工程力学教学中“力学建模”与工程案例相结合的实践研究

摘要：工程力学涉及大量的工程案例，在许多工程技术领域中有着广泛的应用。本文建议从课堂教学、实验教学和考核形式三个方面实施“力学建模”与工程案例相结合的教学模式。

关键词：工程力学；力学建模；工程案例；工程应用

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）35-0083-02

一、力学建模与工程案例相结合的教学具有重要意义

工程力学课程的能力培养要求是使学生通过系列基础课程的学习提高：（1）建模能力；（2）分析计算能力；（3）实验能力；（4）自学能力。工程力学是一门兼有基础理论和应用技术两重性质的技术基础课，它要求学生不仅要掌握课程要求的基本理论，而且要求学生具有将实际问题抽象为力学模型的能力和处理工程中有关力学问题的能力。工程力学涉及大量的工程案例，在许多工程技术领域中有着广泛的应用。工程力学教学中实施“力学建模”与工程实际案例相结合，培养学生应用力学的基本理论和方法分析、解决一些工程实际问题，具有重要的理论和实际意义。

二、工程力学教学中存在的典型问题

1.教材方面。国内近几年有关工程力学课程及其教材的建设成果颇为丰硕，但是教材中基本没有系统介绍建模的内容，而是直接给出力学模型，讲解理论概念及模型的计算方法[1]。教材中问题的提出、概念的引入缺乏明确的工程背景介绍。工程力学是一门兼有基础理论和应用技术两重性质的技术基础课，现有教材建设没有依托具体的学科专业深化展开，需要适量增补一些富有专业实践性或趣味性的教学素材。同时高校生源质量良莠不齐，以及出于教学学时数大幅缩减，工程力学教材降低了其所编内容的难度，删除了偏难的理论分析和公式推导，忽视了不同基础学生的多层次需求。工程力学教材的课后习题多数偏重于某个具体理论或公式的分析与运用，很少引入生产实践中基于力学分析的综合运用实例，没有发挥出课后习题应有的功效。

2.教师方面。一方面传统教学方法侧重于对工程力学课本中概念的讲解，虽然学生能掌握力学解题思路，但其弊端是形式呆板、内容枯燥，难以提高学生的学习兴趣。这就需要教师弱化理论推演，加强应用环节的讲解。另一个方面长期以来工程力学的教学改革侧重于课程内容和教学方法的研究，忽视课程与工程实践密切联系的特性，因而不能很好地调动学生的学习积极性和培养学生的创新能力。同时许多工科教师毕业留校直接从事教学工作[2]，缺乏实际工作经验，难以掌握。这就要求教师具有深厚的力学知识和宽广的知识结构，加强实践学习，将科研项目总结为工程力学问题，授课时对学生进行结合专业的创新性引导和启发。

3.学生方面。工程力学是在大学里最初接触到与工程实际密切相关的主要课程之一，它具有理论性强、系统性强、逻辑严密、比较抽象、与工程实际具有一定联系等特点。但学生实践经验少，综合分析工程实际问题的能力差，这给学生学习这门课程造成了很大困难。我校大规模扩招后，高校生源的质量良莠不齐。同时基础课程的教学中，如高等数学和大学物理，有些教学环节的实施不到位，教学效果不是很理想，直接影响学生工程力学的学习效果。而科学技术的高速发展使得力学的研究对象更加复杂，力学的基础性、交叉性、技术性的学科特点更加明显，这也增加了学生学习力学的难度。

三、力学建模与工程案例相结合教学的几点建议

建模是指根据具体问题选择合理的计算模型，建立工程构件力学模型，并根据力学基本原理建立相应数学模型，它是将力学理论应用到实践的必要过程。下面从课堂教学、实验教学和考核三个方面论述力学建模与工程案例相结合教学模式。

1.结合典型力学案例让学生掌握建模。力学建模是联结力学与工程应用最为重要的纽带，课堂上老师要向学生介绍力学建模的基本知识。所谓建模指的是用某种形式或模式去近视描述、模拟所考察对象本身及其变化过程的现象和规律。一个理想的模型既能反映考察问题的根本特征，同时可以量化求解的模型，应满足：可靠性和适用性。建模时必须对与考察问题有关事物进行详尽和深入的分析，建模研究包含以下三个方面：（1）模型的建立；（2）模型参数的估计；（3）模型的检验。工程力学理论性很强并紧密联系工程实际，而学生实践经验少，直接影响学生综合分析工程实际问题的能力。课堂上工程问题的提出，首先是介绍它的工程背景，除了必要的语言描述，还通过大量图片和影音资料进行介绍，提高学生的感性认识。教师还要鼓励学生用所学的知识去解决问题，帮助学生学习对问题的界定，了解实际工程问题与计算简图之间的差距。教会学生将具体的工程实际问题抽象为力学模型的方法，要求所建的模型能接受实践的检验并做出相应的修正，使科学研究的模型计算成果接近于实际。教师应注意搜集和积累一些与工程力学相关的典型案例，有目的地选择密切联系工程实际和日常生活的例题，在讲解例题时，突出对实际问题的简化、建模的过程，注重培养学生运用所学的基本理论和方法去分析和解决工程实际问题的能力[3]。

2.借助实验进一步提高学生建模能力。实验和理论在工程力学中占有同等重要的地位，但是我校在力学教学中存在着重理论、轻实验的现象。现有的一些实践课程大都是为验证课堂教学所传授的知识而开设的，只注重教授学生求解具体的力学理论问题，而忽视通过实验培养学生将工程实际问题提炼成力学模型，培养学生灵活运用理论知识解决实际问题的能力[4]。实验教学中应该精简验证性实验内容，增加综合性与研究型实验项目。为适应不同层次学生的教学需要，结合课程性质和课程内容，从科研项目中提炼出一些具有工程背景的综合性与研究型实验项目，让学生综合运用基础理论知识，建立其力学模型，研究其理论解决方案，再用实验结果来检验力学模型[5]。这样不仅丰富了实验教学内容，充分调动了学生学习的积极性和主动性，提高了教学质量。学生通过“实验到理论再到实验”的过程，提高自身研究问题和解决问题的能力。同时根据需要可以开展模拟实验，它作为真实实验在一定条件下的替代具有明显的优势，模拟实验的表现形式有：（1）实物演示实验；（2）数值模拟实验；（3）人机交互模拟实验。目前一些高校已经开始用MATLAB软件为工程力学进行模拟计算和实验，可以借鉴这些先进成果进行转化应用。

3.增加力学建模考核内容。目前我校仍然采用课后习题作业和闭卷考试作为考核学生的基本手段，这种方式考查学生记忆能力的较多，不利于发挥学生运用知识和动手实践的能力。因此，有必要对现行考试方法和考试内容加以改革。平时的考核可以采用课后习题作业、实验操作和读书报告的形式[6]，课后习题是适量的基本概念的考核和理论计算；实验内容应贴近于工程实际，让学生综合运用理论知识，建立其力学模型，研究其理论解决方案；读书报告要求学生就一个工程实践中的力学问题，根据力学基本概念和定理对问题进行抽象简化并建立其力学模型，然后利用所学的理论知识确定计算方法，最后进行分析计算并给出解答。期末考试内容不仅包括考核学生掌握力学基本概念的能力，还包括考核学生应用力学理论知识分析和解决问题的能力。例如，给定一个简单的典型力学问题，让学生简化力学模型，给出受力分析，为各构件选取材料及截面形状和尺寸，并对该结构存在的问题谈自己的看法。这种考核方式注重培养学生解决力学问题的能力和对所学工程力学知识进行归纳、总结的能力。

参考文献：

[1]杨冠声.工程力学建模[J].天津职业院校联合学报，2007，（11）：12-15.

[2]黎杰松.浅析大学工程师教育存在的问题及对策[J].华北水利水电学院学报（社科版），2012，（4）：155-157.

[3]周丽珍，张涛.勘查技术与工程专业的“工程力学”课程教学方法探索[J].中国地质教育，2010，（增）；

[4]张涛，周丽珍.加强高校实验室建设培养学生创新思维[J].中国地质教育，2007，（增）.

[5]王彦生，侯中华.创建工程力学实验教学示范中心培养创新型人才[J].实验室研究与探索，2010，（8）：75-77.

[6]刘永寿，支希哲.工科理论力学考试改革的理论与实践[J].力学与实践，2004，（26）：68-69.

基金项目：中国地质大学（武汉）教学研究项目（2012B07）

作者简介：周丽珍（1979-），女，在读博士研究生，讲师，主要从事工程力学方面的教学和科研工作。