工程力学教学方法与教学改革探讨

孙占坤

内蒙古工业大学理学院力学系 内蒙古呼和浩特 010000

一、概述

工程力学作为工科专业的一门涉及众多力学学科分支和广泛工程技术领域的技术基础课，主要面向诸如能动、材料、机电、桥梁、交通等诸多工科专业的本科生进行开设，其受众较广且在各专业基础课中具有极为重要的位置。作为一门理论性较强的课程，工程力学通过理论力学的内容介绍静力学的基本概念、一般力系的简化与平衡条件、摩擦、空间力系、点的运动、刚体的运动及动力学定理等；通过材料力学的内容介绍拉伸、剪切、扭转、弯曲等基本变形方式下应力应变的计算及材料的强度、刚度、稳定性校核等。鉴于工程力学课程的重要性，工程力学的教学方法及改革已被很多力学教学工作者所关注，例如郎风超等论述了如何在工程力学教学中优化课程内容，注重实践教学，邵俊华等讨论了在新工科背景下工程力学实验教学改革问题，斯日古楞等探讨了在工程力学课程中引入实践视频帮助开展教学的具体措施。

诸多具体的教学方法与改革措施为承担课程教学的力学教师提供了很好的借鉴，但是在新的时代背景下，有必要对工程力学的教学措施与改革方法进行进一步探索，从而更好地开展工程力学教学工作，为社会主义现代化建设和中华民族的伟大复兴培养更多具备知识且能够践行社会主义核心价值观的新时代工程人才。

二、工程力学教学现状

内蒙古工业大学工程力学课程是2005年建成的内蒙古自治区精品课程，在多年的课程教学工作中，力学系教师们积累了丰富的教学经验，也总结了一定的教学方法和教训。内蒙古工业大学近10年来工程力学平均分数变化如图1所示，可见工程力学平均成绩呈现明显下降趋势。根据笔者在教学工作中的感受，工程力学的教学中也存在着诸多问题，诸如教学模式单一、理论讲述过于抽象化、学生对力学分析方法框架掌握不清晰、公式理解不到位、没有建立起力学和数学思维等。这些问题制约着工程力学教学质量的提升，严重影响着新工科背景下工程人才的培养质量，有必要针对具体问题展开细致分析讨论，逐步提高工程力学的教学水平。

图1 内蒙古工业大学不同学年工程力学平均成绩统计[1]

三、工程力学教学促进措施

(一)提高课程生动可参与性

保证课堂教学质量是工程力学教学改革的核心和基础。教师要对自己严格要求，努力吃透工程力学课程中静力学及材料力学部分所涉及全部知识，同时通过观摩线上线下优秀教师课程，领会课程内容讲授方法和学生的学习理解规律。对于青年教师，特别要利用自身优势使工程力学课程更为生动，调动学生的学习积极性。可以寻找涉及力学知识的有趣视频，既可以丰富课程内容，又可以拉近与学生的距离，激发其学习兴趣；还可利用各种计算机辅助设计(computer aided design，CAD)和计算机辅助工程(computer aided engineering，CAE)软件对工程力学所涉及的一些抽象概念，如圣维南原理、应力集中等进行形象解释。同时，也不妨充分地借鉴一些国外的优秀教学视频及软件，例如数学领域的“3Blue1Brown”，其在数学原理的可视化方面做了很多工作，可以借鉴来为学生讲解工程力学所涉及的数学原理；材料力学领域的“The Efficient Engineer”，其发布的视频也用非常形象的动画直观地展示了材料力学中应力、应变、轴的扭转及梁的弯曲等知识；在工程力学涉及数学原理方面，还可以使用GeoGebra快速地可视化数学图形，让学生更好地深刻理解工程力学中的定理及公式。每一位教师要不断地吸取新的知识技能为我所用，提高知识传授效率，善于对抽象的力学问题进行可视化和形象化讲解，站在学生角度，深入浅出地让抽象的力学原理落地，避免理论灌输。

(二)提升线上教学能力

线上线下教学会不定时转换，有时会让习惯于传统面授教学方式的高校教师有些猝不及防。如何克服线上教学教师与学生之间的疏离感、学生注意力难以集中、互动交流受限等问题亟待更好解决。特别是对于普通本科高校诸如工程力学这类理论性强又同时需要联系实际的课程，要求教师在讲解的过程中进行变形几何分析、受力分析、公式推演、教具演示、解题过程推导及针对学生问题个性化的辅导。如何将工程力学教学的各个环节通过适当的方式在线上开展是每位力学教学工作者必须思考的问题。线上教学的顺利开展对教、学双方的数字化设备都提出了一定的要求，从这一角度来讲，无疑提高了学生的学习成本和教师的教学成本。从学生角度来讲，必须有较高的网络通信速度以保障与教师的实时互动，同时对学生手机、电脑等硬件设备也提出了一定的基本要求；从教师角度来讲，不仅必须保证网络通信速度，在各种硬件及软件的使用方面也对教师提出了新的更高要求。董红永关于线上教学干扰因素的研究如图2所示，可见网络和软件的限制是目前影响网络教学工作顺利开展的主要因素。2022年3月以来，内蒙古工业大学进行了较长时间的线上教学，在学校各级的积极准备和妥善安排下，教学促进与教师发展中心组织开展了多次线上教学培训并定期通过公众号在全校分享线上教学经验，充分利用线上教学的优点，努力克服其不足，每一位教师都最大限度做好了线上教学工作。面对新形势、新挑战下的教学模式，学校要从全局角度安排线上教学，尽最大努力为教师的教学工作与学生的学习建立软硬件基础，每一位老师要尽快熟悉掌握必备的线上教学技能，充分调动学生学习积极性，保证教学质量。

图2 影响网络教学质量的主要因素[4]

(三)注重理论讲述与实验相结合

工程力学具有很强的工程实用性，是解决工程实际问题的基础，理论讲解工作要结合实验才能更好地使学生的掌握基础知识，解决实际问题。工程力学实验通常包括单轴拉伸与压缩、扭转与剪切矩形截面梁的纯弯曲等。教师在讲解基础理论的同时，要涉及实验与理论之间的联系，介绍实验的应用背景以及实验手段更新与理论发展的互相推动作用。可以向学生介绍新的实验技术，激发学生的学习兴趣。例如，在实验试样变形的测量技术方面，可以向学生介绍较新的数字图像相关技术(Digital Image Correlation，DIC)。DIC技术又称数字散板相关技术，其通过在实验试样表面喷涂散斑点，使用相机记录散斑位置变化，对比变形前后图像的散斑点坐标计算位移量，通过相应的算法计算试样变形场，如图3所示。教师可以讲解该种方法与传统应变片测量应变方法的异同，帮助学生掌握较新的实验技术和测试手段，进一步理解应变的物理意义和实际应用。

(a)图像采集设备

(b)喷涂了散斑点的十字拉伸试样图3 数字图像相关变形测量技术

(四)严肃成绩考评制度和考试纪律

工程力学考试中存在一些考评制度和考试纪律不严肃问题，不但影响教师对教学效果的客观评价，也在很大程度上打击学生认真学习、自主思考的积极性。内蒙古工业大学工程力学课程分为72学时和56学时两种，本科生的工程力学主要为72学时，其中包括6学时的实验教学。分数评定上，考试成绩占到总分数的70%，课程考试仍是检测学生对课程内容掌握情况的主要手段。在教学与监考过程中发现，一些同学平时作业不能自主完成，这就要求任课教师与学校职能部门共同把好学习质量测评关口，规范考场秩序、整顿考风考纪、倡导诚信考试、严肃处理作弊人员。教师在编制考卷时也要考虑到试题来源，不断更新试题库，使得学生的真实学习水平能够更好地体现在试卷成绩上。学校方面要实行多级巡考制度，检查监考情况和考场纪律，同时对监考教师、任课教师和有关工作人员要加强师德教育，不得以任何形式泄漏考试相关内容。

(五)工程力学课程中的价值引领

高校工程力学课程不仅要传授知识，还要培养学生的科学精神，使得课程既有深度、广度，也有态度和温度，既有知识性也有价值引领性。工程力学课程要注重培养学生力学科学思维和科学伦理，加强学生工程伦理教育，树立精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国、工程强国的情怀和担当。教师要善于总结工程力学中的能够体现科学精神、工匠精神的素材。例如：讲述静力学时，将静力学的发展与文艺复兴时期如伽利略(Galileo Galilei)、虎克(Robert Hook)、牛顿(Issac Newton)及达芬奇(Leonardo da Vinci)等科学家的贡献简要讲述。由于工程力学中的静力学难度并不大，所以可以适当加入一些有趣的科学史内容，以科学人物为线索，一定程度上激发学生的学习欲望，提升课程的有趣度，同时可以向学生讲述15—17世纪科学家们的科学精神及科学信仰；还可以引导学生在工程力学的学习中体会如何辩证客观地认识、思考和描述物体之间的作用与物体的变形，建立利用数学表达定量描述客观规律的思维方式；向学生讲述我国老一辈力学家如钱学森、钱伟长、郭永怀、周培源等的人生态度、科学精神及家国情怀。过程中要避免大而空的介绍，尽量挖掘选取一两件贴近学生生活、适合学生理解力，同时学生易于接受的、不老套的小事例来凸显大力学家的人生观、做事风格、治学精神和家国担当，力求用小的事例对学生产生大的震撼，在学生脑海中打下深刻烙印。在内蒙古工业大学建校70周年时，学校汇总了许多老一辈优秀教师学者的事例，从70多年的校史及力学系的发展历程中可以挖掘丰富的且发生在学生身边不同时空的学长学姐们的优秀事迹，是很好的教学素材。在讲解压杆稳定时，也可以举一些事例激励学生，培养其工程师认真负责的精神。

如果说将先进事例融入课程讲授是在学生心中播撒“正能量”种子的“润物无声”，那么对不良价值观的解构与核心价值观的引领就是直指学生内心与人格的一束强光，帮助其驱除阴霾，树立正确的价值导向和人生态度。在当今的移动互联网时代，每个人都可以作为自媒体向外界输出自己的价值观，然而这其中不乏非理性、不积极的思潮。面对各种鱼龙混杂的信息与价值导向，高校教师要坚守正确价值取向，充分利用现代信息传播手段，培养学生淳朴、豁达、进取的能力，使得社会主义核心价值观在其内心扎根，帮助其建立理性的思考方式，高尚的价值判断、积极的个性表达和严谨的语言逻辑。

结语

工程力学是工科专业重要的基础课程，为了提高教学质量，需要教师在教学过程中不断地总结经验，从每个教学环节的细微处入手，既要生动形象地传授力学知识，也要帮助学生将理论知识运用到工程实际，还要使课程有态度、有温度，培养学生的科学精神、工匠精神、家国情怀和担当意识，同时要使学生树立正确、科学积极的人生观和价值观，培养践行社会主义核心价值观的全方位工程人才。