毛东风

[摘要] 笔者在《工程力学》精品课程建设中,将传统教学方法与现代教育思想和手段有机融合,在课程内容体系、方法和手段以及双语教学和实验等改革措施方面进行了积极的探索和尝试。

[关键词] 工程力学 教学改革 实践

《工程力学》课是工科学生的重要基础课,也是工科专业学生较难掌握的几门重要课程之一。随着高校的连续扩招带来的生源结构变化,如何在课时大量压缩的情况下,保障教学质量,同时满足石油工业对外向型及创新型人才的需要、赋予古老传统力学课以新意,成为教学改革面临的重要课题。中国石油大学(北京)力学课程建设小组,从十几年前就开始了有益的尝试,并取得了令人满意的效果。

一、课程体系及内容改革

1.精心组织内容结构,赋予传统教学时代气息

工程力学尽管是较为传统的学科,但在日新月异的新时代,它依然是解决各类工程技术难点问题的关键,教学过程必须让学生掌握其基本要义和精髓。我们在课程内容组织时,精选经典内容,大刀阔斧地删去原来工程力学与大学物理学的重叠部分,并适时引入反映课程应用的现代设计实例,介绍教师的科研新内容和新成果,为学生掀开科研的神秘面纱。在体系方面,以方法代之于对象作为章节的划分。这样即提高教学效率,让学生学会如何寻找事物的内在联系,掌握课程的精华,又将理论与应用有机结合,使学生建立起工程意识,将来工作起点高、上手快。例如,笔者承担的国家“863”以及国家重大专项等科研项目中,都会涉及用工程力学的知识解决如深海石油工程、海底管道及储运工程等方面的问题。学生听讲时,个个聚精会神,兴致盎然。同时,教师也注意提醒现有课程知识所不能解决的问题,为今后的进一步深入学习力学设下伏笔,学生学习的积极性与主动性得以提高。

2.突出思路与方法,促进学生主动思维

工程力学课在大二时开设,虽然已经有了一年的大学学习生活,但是长期以来,在应试教育的影响下,相当学生在中小学时养成的“依赖”性的学习习惯尚未完全改变。求解问题不思考如何分析,总是想着先看答案,并由此去猜过程。不会站在更高的层面看问题,想着如何用普遍规律去解决具体问题,而只喜欢“文山题海”式的战术,从大量练习中被动地慢慢体会内涵,也就是只会从众多个例来建立普遍规律。学生的计算能力普遍较高,在给定参数,利用公式计算方面基本没有问题。然而,定性分析问题的能力远远不够,而这恰恰是开展科学研究、解决工程问题的基本要素。因此,我们在课堂讲述中,淡化繁琐的数学推导,摒弃啰嗦的数字计算,强化定性分析,突出思路与方法。在促进学生主动思维方面,谢绝满堂灌与一言堂,适时展开课堂讨论,让学生在讨论中自己得出结论,在讨论结束前再提出问题,留出让学生思考的空间,让他们学会探究式的学习方法。例如,材料力学的学习中,几大基本假设可能是学生遇到的首个真正意义上的数学建模问题。讲授时不仅介绍其内容,还要说明各假设所具有的数学意义,对问题求解所起到的作用等。在拉-压、扭转应力的推导时,引导学生注意静力平衡条件、几何关系、物理关系的共同运用,在弯曲应力的推导时,自然会想到这几个方程。这样,不仅使此处进展顺利,还为将来的弹塑性分析作了铺垫。在得到弯曲正应力计算公式σ瓁=M瓂瑉I瓃时,讨论弯矩M﹜、截面惯性矩I﹝及点到中性轴距离|z|对横截面上一点正应力的影响,并以T形截面、非对称放置的铸铁外伸梁为例,让学生讨论如何布置梁能更好的达到使用目的。此时学生往往注意到了截面关于中性轴的不对称及材料拉压强度的不等,按照弯矩图的正负对截面正立或倒立作调整,当均不能达到安全使用要求时,就可能放弃。这时教师要询问,这样的调整在公式中体现了那些项的变化?是否还有别的办法?可能就有同学打破定势思维,发现弯矩其实是可以通过支座的调节而发生变化的。而对于调节到何处最好,则作为课后练习,让学生自己去求解。至于解决方法,又可开展讨论。将支座位置——相当于载荷作用位置作为未知量带入弯矩表达式,并利用高等数学极值知识进行最小值求解。并告诉学生,这就是优化设计,而优化目标就是弯矩最小(应力最小、承载能力最高)。这样讲解,学生感觉将前后知识连贯与融合起来了,视野更开阔,收获更大,对未来的学习信心更饱满。

二、用现代教育思想和手段促进教学水平不断提高

1.从简单原理出发,激发学生学习兴趣

教与学是教学活动的两个基本方面,由教师和学生共同完成。它的生动开展必须坚持以人为本的原则,既要重视发挥教师的主导作用,又必须尊重学生的主体地位。本着“兴趣是最好的老师”的理念,在教的过程中,积极引导和激发学生学习的积极性和主动性。例如,在讲摩擦时,介绍同学们热爱的F1赛车上利用摩擦原理进行的设计,螺纹拧紧自锁的原理;在学习运动学时,利用行星轮上一点的轨迹,说明钻方孔的原理(此时他们往往很惊讶);在分析截面惯性矩对弯曲应力的影响时,顺手拿起手边的钢板尺演示当沿横截面两不同主轴弯曲时,为何在一个方向易弯,而在另一个方向则很难?以弯曲的书中间鼓起部分压下时页面间的相对滑移错动,解释梁弯曲时,构件层间的剪切作用;并以此说明,若在倾斜地层中确定井位,在油气产出后地层发生沉降时,油井套管易于受地层剪切而破坏的道理。某些看似不易实现的工艺——钻方孔,难于解释的成因——套管损坏,所运用的原理其实并不复杂,作为大二学生是完全可以理解的,这极大地激发了学生的学习兴趣。这兴趣将引领他们开启探索与发现的美妙之旅。

2.重视启发教学,培养学生的创造性思维

大科学家爱因斯坦在《物理学的进化》中说:“提出一个问题往往比解决一个问题更为重要,因为解决一个问题也许是一个数学上或实验上的技巧问题。而提出新的问题、新的可能性,从新的角度看旧问题,却需要创造性的想像力,而且标志着科学的真正进步。”雕塑家罗丹说:“美不在于存在,而在于发现。”科学与艺术,两个距离多么遥远的领域,最终却统一于相同的哲学理念。社会的进步在于创造,创造的源泉在于发现。然而,长期的应试教育在很大程度上束缚了学生的创造性。他们不善于提问,面对权威时不敢提问,日积月累,最终导致只会惯性式的接受而难于发现问题。解放人的个性,培养人的独立精神与创造性,让年轻人以文明人的好奇心去接受知识,学会与他人合作沟通,是大学教育的根本与责任。为了培养学生创造性的思维习惯,在工程力学课的某些教学中,根据课程内容,我们采用问题教学模式。一方面,在提出新理论与新方法时阐述发现问题的原因,例如,在讲力线平移定理时,先问学生:如果仅依靠平行四边形法则、通过两两力线交点作平行四边形求力系的合力,会有什么问题?力系简单时、在一张足够大的纸上画图还比较好办,力系复杂时、特别是遇到两力线不相交时怎么办?能否利用汇交力系、力偶系的简化结果、同时不必画图的解析方法进行简化?另一方面,由初期的教师问学生答的方式逐步向学生问教师或其他学生答过渡,鼓励学生大胆提问。根据问题的难易程度,可以选择教师当堂答、或组织学生讨论,也可以留作课后答,或学生和老师课后查完资料再回到课堂讨论。作为教师,对于学生独立思维的创造性和勇于挑战权威和课本的批判性要接受并加以维护。这样的教学方式不仅活跃了课堂气氛,教学效果好,也让学生学会表达自己的思想,明白讨论与争鸣是沟通与合作的一种正常方式。

3.发挥多媒体优势,弥补传统教学手段的不足工程力学课的特点之一是内容丰富。反映在教学上就是板书多,需要画的图多,所用公式也多。要在课时减少情况下,按时完成教学任务,并将枯燥的内容变得生动活泼,必须借助计算机辅助教学手段,充分发挥其在视觉与听觉上的优势。通过文字、图形的动静配合、色彩的和谐搭配,吸引学生的注意力,进而激发学生的学习兴趣。我们所有课程内容都采用Powerpoint制成电子教案。为体现启发式教学过程,电子教案内容及公式按照逻辑关系编辑并逐条显示在投影屏幕上。内容中应重点突出,文字数量尽量要少,以利学生课堂上边听、边看、并适当记录。对于遇到的复杂结构,还可以通过flash动画加以演示。这样,尽管课程信息量大,由于图形形象生动、画面赏心悦目,学生不疲劳,仍能保证教学效果良好。为便于学生课下学习,我们积极利用现代化网络优势,最大限度享用公共资源,建立了学习网站。学生可在网上下载所有电子教案,在网上预约开放式实验课,网上还建立了质疑和解答区。

4.开展自主创新设计实验,提高学生动手能力

为了给学生施展创新能力提供空间,力学实验室是开放式的。学生可以预约实验及时间。除开展拉、压、弯、扭、冲击及疲劳等常规实验外,还增加了自主创新设计实验。学生可以自主选择感兴趣的问题进行实验。从实验内容、资料查阅、仪器设备选择,到实验方案与实施,所有的环节均由学生自己确定和完成。教师负责把关。如:学生选择用悬臂梁实验来验证梁横截面上正应力分布特点和材料的泊桑比。他在查阅相关资料后,经过必要的计算和分析,给出应变片布置方案、载荷范围、应变仪连接方式等。在方案经指导老师校核通过后,学生自己打磨试件、粘贴应变片、连接应变仪、安装试件、进行实验。实验完毕,写出报告并总结心得。自主设计实验锻炼了学生的动手和创造能力,学生学习的积极性也得到提高。可以说,工程力学课做到了“教、学、练”一体化。

此外,我们鼓励和扶持学生积极参加各种相关知识技能大赛,将所学的力学知识用于解决实际工程问题。如:通过指导学生参加结构大赛,学生的结构分析能力得到极大锻炼。

5.开展双语教学,为国际合作型人才培养奠定基础

为适应石化行业的发展越来越国际化、外向化、对复合型人才的需求量日益增大的特点,同时也为学生学习英语提供使用环境,工程力学课从1990年代中期就尝试全面使用双语教学。不仅特别编辑了适合于本校学生使用的英文教材,还有与之配套的英文电子教案,学生作业与考试也全部采用英文。这些年的实践使教师在双语教学上积累了丰富的经验,学生在双语教学环境的熏陶下,专业英语水平和英语写作水平均有大幅提高。学生的综合素质与工作竞争力得到提升。在石化行业国际合作型人才的选拔中,我校的毕业生颇受青睐。

三、结束语

中国石油大学(北京)力学课程组一贯重视课程建设与改革,使工程力学课做到了新内容、新体系、新方法、新手段的有机结合,保证了优良的教学效果。课程组的教师不仅做教学的骨干,更做科研的中坚,同时不断将科研成果转化为优质的教学资源,有力地促进了产学研一体化。这也是工程力学课一直保持为学校的传统优质课的重要原因。经过课程组全体教师的不懈努力,课程建设与改革取得丰厚成果,先后获得多项教学奖励。它们是:中油集团公司优秀教学成果三等奖1项;校优秀教学成果一、二、三等奖6项;校重点课程建设2项;IET教育基金青年教师奖1项;北京市高等学校优秀青年骨干教师1项;中国石油大学(北京)品牌课教师1项等。

参考文献:

[1][美]A•爱因斯坦,L英菲尔德.周道巍译.物理学的进化(Evolution of Physics).上海科技出版社,1999.

[2]方华灿.论高等学校的课堂教学.石油工业出版社,2003.

[3]张森,宗绪锋.多媒体CAI课件基本原理与制作技术.北京航空航天大学出版社,2000.