省屬高校小學(xué)期基礎(chǔ)力學(xué)綜合訓(xùn)練設(shè)計(jì)與實(shí)踐

趙增輝 李龍飛 邢明錄 陳俊國

（1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.礦業(yè)工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（山東科技大學(xué)），山東 青島 266590）

○、引言

山東科技大學(xué)作為山東省重點(diǎn)建設(shè)的應(yīng)用基礎(chǔ)型人才培養(yǎng)特色名校，正在由規(guī)模擴(kuò)張轉(zhuǎn)入內(nèi)涵發(fā)展與核心競(jìng)爭力提升。近幾年，學(xué)校圍繞應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出了“優(yōu)勢(shì)、特色、內(nèi)涵統(tǒng)籌兼顧，知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展”的實(shí)踐教學(xué)建設(shè)與改革理念，先后實(shí)施了“優(yōu)質(zhì)課程工程”“實(shí)踐強(qiáng)化工程”等教學(xué)改革“十大工程”，并積極探索與應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)相適應(yīng)的多樣化人才培養(yǎng)模式。為彌補(bǔ)大學(xué)生實(shí)踐實(shí)訓(xùn)技能的短板，我校從2014級(jí)開始實(shí)施三學(xué)期制度，其基本構(gòu)成就是把一學(xué)年分成兩長學(xué)期和一小學(xué)期，并且在保持總的教學(xué)周數(shù)基本不變的情況下，在原有的兩個(gè)長學(xué)期壓縮后分別抽出較少的幾周在暑假前安排小學(xué)期。兩學(xué)期理論授課時(shí)間均為十六周，小學(xué)期一般為四周。如何適應(yīng)三學(xué)期制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，加強(qiáng)課程建設(shè)，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提升教師素質(zhì)，提高理論教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果是需要深入研究的問題。

基礎(chǔ)力學(xué)（包含理論力學(xué)、材料力學(xué)和工程力學(xué)）是高等院校工科類各專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。力學(xué)教學(xué)不僅要求學(xué)生掌握其理論知識(shí)，更重要的是加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。近年來，很多兄弟院校在基礎(chǔ)力學(xué)系列課程理論教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系以及教學(xué)資源建設(shè)等方面進(jìn)行了卓有成效的教學(xué)改革［1-8］。但對(duì)于省屬高校來說三學(xué)期制是一個(gè)新生事物，如何安排學(xué)生四周的學(xué)習(xí)活動(dòng)，特別是對(duì)于基礎(chǔ)力學(xué)這類既強(qiáng)調(diào)理論基礎(chǔ)又可以直接進(jìn)行工程應(yīng)用的課程，是需要深入探索的問題。

一、基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中存在的問題

力學(xué)這門學(xué)科有其獨(dú)特的魅力，小到一根螺栓的強(qiáng)度問題，大到航空飛機(jī)、宇宙飛船的受力問題都離不開力學(xué)知識(shí)。力學(xué)不僅滿足學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課的要求，也滿足學(xué)生畢業(yè)后從事專業(yè)工作、新項(xiàng)目研究、開發(fā)和繼續(xù)學(xué)習(xí)的要求。在基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)中實(shí)施改革，對(duì)鍛煉學(xué)生的初步研究能力和創(chuàng)新精神具有得天獨(dú)厚的條件。然而，目前基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)因受學(xué)時(shí)限制或者平臺(tái)建設(shè)缺陷而存在如下問題。

其一，基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)構(gòu)架零散。教學(xué)過程中一般著重強(qiáng)調(diào)各門課程的完整性與嚴(yán)密性，而對(duì)各門課程之間的聯(lián)系介紹得不多，至于對(duì)整個(gè)力學(xué)體系的介紹則更加少。這種教學(xué)方法導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)完之后只見樹木不見森林，缺乏對(duì)基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)概貌的了解。同時(shí)，所學(xué)的知識(shí)相對(duì)零散、割裂，難以在頭腦中形成完整的知識(shí)體系并對(duì)所學(xué)的知識(shí)實(shí)現(xiàn)融會(huì)貫通。

其二，對(duì)學(xué)生的工程視野開拓重視不夠。在以往的力學(xué)系列課程教學(xué)中，教師通常重視講授教材上的經(jīng)典力學(xué)知識(shí)，而對(duì)相關(guān)力學(xué)理論的工程應(yīng)用背景及應(yīng)用案例引入較少。這導(dǎo)致一些學(xué)生力學(xué)知識(shí)視野比較狹窄，對(duì)力學(xué)課程學(xué)習(xí)缺乏興趣。

其三，缺少對(duì)學(xué)生研究能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的環(huán)節(jié)。教學(xué)中普遍偏重知識(shí)傳授，而輕視對(duì)知識(shí)點(diǎn)探究的能力和實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于已經(jīng)學(xué)習(xí)過的經(jīng)典題目能夠比較熟練地計(jì)算，但是面對(duì)實(shí)際工程中的具體對(duì)象時(shí)卻不善于抓住問題的力學(xué)本質(zhì)，難以抽象出力學(xué)模型。同時(shí)，在解決實(shí)際問題時(shí)思路禁錮，不善于推陳出新。

綜上所述，基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)存在力學(xué)知識(shí)體系構(gòu)建不完整、知識(shí)點(diǎn)深度和寬度講授不夠、工程應(yīng)用不重視、創(chuàng)新和實(shí)踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)缺失等問題。如何更多地結(jié)合工程技術(shù)實(shí)際，使學(xué)生切實(shí)感受到基礎(chǔ)力學(xué)在提高自己專業(yè)素質(zhì)的實(shí)際意義和價(jià)值；如何引導(dǎo)學(xué)生從更深的層次上分析和理解力學(xué)知識(shí)，使學(xué)生創(chuàng)造性地應(yīng)用力學(xué)概念、原理和公式去分析和解決復(fù)雜的工程實(shí)際問題，是基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中需要解決的問題。

二、小學(xué)期基礎(chǔ)力學(xué)綜合性項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

我校在基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中逐步構(gòu)建了由“理論教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、創(chuàng)新與實(shí)踐活動(dòng)”三主線并進(jìn)，“課堂教學(xué)、知識(shí)拓展、實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)踐應(yīng)用”四環(huán)節(jié)并行，理論與實(shí)踐并重的工科基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)體系框架［9-11］（如圖1所示）。

為增加學(xué)生基礎(chǔ)力學(xué)綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)，提升創(chuàng)新與實(shí)踐活動(dòng)的效能，我?；A(chǔ)力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在2014年本科專業(yè)培養(yǎng)方案修訂中提出了增加“基礎(chǔ)力學(xué)課程設(shè)計(jì)”的設(shè)想，適逢學(xué)校從2014級(jí)開始進(jìn)行學(xué)制改革。因此，我們向?qū)W校建議在本科專業(yè)二年級(jí)的小學(xué)期增加基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐環(huán)節(jié)，目前正在力學(xué)專業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)。

圖1 工科基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)體系框架

基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐屬于一門實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程。設(shè)置這門課程的目的是使學(xué)生在完成理論力學(xué)、材料力學(xué)理論課程學(xué)習(xí)后，依托山東省骨干學(xué)科力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的開放實(shí)驗(yàn)室，綜合運(yùn)用力學(xué)的基本概念和基本理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)作品，強(qiáng)化基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，在自主的條件下實(shí)驗(yàn)，在工程的背景下實(shí)踐。也就是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段達(dá)到掌握用力學(xué)方法解決工程問題的目的。通過本課程的學(xué)習(xí)，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程以團(tuán)隊(duì)形式開展學(xué)習(xí)活動(dòng)。三四人為一個(gè)團(tuán)隊(duì)，為加強(qiáng)男女生的交流，采取男女混搭組隊(duì)。學(xué)生要在兩周的時(shí)間內(nèi)完成四個(gè)綜合性的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，其中包括理論力學(xué)和材料力學(xué)問題各四個(gè)。作品包括設(shè)計(jì)文本和實(shí)物模型兩部分。每個(gè)設(shè)計(jì)題目均應(yīng)寫出完整的解決方案，包括設(shè)計(jì)方案、理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等，最終形成《基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐》規(guī)范文本。實(shí)物部分要制作兩個(gè)相同的作品，一個(gè)用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試，另外一個(gè)由實(shí)驗(yàn)室留存。學(xué)生完成作品后，最后一個(gè)環(huán)節(jié)是制作幻燈片進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答辯。綜合性項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參考了全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽、全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽以及各學(xué)校組織的各類比賽題目。題目設(shè)計(jì)上需適應(yīng)我校力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的設(shè)備要求以方便開展測(cè)試。以下以2014級(jí)力學(xué)專業(yè)小學(xué)期創(chuàng)新實(shí)踐題目為例進(jìn)行說明。

第一題：找家鄉(xiāng)的形心

該題目要求確定本團(tuán)隊(duì)其中一位隊(duì)員的家鄉(xiāng)所在市地圖的形心位置，并以東經(jīng)×××.××°和北緯××.××°的形式將其表示出來。需采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)軟件三種方法進(jìn)行分析。

該題目是在第九屆全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽團(tuán)體賽題目的基礎(chǔ)上進(jìn)行的拓展，學(xué)生解答起來思路比較清晰。比如在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中可以采用懸掛法，大部分團(tuán)隊(duì)采用A4紙打印了所求地圖，但由于A4紙?zhí)^單薄，學(xué)生又改用質(zhì)量較好的瓦楞紙來剪裁圖形，如圖2所示。

圖2 裁剪后的瓦楞紙圖形

理論計(jì)算則將地圖描繪在坐標(biāo)紙上，采用靜力學(xué)求形心的方法，將圖形進(jìn)行分塊求解。計(jì)算機(jī)方法首先將地圖邊界以外部分用Photoshop剪裁后導(dǎo)入CAD中，生成面域，建立參考坐標(biāo)系后，通過特殊命令可以直接找出形心位置。通過這三種方法的比較分析可以進(jìn)一步提高求解的準(zhǔn)確度。通過該題目訓(xùn)練，學(xué)生掌握了求解形心的各種方法，并熟悉了MATLAB和AUTOCAD等數(shù)據(jù)處理和繪圖軟件。

第二題：承受靜壓載荷的臺(tái)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)工程臺(tái)式承載結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室模型并進(jìn)行加載破壞試驗(yàn)。材料限用打印紙、文具用膠水、軟線，上下端面用包裝瓦楞紙板（可利用商品廢棄包裝箱截?。?，層數(shù)和組合方式自定。圖3為某團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的三棱柱型支撐平臺(tái)。該結(jié)構(gòu)的主體為九根垂直地面的長支柱，每三根為一組固定在瓦楞紙上，每根呈空心圓筒狀。每一根長支柱由兩根短圓筒通過銷接組成，上下表面均為瓦楞紙板，互相平行。結(jié)構(gòu)側(cè)面采用細(xì)圓管為輔助支撐結(jié)構(gòu)。整個(gè)模型上下對(duì)稱，使每根相等圓柱受壓均勻。學(xué)生在設(shè)計(jì)中充分考慮了截面圖形幾何性質(zhì)、壓桿穩(wěn)定、二力桿、連接點(diǎn)受力等眾多問題。

圖3 承壓平臺(tái)設(shè)計(jì)圖

圖4為該平臺(tái)的加載失穩(wěn)曲線。測(cè)試結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最大承載力為445N，自重為150g（1.47N），結(jié)構(gòu)自重比為302.72。上升階段出現(xiàn)突變是由于加載過程中出現(xiàn)了相對(duì)滑動(dòng)和桿之間出現(xiàn)相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。學(xué)生通過該題目能夠?qū)崿F(xiàn)材料力學(xué)知識(shí)的串聯(lián)，并掌握實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法。對(duì)加載曲線出現(xiàn)的異常能夠結(jié)合力學(xué)知識(shí)進(jìn)行解釋，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖4 支撐平臺(tái)加載失穩(wěn)曲線

第三題：橋梁模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作

該題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)只有一個(gè)主跨，次跨不限，且具有工程參考價(jià)值的橋梁，材料同第二題。要求能實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)彎曲加載。評(píng)價(jià)方式為結(jié)構(gòu)模型在靜載下的力學(xué)行為，如撓度、承載能力、最先破壞位置、穩(wěn)定性，兼顧考慮設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)造型及工藝水平。題目比較開放，給了學(xué)生極大的發(fā)揮空間。如圖5為學(xué)生在進(jìn)行斜拉橋的加載試驗(yàn)。

圖5 斜拉橋加載試驗(yàn)

圖6為該模型的三點(diǎn)彎曲加載曲線。根據(jù)曲線特征，學(xué)生從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)誤差、材料誤差、模型制作誤差等多個(gè)方面對(duì)該橋梁的理論承載能力、實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較分析。這些能力是在平時(shí)作業(yè)中無法訓(xùn)練出來的。

圖6 橋梁的加載曲線

第四題：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該題目要求利用運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)制作一個(gè)機(jī)構(gòu)，利用該機(jī)構(gòu)，可以把原始圖形在x方向放大一倍，在y方向收縮為原始圖形的一半。該題來源于第八屆全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽團(tuán)體賽，我校學(xué)生在參賽時(shí)該題做得非常不理想，因此，我們特意將該題移植到小學(xué)期創(chuàng)新設(shè)計(jì)中進(jìn)行訓(xùn)練。圖7為某團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的圖形變換裝置示意圖。用薄木條及銷釘設(shè)計(jì)制作平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用菱形的對(duì)稱性，使得機(jī)構(gòu)中的兩支筆，一支沿著原始圖形的外部邊界運(yùn)動(dòng)，另一支筆畫出變形后的圖形，實(shí)現(xiàn)圖形在兩個(gè)方向上的放大與縮小。

圖7 圖形變換裝置示意圖

圖8是對(duì)第一題所用地圖進(jìn)行的變換結(jié)果。制作與安裝機(jī)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的誤差會(huì)對(duì)變換效果有一定影響。通過該題，學(xué)生進(jìn)一步加深了對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)以及坐標(biāo)變換相關(guān)理論的理解，有的學(xué)生甚至進(jìn)一步制作了該裝置的動(dòng)畫。

圖8 地圖圖形變換

學(xué)生經(jīng)過為期兩周的設(shè)計(jì)實(shí)踐，強(qiáng)化了基礎(chǔ)力學(xué)的理論，通過理論與實(shí)踐結(jié)合極大地提高了學(xué)習(xí)興趣。很多學(xué)生在最后答辯中很中肯地分析了自己團(tuán)隊(duì)在理論儲(chǔ)備、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?shù)據(jù)分析乃至團(tuán)隊(duì)合作方面存在的問題。

三、結(jié)論

山東科技大學(xué)作為山東省重點(diǎn)建設(shè)的應(yīng)用基礎(chǔ)型人才培養(yǎng)特色名校，正在積極進(jìn)行教學(xué)改革，以適應(yīng)應(yīng)用基礎(chǔ)型人才的培養(yǎng)需求。其中三學(xué)期制的實(shí)施給基礎(chǔ)力學(xué)的教學(xué)模式和教學(xué)方法改革帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文就如何在小學(xué)期開展基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)工作進(jìn)行了初步探索，所得的主要結(jié)論及存在問題如下。

（1）小學(xué)期開展基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)與理論授課、課程實(shí)驗(yàn)的對(duì)接，形成理論→試驗(yàn)→創(chuàng)新實(shí)踐層層遞進(jìn)的教學(xué)體系，從知識(shí)的片段化到綜合運(yùn)用，逐步增強(qiáng)學(xué)生的力學(xué)理論功底和應(yīng)用能力。

（2）以團(tuán)隊(duì)形式開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可以提高學(xué)生的協(xié)作能力和動(dòng)手能力，使學(xué)生清醒地認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力在科學(xué)研究中的重要性，鍛煉學(xué)生的研究思維，起到課堂教學(xué)無法取代的作用。

（3）目前，基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐環(huán)節(jié)在力學(xué)專業(yè)還處于試點(diǎn)階段，如何利用有限的平臺(tái)在各工科專業(yè)鋪開推廣，是需要進(jìn)一步探索的問題。