面向应用型人才的工程力学系列课程的教学研究

摘要：工程力学系列课程是一类工程应用背景较强的课程体系，应用型工科本科院校在教学中应该根据应用型人才的特点对课程体系、教学内容和教学方法进行改革，突出加强CAE技术方面的上机教学，努力处理好工程力学系列课程基础理论教学与提高解决实际力学工程问题能力的关系。着眼于面向培养综合性应用型人才的目标，搞好工程力学系列课程的教学工作。

关键词：应用型人才 工程力学系列课程 教学改革 CAE

一、前言

21世纪，科技和经济在迅猛发展，社会对人才的需求正在发生着深刻的变化，既需要理论水平高的研究型人才，也需要大量的综合性应用型人才。这对以培养综合性应用型人才为主的应用型工科本科院校来说，就提出了新的要求和新的挑战。

面向未来，以培养综合性应用型人才和素质教育为目的，针对应用型工科本科院校的工程力学系列课程的教学现状，从课程体系的安排、教学次序与教学内容的优化调整、教学方法和手段的改进以及考试方法改革等方面，进行了工程力学系列课程的教学改革的研究与探索，提出了科学有效的改革措施，对适应经济建设的需要和提高学生解决实际力学工程问题的能力都具有极大的促进作用。

二、工程力学系列课程的课程体系的探索

工程力学系列课程的课程体系一般大致为三种情况：1.力学类专业主要为：理论力学（含分析力学内容）、材料力学、结构力学、流体力学、工程热力学、弹性力学、板壳理论、实验力学、振动力学、有限元法、CAE工程软件应用、非线性力学基本理论等。2.建筑结构类专业主要为：理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、有限元法、CAE工程软件应用等。3.机械类专业主要为：理论力学、材料力学、流体力学等。

对于力学类专业来说，工程力学系列课程的课程体系比较完善，但是，工程力学理论总是与实际工程问题相结合的，而且市场上急需综合性的应用型人才，所以力学类专业必须与建筑结构类专业或者机械类专业进行适当的融合，力学类专业的学生除了熟练掌握CAE（计算机辅助工程即计算机力学分析）技术之外，还应该掌握一定的建筑结构类方向或者机械类方向的CAD与CAM技术。

对于建筑结构类专业来说，工程力学系列课程的课程体系基本上满足要求，但是建筑结构类专业的学生除了熟练掌握建筑结构工程方面的专业技术之外，还应该进一步加强对工程力学系列课程的重视，基本掌握CAE技术。

对于机械类专业来说，工程力学系列课程的课程体系不太满足要求，除了开设理论力学和材料力学之外，还应该开设弹性力学、有限元法、CAE工程软件应用等课程，让机械类的学生既能够熟练掌握CAD与CAM技术，还能够基本上学会CAE技术。

三、工程力学系列课程的教学次序与教学内容优化

工程力学系列课程的教学次序可以进行优化调整，第一层次首先开设理论力学课程，第二层次可以开设材料力学、结构力学、流体力学等基础力学课程，第三层次开设弹性力学、板壳理论、实验力学、振动力学等专业力学课程，第四层次开设有限元法与CAE工程软件应用等计算机力学分析课程。

为了提高学生对学习工程力学系列课程的兴趣与积极性，可以将CAE工程软件应用中的简单结构的力学分析方法对应地贯穿到各门工程力学课程中去。例如在理论力学课程中安排上机对桁架结构进行计算机力学分析，在材料力学课程中安排上机对轴向拉压、纯弯曲、纯扭转等进行计算机力学分析，在结构力学课程中安排上机对刚架结构进行计算机力学分析等。

工程力学系列课程是一类工程应用背景较强的课程体系，根据应用型人才的特点在教学中需要对某些教学内容例如基本概念、计算步骤和理论公式的教学内容进行改革。工程力学的传统教学注重学生计算能力的培养，而概念性内容的教学和训练却不够，实际上对于工程技术人员来说，日常遇到的技术问题更是概念性和经验性的居多。因此，在工程力学系列课程的教学中应该适当削减计算性内容，增加概念性和实践性内容。例如，在课堂教学中增设模型演示教学环节，现场教学参观实习工厂和建筑结构等，教学与实践相结合，强化学生对概念性内容的理解。通常学生对工程力学系列课程的基础理论尤其是理论公式推导的学习不感兴趣，所以理论教学时应根据培养应用型人才的目标，在授课中一方面只需要简要说明推导过程，另一方面要形象化地重点讲清物理概念、理论结论和计算公式的含义与适用条件。例如在有限元法中着重讲解有限元法的应用情况、基本步骤与各种常用单元的特点，指导学生理解单元分析方法与整体集成分析的规则而不要求去研究详细的推导过程。总之，应该精简公式推导与计算方面的一些内容，突出培养应用型人才的技能和实用性，提高学生学习工程力学系列课程的兴趣和主动性。

根据培养应用型人才的特点，在工程力学系列课程的教学中，应该重点突出CAE技术的教学，指导学生努力学会CAE技术。基于工程力学基本理论和有限元法的CAE技术是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种在计算数学、计算力学和计算工程科学领域最有效的现代计算方法，CAE技术可以进一步地解决各种复杂的工程力学问题。目前CAE技术的应用已经从固体力学领域发展到流体力学、热力学、电磁学、声学、光学、生物学等诸多领域的耦合场问题。CAE技术已经成为工程设计与分析中的现代方法，需要越来越多的工程技术人员掌握这种现代技术。所以，学生在学习工程力学系列课程的基本理论的同时，必须同时努力学会CAE技术。

四、工程力学系列课程的教学方法和手段方面的改进

（一）坚持走产学研相结合的道路

教师在参加科研活动中，一方面使科研与实际工作相结合，另一方面教师把在参加科研活动中总结的实践经验，掌握的高新技术知识带到课堂中去，既丰富了教学内容，又拓宽了学生的知识面，同时在这良好的产学研氛围中，学生也得到了良好的工程实践和应用能力的培养，产学研相结合的办学道路产生了良好的经济效益、社会效益和教学效益。

（二）突出加强CAE技术方面的上机教学

结合计算机技术的迅速发展和推广，应该大力促进学生掌握CAE工程软件的应用，将工程力学系列课程的计算机分析引入教学，在各门工程力学系列课程中设置必要的上机学时，突出加强CAE技术方面的上机教学环节，更新工程力学的计算手段，提高学生学习工程力学系列课程的兴趣。

（三）采用写分析报告和写论文的方法

因势利导，多方位培养学生的创造性思维能力。给学有余力的学生布置一些与工程力学内容关联较大的实际工程问题，要求他们查阅相关资料，写出力学建模与分析报告；鼓励他们自己针对某一工程力学问题写论文，写出一些颇有新意的论文，培养独立思考工程力学问题的能力。特别是在毕业论文阶段更应该如此，努力加强学生自学与独立分析实际力学工程问题的能力。

（四）实行半自学模式

充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用。学校教育以教师为主导，教师的主导作用主要通过讲课来实现。学生是学习的主体，在教与学这两个方面，学生是内因。自学是一种激发学生主动思维的方法，为了培养学生的自学能力，实行教师启发式精讲与学生自学相结合的“半自学”模式是比较适宜的。例如在有限元法中讲完平面问题有限元法后将空间问题有限元法交给学生自学。自学的模式为：自学前，给出自学指导；自学时，给予相应学时，集中自学，教师到堂答疑；自学后，以课堂提问的形式检查自学效果，并将结果计入平时成绩。实践证明，经过这种“半自学”模式训练的学生，自学能力会有显著的提高。

（五）适当渗透学科发展的新动态

以加强培养技能为中心、积极扩展知识为补充的方式进行教学，在讲课中顺理成章地寻找合适的机会渗透学科发展的前沿知识。这样可以打开学生的课堂思维模式，扩展学生的知识面，增强学生的求知欲望。

（六）改革实验教学，加强学生实验动手能力的培养

一方面在静态测量的基础上，扩充了动应变、瞬态应变的测试。另一方面根据素质教育和创新能力培养的要求，开发了“网上开放式实验教学应用系统”，搭建了虚拟和实际操作两个实验教学平台，加强学生创新精神和实践能力的培养。

（七）多媒体课件与精品课程网页的应用

开发了工程力学系列课程CAI多媒体课件，课堂上采用多媒体，加强了如何从工程实际问题进行力学建模的教学，加大了课堂教学信息量，另外动画的效果和作用是其他教学手段无法实现的，工程力学系列课程中利用动画模拟演示变形过程，形象直观，可以加强教学效果，加深学生对知识的理解。同时还在校园网上建设了工程力学系列课程的精品课程主页，提供了促进学生主动学习的扩充性教学资料，提高了教学效果。长期以来，工程力学系列课程的教学都是采用传统的教学方法，而现在多媒体技术的应用给力学教学改革带来一片生机。利用多媒体技术对文本、声音、图形、图像、动画等进行综合处理，编制计算机辅助教学课件，能充分创造出一个图文并茂、有声有色、生动逼真的教学环境，为教师教学的顺利实施提供良好的保障。

五、工程力学系列课程的考试方法的改革

工程力学系列课程长期以来基本上都是采用闭卷考试，闭卷考试存在一些不利因素。例如闭卷考试会使学生将大量时间和精力花费在需要记忆的公式上，当某一道题的公式没有记住时，这道题有可能就是空白导致无法得分。由于这些不利因素，闭卷考试使教师们出题的范围受到了限制。所以，工程力学系列课程的考试方法应该进行改革。

工程力学系列课程可以采取闭卷、开卷和半开卷半闭卷等多种考试形式。

其中半开卷半闭卷的考试形式介于闭卷考试和开卷考试之间，是一种形式较为新颖的考试方式。半开卷是指将课本中某些复杂公式、参数、图形表等打印出来，连同考卷一起发给学生，供学生参考；半闭卷是严禁学生将课本、复习资料等带进考场。这种半开卷半闭卷的考试方式，一方面可以大大减轻学生的学习负担和考试压力，另一方面可以适当拓宽教师出题的深度和广度。

工程力学系列课程还可以采取闭卷考试与课外写力学建模与分析报告等大作业相结合的形式。闭卷考试可以主要考查学生对基本概念与基本理论知识的掌握程度，而力学建模与分析报告等大作业可以主要考查学生解决实际力学工程问题的综合性应用能力。

总之，针对应用型人才的特点，应该鼓励采取半开卷半闭卷考试或者采取闭卷考试与课外写力学建模与分析报告等大作业相结合的形式。

六、结语

随着时代的发展，工程力学系列课程的内容在不断更新，工程力学的应用也在不断深入，因此工程力学系列课程的教学改革将是一项长期而艰巨的任务。对于应用型工科本科院校，应该不断总结经验教训，不断尝试先进的教学方法和手段，努力加强工程力学基本理论和CAE技术的教学质量，重点突出CAE技术方面的上机教学环节，为提高人才培养质量特别是面向应用型人才的培养质量作出积极的贡献。

参考文献：

[1]韦成龙，李学罡.材料力学教学内容改革的研究与实践[J].力学与实践，2002，（03）.

[2]乔继彤.理论力学的教学实践[J].力学与实践，2003，（05）.

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[4]杨德广.高等教育学[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5]陈琦，刘儒德.当代教育心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2007.

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