基于力学竞赛促进工程力学课程教学方式改革

富荣昌

（新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

0 引言

工程力学课是工科专业中很重要的专业基础课，对培养学生分析、解决问题的能力和其他后续专业课程的教学都具有重要意义。在理工科学科的知识架构中，力学课处于连接基础知识和专业知识的重要一环，为解决工程问题提供理论基础和方法。力学课在长期的教学过程中形成的“以教师为中心”的传统教学模式严重制约着学生综合能力的培养，随着信息技术快速的发展，新的教学模式如雨后春笋般涌现，如“翻转课堂”“线上教学模式”“线上线下混合教学模式”等等，极大地补充和完善了传统教学方式，为学生综合能力的提高提供了新的途径。但这些新的教学方式主要是依靠学生的自觉性，自主完成基础力学知识的学习，教师起着启发和引导的作用，如教学过程中管理不到位，没有激起学生的学习兴趣，教学效果将会打一定的折扣，影响学生的创新能力及综合能力的培养。目前力学课的教学过程中普遍存在的问题是学生求解书本上力学题目的能力比较强，但解决工程实际问题的能力有待提高，特别是本科生在进行毕业设计及从事创新实验等设计研究工作时，这个问题尤其凸显出来。如何提高学生学习的自主性以及对力学课程的兴趣，提升学生解决工程实际问题的综合能力及创新能力是值得探讨的一个主题。而全国周培源大学生力学竞赛试题具有创新性、灵活性和趣味性，并且试题都是从工程实际中凝练出来的，特别是全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛和“基础力学实验”团体赛更是以现场设计测试给出的结果为考核目标，这对大学生的创新性思维能力、综合分析能力提出了很大的挑战。所以以周培源大学生力学竞赛促进工程力学课程教学方式改革，为提高大学生对力学课学习兴趣、培养其创新能力及综合能力提供了一个契机。以竞赛为载体改革工程力学课程教学方式，能把基本内容讲透彻，使学生熟练地掌握并灵活应用；以竞赛为导向设计综合性的实验，能培养学生的综合能力。本文着眼点就是以全国周培源大学生力学竞赛为载体结合金课建设改革工程力学课程教学方式，设计综合性实验，并把新理念、成果、新应用融入课程内容中，提升大学生综合能力。

1 周培源力学竞赛及其对工程力学课教学的影响

全国周培源大学生力学竞赛为教育部委托主办的大学生科技活动，目的在于培养人才、服务教学、促进高等学校力学基础课程的改革与建设。其有助于高等学校实施素质教育，培养大学生动手能力、创新能力和团队协作精神；有助于增进大学生学习力学的兴趣，吸引、鼓励广大青年学生踊跃参加课外科技活动；有助于发现和选拔力学创新的后继人才。全国周培源大学生力学竞赛以个人赛和团体赛相结合。个人赛体现学生对力学知识的掌握程度与思考深度；团体赛注重体现学生应用与实践能力、动手操作能力以及力学知识运用能力。通过基础知识巩固与应用力学解决实际问题，使学生对力学的本质有深刻认识，并且在新时代科学技术下，把力学进一步应用到与其他学科结合的工程中，让力学学科继续保持旺盛的活力与学科拓展、应用能力，为国民生活生产提供理论与应用基础知识。

我校非常重视周培源大学生力学竞赛并在历届周培源大学生力学竞赛中都取得了比较好的成绩，在全校的普及面广，有机械工程学院、建筑工程学院、电气工程学院、地矿学院和物理学院的学生参加，参赛学生多，在历届周培源力学竞赛中获奖人数在全区处于领先地位。以2019年第十二届全国周培源力学竞赛为例，新疆大学共有652名同学参加比赛，其中共有91名同学获得奖项，其中全国三等奖（自治区一等奖）10名，全国优秀奖（自治区二等奖）29名，自治区三等奖30名，自治区优秀奖22名，我校获奖人数居新疆高校之首。新疆大学代表新疆参加了第十二届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”和“基础力学实验”团体赛，并取得优秀奖，图1为第十二届全国周培源大学生力学竞赛新疆赛区各高校获奖人数统计图。

图1 第十二届全国周培源大学生力学竞赛新疆赛区各高校获奖人数统计图

全国周培源力学竞赛极大地从促进了我校力学课的教学改革，提高了学生对力学课的学习兴趣，但与全国其他“双一流”高校相比，新疆大学的成绩还很不理想，到目前为止还没有取得过全国二等奖。以全国周培源大学生力学竞赛为契机，加大工程力学教学方式的改革力度，使工程力学课力学基础理论的教学与全国周培源力学竞赛有机结合，以学生综合能力的培养为主体，推动教学质量和学生综合素质提高，在今后的周培源大学生力学竞赛中确保新疆大学获奖人数在新疆处于领先地位，并争取获得全国二等奖，以期达到以赛促教，以赛促学，以赛促改的目标，培养具有扎实力学基础知识的创新实践人才。

2 力学竞赛促进工程力学教学方式的改革

周培源大学生力学竞赛除考核学生对力学基础知识的掌握程度外，更着重考查学生的思维能力。分析问题能力以及解决复杂的工程实际问题的能力。笔者对历届周培源大学生力学竞赛的真题进行了分析、归纳和总结，凝练出考核的点，即力学基础知识灵活应用能力、建立力学模型的能力、抓大放小及复杂问题简单化的科学思维方式和综合实践能力。这些考核点是创新性人才应具备的能力，周培源大学生力学竞赛的考核点如何与工程力学教学内容和课堂教学有机地融入促进工程力学教学改革从而提高大学生的创新实践能力是笔者所关注的，笔者认为这个问题的关键点是教学设计，要充分利用好每次课堂教学的90 min，精心设计教学内容及实施方案，在工程力学课程的教学过程中以每次讲授的教学内容为切入点确定本次教学的知识目标、能力目标和育人目标，凝练出本次教学的重点和难点并精心设计教学的实施过程，明确学生课前完成的预习任务、课中进行的教学内容以及课后复习任务，各个部分环环相扣促进教学水平的提高，这也极大地缓解了课堂教学的压力，使老师在上课讲授知识时也拓展讲解思维方式以及育人方面的知识，激起学生的学习热情，达到通过传输知识培养能力及育人的目的。

2.1 夯实力学基础知识

工程力学课概念公式多，内容抽象并要具备比较扎实的数学和物理基础，因此对学生的学习产生了一定的困难，而扎实的力学基础知识是取得周培源大学生力学竞赛好成绩的基本点，以赛促教，以赛促学，在工程力学教学中夯实力学基础知识。工程力学课“形散而神不散”有很强的逻辑性，因此老师要好好打磨工程力学知识体系的逻辑关系，凝练好每一部分的难点和重点。工程力学静力学部分主要解决的是受力分析、力系简化和平衡条件，难点是约束及约束反力，如何突破难点，笔者认为以确定约束反力方向的准则，即约束反力与约束所能阻碍的运动方向相反为切入点，对常见的约束展开深入的分析并达到举一反三的效果，使学生不仅熟练掌握常见约束反力的画法，还具备分析新的约束反力的能力。对常用力系的平衡方程强调牢固记住并能熟练地使用。对材料力学的基本变形部分要梳理知识脉络，建立由表及里、层层递进的思维过程，建立由表面变形到内部变形再到应力分布规律进而求出应力计算公式。要强调由杆的表面变形特点推理内部变形规律时以平面假设为依据，由应变分布推出应力分布以物理方程为依据，所以在材料力学中平面假定及物理方程是推理过程的关键点。对内力图、应力计算公式和变形计算公式要求学生熟练掌握并达到熟能生巧的地步。应力状态部分，对一点应力状态的概念要深刻地理解，这是掌握这部分知识的金钥匙，要求学生熟练掌握主应力及主方向，主应变及主方向以及四个强度理论的内涵及计算公式，对组合变形主要要求学生掌握拆解组合变形为基本变形，由基本变形得出应力再叠加的计算步骤。对压杆稳定要求学生熟练地掌握临界应力总图。笔者在工程力学教学过程中讲授完每一章节都会总结出应掌握的知识点并发给学生要求学生记忆，课程结束后要求学生在30 min中以内复述出整个工程力学课的知识点，经过反复地打磨知识点加深了学生对工程力学课内容的理解和记忆，为解决复杂的工程实际问题打下了力学基础。

2.2 培养力学建模能力

目前在工程力学教学过程中注重传授知识的同时强调课后习题的求解方法，这是传统教学方式的特点，而用力学的知识解决工程实际问题的关键是针对要解决的问题抓住主要因素，忽略次要因素并建立力学模型。周培源力学竞赛中在这方面考核的力度也很大，如2006第六届周培源全国大学生力学竞赛题一“奇怪的独木桥”，要解决该问题必须先建立独木桥的力学模型，简化后的力学模型为外伸梁，是个材料力学的弯曲问题，故建立独木桥力学模型是解决过桥问题的关键。又如2015第十届全国周培源大学生力学竞赛试题中第3题，关于传输装置力学问题的题目，首先要针对该问题的约束情况及几何特征把传输装置简化为悬臂梁，再根据受力情况把载荷简化为垂直方向和水平方向的均布载荷，建成传输装置的力学模型。正确的建立力学模型是解决工程实际问题的关键，因此由力学竞赛的考核点映射到工程力学的教学过程中，如何通过改革现行的工程力学教学方法培养大学生力学建模能力，这是作为力学工作者应该深思的问题。笔者通过雨课堂与工程力学课的深度融合，对每次课讲授的内容进行高度的凝练，通过雨课堂课前让学生完成本次讲授内容的基本部分的学习，课后由雨课堂的重复功能提升及巩固所学内容，这样缓解了教师上课时讲授的压力，拓展了讲课的内容，以点带面的讲解建立力学模型的思想，并把科研成果融入教学中。血流动力学是笔者的研究方向之一，在研究血流动力学问题时，需要对血管建立力学模型，最初血管的刚体模型到弹性体模型到黏弹性体模型再到多孔介质模型，通过讲解血管模型的演绎过程强调建立力学模型的思维方式，要以需解决的研究问题为目标，对研究问题起主要作用的因素要保留，不起主要作用的因素要忽略，在此基础上进一步阐述如何判断对研究问题而言哪些因素是主要的，哪些因素是次要的，通过每节课点点滴滴的拓展讲解，使学生对力学模型的建立过程有了深刻的理解。

2.3 培养学生的科学思维方式及解决复杂工程实际问题的能力

科学的思维方式是解决工程实际问题的核心点，在周培源全国大学生力学竞赛中也体现出来了，如2007第六届全国周培源大学生力学竞赛试题二“骄傲自满的大力士”，首先对半个球门进行受力分析确定危险截面和危险点，然后用第三强度理论对危险点进行强度校核，在求极值时就要考核学生的抓大放小的科学思维方式，即当一个很大的数与一个很小的数相加时，很小的数可以忽略不计，如平时没有建立抓大放小的思维方式，那么此题就无法进行下去。因此在平时的教学过程中要通过知识的讲解强化思维方式的培养，材料力学中的小变形假设以及平面弯曲正应力的计算公式仅仅对细长梁成立，这些知识点就很好地体现了这一点，所以在讲这些知识点时要延拓讲课的内容，融入周培源大学生力学竞赛的内容从而举一反三，传输力学知识的过程中培养学生的科学思维方式，使知识传输与能力培养有机统一。

在周培源力学竞赛中也体现了复杂问题简单化的思想，这是解决复杂的工程实际问题行之有效的途径。如2013第九届全国周培源大学生力学竞赛第4题“吊车设备”试题，该题首先根据题意可确定吊环的位置，用任何载荷都可表示为对称载荷和反对称载荷之和的知识点把作用在结构的载荷进行分解，再用结构对称载荷对称时截面上的反对称内力等于零，而结构对称载荷反对称时对称截面上的对称内力等于零的知识点把结构进行分解，最后用材料力学的基本知识进行求解。这个题目充分地体现了复杂问题简单化的思想，这种能力基于扎实的力学基本知识，特别是要具备一定的结构力学方面的知识，在工程力学教学过程中如何培养学生复杂问题简单化的思想，这是应该关注的问题。笔者认为在超静定梁的求解过程中培养这种思想是恰当的，超静定梁求解的关键是针对超静定梁的约束建立变形协调方程，解除的多余约束不同，对应的静定基及变形协调方程也不同，即可把阻碍转动的约束作为多余约束，也可把阻碍移动的约束作为多余约束，有很多种选择，讲解各种可能性，找出最佳解决方法，培养学生复杂问题简单化的思想，提高学生解决复杂工程实际问题的能力。

2.4 培养学生的综合实践能力

实践教学是工程力学中很重要的教学环节，目前开设的工程力学基础实验为拉、压、弯、扭及弹性模量测定实验，综合性实验为弯扭组合、压杆稳定和冲击实验。目前所开设的工程力学实验的特点为老师已设计好试验步骤，学生只是按部就班地完成试验，这限制了学生的实践创新能力的培养，而周培源力学竞赛更注重针对研究问题设计试验，以问题为导向，最终达到解决工程实际问题的目的，如1992年第二届全国青年力学竞赛第十题、2013第九届全国周培源大学生力学竞赛第4题以及历届周培源大学生力学竞赛“基础实验力学”团体赛。因此在工程力学实践教学过程中更应该培养学生的设计试验能力及解决工程实际问题的能力。笔者认为在工程力学的教学过程中通过大作业的形式培养学生这方面的能力是行之有效的，教师精细准备4~5个综合性实验题目，学生自由组合下把全班学生分成4~5组，并在保证安全的前提下开放力学实验室让学生利用课后时间去实践和摸索，再利用雨课堂的功能使教师与学生充分的交流和讨论，并以答辩的形式评定成绩并计入工程力学的平时成绩中，从而达到提高学生综合实践能力的目的。

3 结语

周培源大学生力学竞赛为教育部高等学校力学基础课程教学指导委员会、中国力学学会及周培源基金会联合举办的课程竞赛，旨在培养人才、服务教学、促进高等学校力学基础课程的改革与建设，笔者在对历届全国周培源大学生力学竞赛试题进行分析和总结的基础上凝练出了试题中的一些特点，即力学基础知识灵活应用能力、建立力学模型能力、抓大放小及复杂问题简单化的科学思维方式和综合实践能力等，针对这些特点提出了工程力学教学方式改革思路，达到了良好的教学目的。