务，使学生切身体验理论知识的应用；将理论知识和实验相结合，经过思维加工过程得到新的认识。例如可安排学生进行矩形、圆形、工字形、T形等截面的单体梁在纯弯曲状态下横截面上的正应力实验，观察其横截面正应力的大小以及分布规律，验证弯曲正应力公式，然后指导学生在单体梁实验的基础上增加叠合梁实验，测出其横截面上的正应力数据，用电脑和应用软件的处理功能呈现模拟实验结果，并将其与单体梁的正应力数据进行对比分析，根据实验规律推导叠合梁横截面上正应力的计算公式。教师还可以尝试翻转实验教学，告诉学生实验目标以及常规实验设备仪器的使用方法和注意事项后，下达实验任务，要求学生自行选择、设计、修改实验方案，错了可以再试。当然，教师必须及时跟踪点评，必要时亲自演示规范操作办法。

四、有效开展力学课程教学需要处理好的关系

（一）传统教法与现代教法的关系

教学改革大力推行现代教法，是出于提高力学课程教学效率和降低教学成本的需要，绝非全盘否定传统教法。妥善处理传统教法与现代教法的关系，要将传统教法的优势与现代教法的优势进行有机结合，争取更好的教学效果。可根据不同的教学内容、背景、条件、对象，合理采用现代教法和传统教法。现代教法强调自由发挥，教师可以围绕所教主题阐述课本知识和自己积累的知识，组织学生畅所欲言等。例如开展理论力学课程的教学时，可在摩擦章节引入某航天器轴承转子的滑动与滚动形式，解析滑动摩擦与滚动摩擦的区别与联系；在平面运动章节引入人造关节这一与生物力学交叉的学科知识，让学生在理解结构平面运动规律的同时，了解力学在前沿科技中的重要应用。参照《力学学报》《机械工程学报》等期刊介绍的相关资讯，组织学生对活塞式压缩机中的各种力（气体力、惯性力、摩擦力以及综合活塞力）进行计算分析。不过现代教法仍然需要部分沿用传统教法中的讲授法，毕竟教师首先要通过课堂讲解把教材上的内容教给学生。现在高校力学课程教学几乎离不开应用多媒体的辅助功能。由于学生有时阅读所播放课件内容的速度跟不上教师讲解的速度，在课堂上来不及思考，就容易失去参与互动的机会。针对这一现象，教师推演如流体力学课程中恒定流能量方程（伯努利方程）的证明过程，可以沿用“黑板+粉笔”的传统教法，边写边讲，甚至可重复几遍，掌控好教学节奏。现代教法倡导学生用自己的思维方法解题，顺藤摸瓜找到打开所有“锁芯”的每一把“钥匙”，但这也建立在完成一定数量的具有典型性、代表性的练习题作业的基础之上[8]。

（二）粗放教学与精细教学的关系

粗放教学和精细教学融为一体、相得益彰，或两者取其一，独立发挥作用。教师课堂讲解应确保是最基本、最重要的内容，如材料力学课程内容的核心、主干、重点和难点：材料力学的基本概念和基本假设、轴向拉压时的强度计算和变形计算，圆轴扭转时的应力、应变计算，求剪力方程和弯矩方程以及横力弯曲正应力、弯曲剪应力的计算等，务必从点到线、从线到面地进行仔细讲解，确保学生能够前后连贯、触类旁通。有些内容比较浅显，如轴向拉压的应力、叠加法求弯矩、变形等；有些内容过于陈旧，如有些已讲内容或意思相近的内容。学生运用高等数学知识很容易理解的那些公式推导，教师可以粗线条讲解、提速讲解或点拨讲解，让学生课后温习、自修。学生综合学习成绩，粗放计算是按照期中考试、期末考试和实验考查的分数加权平均后确定。这样的好处是计分程序公平，学生追求的直接目标比较清晰。精细计算是按照学生考试考查成绩以及完成课外作业数量、质量，在课堂上回答教师提问时的表现和其他评价等情况规定的比例计算。这样能够促使学生求真笃学、学思践悟，但也可能掺入教师的主观因素。