“新工科”教育背景下工程力学的教学改革与实践

姚 轩，曾勇谋，胡淑娟，刘 莹

梧州学院 机械与资源工程学院，广西 梧州 543002）

在飞速发展的时代背景下，以物联网、大数据 、人工智能、虚拟现实等为代表的先进科学技术颠覆性地改变了人们的学习、工作和生活方式，当前我国仍处于重要战略发展时期，前景十分光明，挑战也十分严峻[1]。为主动应对激烈的社会变革，培养一大批多样化、创新型卓越工程人才，我国教育部提出“新工科”建设项目，这是高等院校工科专业谋求进一步发展的重要机遇，同时也对高等教育的课程改革提出了新的更高要求[2]。本研究以工科类基础课程“工程力学”为例，针对目前课程教育教学存在的问题，以新时期新工科人才培养目标为导向提出工程力学课程改革实践路径。

1 工程力学课程概况

1.1 课程介绍

工程力学课程教学内容以刚体静力学研究和杆件变形破坏分析为主，首先要求学生掌握刚体的受力分析方法和力系的简化方法，研究物体在力系作用下的平衡规律及其应用；其次要求学生掌握杆件的内力、应力和变形的分析方法，为确保机器在外力作用下能够正常工作，在满足强度、刚度和稳定性的前提下为杆件选择合适的材料，确定合理的截面形状和尺寸，并为杆件设计提供基本的理论和方法，学生在学习过程中逐步建立起工程技术的基础知识框架[3]。工程力学是工科类专业的基础课程，与后续的众多课程知识相互交叉，例如机械设计、机械制图、工程材料、电工学，等等。掌握工程力学的内容可以为专业课程学习打好基础。

1.2 学情分析

工程力学课程通常在大二的上学期开设，机械类专业的学时总数为68学时，非机械类专业的学时总数为51学时。工程力学这门课程的理论性很强，知识点也很多，对机械类专业而言，大二上学期学生刚刚接触到专业核心课程，难以将工程力学分散的知识点与其他课程的相关知识融会贯通起来理解应用，学习难度较大。对非机械类专业学生而言，工程力学的相关概念比较枯燥难懂，学生的学习积极性容易受挫，时间一长就会产生厌学心理，学习效果不佳。

1.3 教学现状

当前工程力学课程的教学课堂仍然是以传授知识为主的课堂，通常先由教师讲解基础理论内容，然后进行例题分析，再给学生布置随堂练习题加深理解，最后布置课后练习题加以巩固。工程力学课程的相关实验部分尚未与机械机构设计联系起来，学生对实验数据的“理解”仅停留在纸面上，对不同材料的力学性能差异理解不透。工程力学既是培养学生逻辑思维能力的课程，又是培养学生解决实际工程问题能力的课程，这种传统的教学方式已不适应时代发展的需要，难以为社会培养卓越工程人才。

2 新工科建设背景下的课程目标

教师要明确高等教育培养的应用型工程技术人才是社会主义事业的建设者和接班人，在社会工业化乃至信息化的过程中，“新工科”建设要求人才培养要达到理论素养和工程素质并重[4]。目前，全国各院校各专业都在落实“立德树人”的根本任务，为了进一步促进教书育人成效，教师应当转变观念，与时俱进，打破枯燥的以理论学习贯穿课堂的传统教学模式，应根据企业对工科类就业岗位的条件要求来培养学生[5]。以“新工科”教育为引领确立工程力学课程教学目标，努力探索和尝试契合课程特点的教学方法，在实现知识传授与能力培养的过程中挖掘并突显能体现价值引领的课程建设内容，发挥好课程的育人功能，不断提高课程教学的综合质量。具体课程目标如下。

2.1 知识目标

了解常用力学的基本概念，具备工程应用问题的基本理论知识。静力学主要掌握物体的受力分析方法和力系的简化方法，物体在力系作用下的平衡规律及其应用。材料力学主要掌握受力构件变形形式，熟悉应力计算方法，分析构件的强度、刚度和稳定性的条件，掌握确保构件能在外力作用下安全可靠工作的理论知识。

2.2 能力目标

工程力学与工程技术紧密联系，通过掌握本课程的内容，使学生能够运用力学知识配合专业学科知识多角度思考问题，为后续的课程学习打下必要的力学知识基础，做到融会贯通，学以致用。能够对工程实践中出现的安全问题进行分析，判断构件的承载能力是否满足使用极限状态。掌握常用力学设计的方法，结合工程实际情况合理地设计构件的承载能力，能初步运用力学理论和方法来解决工程实际中的技术问题。

2.3 育人目标

能够运用马克思主义辩证观点分析具体问题，对力学在工程中的应用有一定层次的综合认知，对其现状、发展及趋势有一定的理解与判定，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力，培养逻辑思维和创造思维。强化学生工程伦理教育，培养严谨的学习态度，树立规范的工程设计意识和精益求精的工程设计思想，能够在解决实际问题的过程中树立实事求是和勇于探索实践的科学精神。

3 新工科建设背景下的课程教学方法

根据新工科建设要求，以学生发展为中心，不断优化课程教学内容，培养学生将理论知识同实践操作联合运用的能力，综合运用线上线下、课内课外混合式教学模式，提高工程力学课程的教学质量，具体从以下几个方面展开。

3.1 课前导学

利用平台在课外组建班级课堂在线分享各种互联网学习资源。如导学课件、微课视频、慕课链接等，教师通过布置学习任务，引导学生在线进行自学，以便学生能够带着问题进课堂，教师通过收集学生自主学习过程中反馈的问题来适当调整上课的内容，提高学生的学习兴趣。

3.2 课内教学

课内使用演示模具和多媒体教学工具讲解有关力学概念和知识，进行构件的力学分析与校核计算，为后续学习打下力学的理论知识基础。对经典的案例进行分析，并让学生结合当前先进的科学技术提出感兴趣的案例，丰富课堂教学内容一起讨论，或者让学生就某个问题进行分组讨论，或者针对重要的理论计算进行随堂测试，对学生的学习效果进行摸底，判断是多做练习还是讲解新的知识点。这种教学方式更直观、更生动、更有效，有利于学生更好地理解和掌握教学内容。

3.3 课后固学

课后要保证一定的练习量，通过完成课后作业来巩固知识。利用QQ群、微信群、线上课堂提供平台帮助学生在线答疑解惑，教师针对重要的知识进一步提出思考题，供学生钻研。在实践活动中教师通过辅导学生完成实验，利用学科竞赛赛事、校内人才工作室、校外实习实训基地等资源开展实践教学活动，教师也可以把部分科研工作内容带入教学环节中，甚至可以通过产业学院的平台让课堂教学直接对接企业实际项目，尽可能地为学生创造实践机会。通过可看可想可做的教学方式可以充分调动学生学习的积极性，激发学生的创新能力，同时有了前期实践的经验积累，学生在做毕业设计的时候也更容易做出有意义的设计方案，这对学生未来的就业将有重要的指导作用。

在电子信息时代教师要借助科学技术的手段，利用好学堂在线、大学慕课、超星学习通等信息传播媒介，对课前导入、课程组织、课堂互动、课后实践进行改进，让课内教学与课外教学互相补充，并行教学，如此一来学生受益面广，对相关课程的学习也起到良好的带动作用。

4 教学设计案例

结合具体的教学内容选择相对应的案例，课前阶段引导学生观察生活当中的力学现象，养成学前思考的习惯，学生带着问题进入课堂学习可以提升注意力和求知欲。课堂教学过程中教师主要采用理论教学、习题操练、讲解分析三结合的方式帮助学生打下理论知识基础。课后阶段一方面布置练习题让学生巩固所学知识，另一方面提出思考题启发学生积极探索解决方法，进一步用学科竞赛项目驱动学生继续深入学习研究，掌握知识的应用能力。下面以部分教学内容进行教学活动设计。

4.1 教学设计案例一：物体重心

课前导入：意大利的比萨斜塔的重心并不与地面垂直，为何斜塔建成一千多年来却屹立不倒？在科技时代高速度、高精度加工技术得到了飞速的发展，根据机械运动动力学理论设计的重心驱动技术设备，在生产时可以笔直推进零件而不产生振动，从而使得加工精度、加工质量和刀具寿命都得到了很大改善。

课内教学：教师针对提出的问题进行解答，解密斜塔不倒的原因是研究人员通过分析认为，当坚硬的建筑石料与松软的地基土壤相结合使得斜塔不会在地震发生时产生激烈共振。这个著名的案例提起了学生的兴趣，自然切入重心这个概念，重心是物体所受重力的合力的作用点，物体的重心位置由物体的几何形状和物体各部分的质量分布情况来决定。教师要指出比萨斜塔的奇迹是偶然现象的结果，并不是设计师有意为之，生活中的很多工程设计或产品设计都是需要计算重心位置范围的。例如，我国先秦时期的马车在进行构造设计时碰到的主要问题就是车辆重心的平衡与协调问题，尤其是马车运动时如何平衡牵引力与重心力让马车的重心保持稳定，为解决这一问题而发展起来的构造与组装技术又进一步提高了马车的性能。再如，办公用品中的电脑旋转椅子，如果设计师没有计算好椅子的重心，当人坐在椅子上时或许会因为身体前倾或者后仰一点角度而摔倒。

课后思考：布置学生制作一台落地台灯，正常情况下静置摆放不会摔倒，设计要求当人为轻推使其倾斜15度的角度以后台灯仍然不倒，该如何确定台灯的重心与整体结构之间的位置关系？

4.2 教学设计案例二：应力集中

课前导入：人们日常撕开各种包装的时候都习惯去找封口处的小锯齿或者小缺口，就连小朋友都知道从那是最容易撕开的地方，为什么？对大型船舶来说，甲板上的货舱口、机舱口等大开口破坏了船体结构的连续性，容易引起严重的应力集中，碰到此类结构设计时要采用圆弧形角隅，并在甲板下面设置支柱或其他强力构件。

课内教学：原来是利用了应力集中的特性，锯齿状或者有缺口的地方截面形状和面积发生了突变而产生局部应力增大，包装上锯齿处的应力最大，所以最容易被破坏，最容易被撕开。以此类推，组织学生讨论易拉罐是如何实现易拉功能的？接着指出在生活场景中，有时候我们需要利用应力集中的特性，有时候又要在设计中规避应力集中现象，因为应力集中也会带来危害。比如，设计构件时为避免几何形状的突然变化，应消除尖角，改善构件外形，尽可能做到光滑，逐渐过渡。再通过分析女生穿平底鞋时整个脚掌的应力是趋向均匀的，只在很小的部位有不明显的应力集中现象，而穿高跟鞋时整个脚掌的应力主要集中在前脚掌上，久而久之对脚部的危害很大，而且穿高跟鞋还会增大踝骨所受的弯矩，更容易崴脚。通过一反一正的案例进行对比分析，让学生学会运用辩证思维思考事物的两面性。

课后思考：运用同样的思路举例分析人们对摩擦力的应用与规避。

4.3 教学设计案例三：桁架结构

课前导入：人类在两千多年前发明了三角桁架并应用在木制房屋建筑的屋盖设计中，是古代建筑实现跨越的最主要方法。当前全球航天事业快速发展，航天器结构面临设计约束多、更新迭代繁的困境，而采用多级骨架模型的设计方法能够加快结构设计对外部约束的响应，有力推动航天器桁架结构的应用和发展。

课内教学：桁架通常指桁架梁，由若干直杆连接而成的梁式结构，杆件主要承受轴向拉压力，结构效率很高，广泛应用在屋架、桥梁、电视塔等工程实际中，对于空间结构的悬挑和跨越主题，桁架结构几乎是万能的。1818年建造的莫斯科马术体育馆是现存记录最早应用大跨度木结构的建筑，其跨度远远超过当时的常规建筑。而我国传统的木结构建筑则是以榫卯连接为主，为了避免断面缺损，在部件集中交合的地方尽可能将部件在不同位置相互咬合，在力的作用下接触面会产生小的挠曲，是一种近似铰接的状态。木桁架结构和榫卯连接结构都是古人巧妙利用力学知识的经典设计。

课后思考：木桁架类型和结构非常丰富，是一个充满想象力的结构体系，而且取材方便，制作工艺简单，组织开展木桁架结构设计比赛，探索在规定的跨度条件下哪种木桁架结构的承载力最大。

4.4 教学设计案例四：圆轴扭转

课前导入：竹子、芦苇这类植物为什么在疾风暴雨中不被折断？鸟类为什么能在高空中长久地飞行？它们的结构有哪些类似的地方？在工业产品设计中，设计师也常常利用圆轴扭转的变形特点来进行造型创新，在合理的扭转强度条件下进行产品设计，不仅提升产品的趣味性，而且可以拓展产品的功能性，同时在形态上也更加凸显出高级感。

课内教学：首先指出竹子、芦苇、鸟的身体肢干都有中空的结构特点，这种空心状的结构具有比较强的抗弯抗扭性能，既能满足动植物生存的需求，又能减轻自身的重量，体现了大自然神奇造化。再根据圆轴扭转的强度条件可知在最大切应力相同的情况下，空心轴所用的材料约为实心轴的3/5，节省材料的原因是圆周扭转时横截面上的应力呈线性分布，越接近截面中心，应力越小，那里的材料就未充分发挥作用，做成空心轴，使得截面中心处的材料安置到轴的外缘，材料得到充分利用，而且减轻了构件的自重[6]。

课后思考：空心管材的优点这么突出，为什么在工程实例中并不完全用空心结构替代实心结构？提示：高速运转的轴扭转角过大会引起强烈振动，因此在具体的设计应用时不仅要考虑扭转的强度条件也要考虑扭转的刚度条件。

4.5 教学设计案例五：压杆稳定

课前导入：大家都用过圆珠笔，我们发现圆珠笔使用久了以后笔芯收缩就不太灵活了，原因是什么？拆开一支长期使用的圆珠笔发现笔芯发生了弯曲变形，运动过程中笔芯压杆稳定性降低导致笔芯收缩不灵。由此可知，细长压杆突然产生显著的弯曲变形而导致结构丧失或工作能力降低，其原因并非因强度不够，而是由于压杆不能保持原有直线平衡状态，即稳定性不足，这种现象称为压杆失稳。桥梁是重要的交通载体，一旦发生垮塌事故往往造成严重后果，如1907年，加拿大的魁北克大桥由于悬臂桁架中受压力最大的下弦杆丧失稳定，致使桥梁倒塌。1925年，苏联的莫兹尔桥在试车时由于桥梁桁架压杆丧失稳定而发生事故。2001年，我国的宜宾南门大桥由于连接拱形和桥面的钢缆吊杆断裂，受力不均使桥面的支撑力发生波浪形摆动，造成垮塌事故[7]。

课内教学：讲解梁弯曲时的内力和应力计算，教育学生要有严谨的科学态度，要以高度的责任感来完成桥梁设计工作。我国赵州桥经久不衰的例子说明，要科学运用力学知识分析桥梁的强度条件才能保障桥梁应用的安全和桥梁的使用寿命。赵州桥是当今世界上跨度最大、建造最早的单孔石拱桥，拱高和跨度的设计比例使得桥面坡度平缓，便于车马行人往来，又增加桥身强度和稳定性。

课后思考：搜集现代著名桥梁设计案例，分析设计师们如何在大跨度的高难度情况下提高桥梁的弯矩强度和刚度？要保障物体的结构安全，对结构中的细长压杆必须进行压杆稳定的校核，如何在满足压杆稳定性的前提下进行帐篷结构优化设计，并做出实物模型进行测验分析？

5 小结

本次教学改革结合信息化教学与实践教学，通过组织构建结构合理、便于实施的工程力学课程活动，以学生发展为中心，将知识传授、能力培养、素质教育三者有机融合，为工程力学课程教学改革提供一定的经验和设计案例，同时促进教师业务水平与执教能力的提升。利用学校搭建的机械工程训练中心、3D打印快速成型实验室、CAD/CAM实验室、自动控制原理实验室、数控仿真实验室、机械设计实验室、创新设计实验室等平台，结合课程学习使学生能够利用力学知识配合专业学科知识，通过实验平台进行探索，多角度思考问题，能够运用相关的理论方法解决具体的工程力学问题，积极参加学科竞赛，达到理论联系实际、深入思考的学习效果，培养了学生的逻辑思维能力、辩证思维能力和应用创新能力。在教学实践中学生多次在“挑战杯”“机械创新设计大赛”“创新创业大赛”“工业设计大赛”“机器人大赛”等学科竞赛中取得名次，特别是结合区域特色产业，基于校企合作背景的创新设计项目，如炒茶机、压饼机、宝石分拣器等机械设计，不仅使学生和学校获得了荣誉，还为企业带来了收益。实践表明，这种教学方法能够综合提升工程力学课程改革教学成效，向新时代新阶段为国家培养“新工科”人才的目标迈进。