新工科背景下的“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)改革與實(shí)踐

郭寧 徐超 王樂(lè)

摘? ? 要 ：文章針對(duì)新工科背景下航空航天卓越工程師培養(yǎng)的需求，分析了“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程在教學(xué)過(guò)程中的不足，提出了教學(xué)改革目標(biāo)，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，開(kāi)展引入概念結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)、融入工程背景和典型案例分析、借助有限元仿真技術(shù)以及增加實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)等具體的教學(xué)改革，從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和構(gòu)建實(shí)踐平臺(tái)等方面提出了進(jìn)一步改革的構(gòu)想。力求讓學(xué)生在掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念的同時(shí)，不斷了解新知識(shí)，鍛煉工程能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué);航空航天;新工科;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2021）10-0012-04

為了應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，推動(dòng)工程教育改革創(chuàng)新，教育部先后開(kāi)展了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”、“新工科”建設(shè)、“雙一流”建設(shè)等教育改革規(guī)劃[1-3]，旨在培養(yǎng)造就一大批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力和高素質(zhì)的交叉復(fù)合型科技人才，為國(guó)家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)[4-5]。2019年1月9日，西北工業(yè)大學(xué)為了深入貫徹落實(shí)全國(guó)教育大會(huì)、全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議和全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神，進(jìn)一步落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，牢固樹(shù)立人才培養(yǎng)的核心地位，全面深化教育教學(xué)改革，推動(dòng)學(xué)校“雙一流”建設(shè)，召開(kāi)了人才培養(yǎng)大討論動(dòng)員大會(huì)，明確了堅(jiān)持“以學(xué)生為根、以育人為本、以學(xué)者為要、以學(xué)術(shù)為魂、以責(zé)任為重”的辦學(xué)理念，以培養(yǎng)具有家國(guó)情懷，追求卓越、引領(lǐng)未來(lái)的領(lǐng)軍人才為目標(biāo)，全面開(kāi)展人才培養(yǎng)模式改革[6-7]。

人才培養(yǎng)模式改革的基礎(chǔ)是課程改革?！帮w行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程是西北工業(yè)大學(xué)航空航天大類高年級(jí)本科生的一門(mén)必修專業(yè)核心課程。在航空航天大類的培養(yǎng)方案中，“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”具有舉足輕重的地位，是聯(lián)系基礎(chǔ)力學(xué)課程（理論力學(xué)和材料力學(xué)等）與工程設(shè)計(jì)課程（飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等）的橋梁，是從力學(xué)基本理論過(guò)渡到工程實(shí)際應(yīng)用的重要支撐[8-9]。在國(guó)內(nèi)外航空航天工程學(xué)科本科階段培養(yǎng)體系中，“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”均視為最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。

一、新工科背景下的飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革的必要性

西北工業(yè)大學(xué)所沿用的飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)體系基本來(lái)自前蘇聯(lián)，特別強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的定量計(jì)算和求解技巧，在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)尚不發(fā)達(dá)的情況下，對(duì)提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力具有重要的意義。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元分析技術(shù)的迅猛發(fā)展，工程實(shí)際中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定量分析都要借助專用有限元分析軟件進(jìn)行，并且已經(jīng)逐步寫(xiě)入行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范中。在這樣的背景下，一方面，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程所突出的適合手算或者簡(jiǎn)單計(jì)算器計(jì)算的定量分析方法在當(dāng)前工程應(yīng)用中有明顯的不足，掌握這些定量分析和求解技巧與實(shí)際工程應(yīng)用就顯得有所脫節(jié)。另一方面，大型商業(yè)軟件的應(yīng)用具有黑箱化和傻瓜化的特點(diǎn)，這就要求使用者必須具備判斷軟件分析結(jié)果的能力。換言之，培養(yǎng)學(xué)生掌握牢固的力學(xué)概念，能夠?qū)⒘W(xué)概念與實(shí)際工程進(jìn)行緊密聯(lián)系并有效融合，進(jìn)而在概念分析基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，這成為當(dāng)下和未來(lái)飛行器設(shè)計(jì)工程師培養(yǎng)的主要目標(biāo)，也符合卓越工程師和新工科教育培養(yǎng)計(jì)劃中強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的具體要求。因此，如何應(yīng)對(duì)新工科背景下航空航天卓越工程師人才培養(yǎng)的需求，針對(duì)“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)中的不足進(jìn)行適應(yīng)性改革，是目前構(gòu)建西北工業(yè)大學(xué)航空航天大類培養(yǎng)體系中亟待解決的問(wèn)題。

二、新工科背景下“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)改革目標(biāo)

立足當(dāng)前新工科人才培養(yǎng)需求，改變以往教師供給主導(dǎo)的教學(xué)模式和“重知識(shí)，輕能力;重理論，輕實(shí)踐”的教學(xué)理念，以提高學(xué)生自我認(rèn)知和技能為目標(biāo)，開(kāi)展“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)改革。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中計(jì)算能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)之上，突出結(jié)構(gòu)概念、定性分析與工程思維能力的培養(yǎng)，同時(shí)探索與培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的教學(xué)方式，從而形成集知識(shí)性、趣味性、工程性和思維性于一體的“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”創(chuàng)新性教學(xué)模式。

三、“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)改革實(shí)踐

“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的改革應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生具備堅(jiān)實(shí)的力學(xué)概念和靈活運(yùn)用基本概念定性分析結(jié)構(gòu)問(wèn)題為主線，以工程實(shí)踐為背景，以案例分析為手段，以學(xué)生的工程思維訓(xùn)練與創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為根本目標(biāo)來(lái)具體實(shí)施。

（一）從定量結(jié)構(gòu)力學(xué)到定性結(jié)構(gòu)力學(xué)

傳統(tǒng)飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)中，主要強(qiáng)調(diào)采用力法和位移法等矩陣位移分析方法對(duì)平面桁架、空間桁架、平面剛架、空間剛架和板—桿結(jié)構(gòu)等進(jìn)行定量分析。這些方法最早是在20世紀(jì)初由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法的發(fā)展不足而建立起來(lái)的一些特殊的定量計(jì)算方法。這些方法的教學(xué)占了“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的三分之二以上，具有“定量”結(jié)構(gòu)力學(xué)的特點(diǎn)。

一方面隨著商業(yè)有限元分析工具的成熟和廣泛應(yīng)用，很多傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法已經(jīng)凸顯出不足，另一方面新工科背景下的教學(xué)培養(yǎng)中更注重學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。筆者嘗試對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容從“定量”向“定性”轉(zhuǎn)變，重視力學(xué)基本概念的教學(xué)。首先，對(duì)原課程體系的定量部分內(nèi)容進(jìn)行刪減，變?yōu)樽孕迌?nèi)容。刪除的內(nèi)容有：結(jié)構(gòu)位移計(jì)算的彎矩圖乘法、摩爾圓法、變剖面機(jī)翼計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)等。增加定性結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)容，定性結(jié)構(gòu)力學(xué)也稱為概念結(jié)構(gòu)力學(xué)[10-12]，突出采用定性分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行基本認(rèn)識(shí)，掌握定性結(jié)構(gòu)力學(xué)方法是學(xué)生簡(jiǎn)化復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)，得到有限元等計(jì)算模型的基礎(chǔ)，同時(shí)也是判別有限元計(jì)算結(jié)果（如應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖等）是否正確的主要手段。另外，還新增加了傳力分析、飛行器典型結(jié)構(gòu)體系以及靜不定體系的簡(jiǎn)化分析方法等內(nèi)容。傳力分析部分重點(diǎn)講解對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的傳力分析內(nèi)容;飛行器典型結(jié)構(gòu)體系的講解以工程中蒙皮骨架和半硬殼式結(jié)構(gòu)為主要對(duì)象，將典型氣動(dòng)面承載體和艙體承力體系作為主要講授內(nèi)容，幫助學(xué)生建立基本的結(jié)構(gòu)概念體系;靜不定體系的簡(jiǎn)化分析方法重點(diǎn)講解對(duì)工程中的典型靜不定體系進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算的內(nèi)容，簡(jiǎn)化計(jì)算是指能直接手算給出各構(gòu)件大致力學(xué)狀態(tài)的方法。

（二）從理論教學(xué)到有限元仿真輔助教學(xué)

“飛行結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程內(nèi)容具有計(jì)算量大、概念抽象和邏輯性強(qiáng)等特點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中很難直觀理解結(jié)構(gòu)的受力特性和傳力特性，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法較容易地掌握理論分析方法，更談不上對(duì)其有深刻的理解。隨著力學(xué)分析軟件的普及，有限元仿真輔助教學(xué)已逐步開(kāi)始融入到力學(xué)類課程的理論教學(xué)中[13-16]。因此，筆者同樣利用商業(yè)有限元分析軟件建立了典型構(gòu)件受力特性的數(shù)字化案例庫(kù)。在此需要說(shuō)明的是，在教學(xué)中不需要對(duì)有限元分析軟件和有限元方法進(jìn)行介紹，僅僅利用商業(yè)有限元分析軟件強(qiáng)大的后處理顯示功能。

教學(xué)中，教師在講解完理論知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生利用理論知識(shí)進(jìn)行例題的練習(xí)之后，再展現(xiàn)相應(yīng)的有限元分析結(jié)果，讓學(xué)生通過(guò)對(duì)比理論結(jié)果與有限元分析結(jié)果之間的異同，并獨(dú)自分析原因，來(lái)加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。例如，在靜定薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算中“板元件的平衡”部分的教學(xué)中，我們通常的教學(xué)方法是：首先給出基本假設(shè);其次讓學(xué)生進(jìn)行板元件的受力分析;再次根據(jù)平面力系平衡求解得到未知力;最后總結(jié)出板元件的受力特點(diǎn)。具體如表1所示。

然而，經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)完此小節(jié)課程后，大多有如下疑問(wèn)：（1）桿板式薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的基本假設(shè)在解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)是否適用;（2）理論分析結(jié)果是否與實(shí)際相符;（3）如何根據(jù)分析結(jié)果來(lái)校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。為了明確回答學(xué)生提出的疑問(wèn)，我們可利用已建立的有限元數(shù)字化案例庫(kù)中的實(shí)例，利用直觀詳細(xì)的應(yīng)力云圖結(jié)果回答學(xué)生的上述疑問(wèn)。如，本小節(jié)的教學(xué)中，通過(guò)展示靜定三角形、矩形、平行四邊形和梯形桿板式薄壁結(jié)構(gòu)的有限元模型分析結(jié)果（即σ11、σ22和т12應(yīng)力云圖，詳見(jiàn)表2），首先讓學(xué)生獨(dú)立對(duì)比理論結(jié)果與有限元結(jié)果之間的差異，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力;其次，引導(dǎo)學(xué)生分析兩者結(jié)果之間的異同，深化對(duì)力學(xué)基本概念（如，板元件內(nèi)力分布假設(shè)）的認(rèn)識(shí)，并了解理論知識(shí)向?qū)嶋H工程應(yīng)用轉(zhuǎn)變時(shí)的差異，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力;最后，讓學(xué)生了解飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)理論知識(shí)在當(dāng)前飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要地位，提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的積極性。

（三）從課堂教學(xué)到工程實(shí)踐教學(xué)

根據(jù)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)，在講授新知識(shí)前，通過(guò)在線資源構(gòu)造實(shí)際工程情景，引出具體的教學(xué)內(nèi)容。例如，在桁架結(jié)構(gòu)分析部分，分別以飛機(jī)不同的著陸方式、月球車(chē)著陸等工程事件為切入點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生從工程中提煉問(wèn)題，將復(fù)雜工程問(wèn)題提煉為簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題，將復(fù)雜工程對(duì)象簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型的能力。

在結(jié)構(gòu)分析部分，首先從大量的實(shí)際結(jié)構(gòu)，如國(guó)內(nèi)外實(shí)際型號(hào)的運(yùn)載火箭、飛機(jī)和航天器等具體結(jié)構(gòu)抽取出待分析結(jié)構(gòu)，再直接應(yīng)用課程中講授的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。例如，在傳力結(jié)構(gòu)分析中，直接以我國(guó)紅旗-2號(hào)地空導(dǎo)彈彈翼為對(duì)象，進(jìn)行力學(xué)模型構(gòu)建、傳力途徑分析的教學(xué)。通過(guò)典型的工程案例式教學(xué)，讓學(xué)生在潛移默化中就能將工程思維滲透到結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程中。

為進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)概念的應(yīng)用和工程實(shí)踐能力，在改革后的課程中增加了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目前已開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：等強(qiáng)度梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究、靜定彎扭組合實(shí)驗(yàn)研究、靜定薄壁結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究、壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)研究等。增加的實(shí)踐環(huán)節(jié)有典型飛行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和傳力分析。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)部分采用小組教學(xué)的模式，學(xué)生分成若干課題小組，利用所學(xué)知識(shí)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)例設(shè)計(jì)任務(wù)，并以學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)的形式進(jìn)行成果展示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生將課堂所學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本概念、所認(rèn)識(shí)的承載體系和結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析方法等融會(huì)貫通，既強(qiáng)化了理論知識(shí)的理解，又培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)改革實(shí)踐，學(xué)生對(duì)于“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的總體滿意率較高，特別對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐等環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)較高，但目前“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)模式還可以進(jìn)一步改進(jìn)，以更好地為培養(yǎng)航空航天卓越工程師服務(wù)。

（一）進(jìn)一步優(yōu)化課程內(nèi)容

目前正處于飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)快速發(fā)展和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范快速更新期，在這一過(guò)程中，結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容也在推陳出新，如復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)、智能結(jié)構(gòu)力學(xué)等內(nèi)容;同時(shí)也有很多經(jīng)典內(nèi)容經(jīng)久不衰，被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)力學(xué)中的核心知識(shí)。如何優(yōu)化經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容，使之與當(dāng)下快速發(fā)展的結(jié)構(gòu)技術(shù)密切結(jié)合，讓學(xué)生在掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念的同時(shí)，不斷了解新的結(jié)構(gòu)知識(shí)，鍛煉工程思維能力，將是下一步課程優(yōu)化的重點(diǎn)。

（二）構(gòu)建自主式實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，學(xué)生普遍對(duì)小組式實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)很感興趣，這充分體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)加強(qiáng)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的渴望。但目前課程教學(xué)仍是教師命題和集中完成的“做作業(yè)”模式，還不能充分鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的概念應(yīng)用、工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。在今后的教學(xué)改革中，應(yīng)著重構(gòu)建開(kāi)放式結(jié)構(gòu)力學(xué)課程平臺(tái)，針對(duì)課程內(nèi)容，增設(shè)多個(gè)模擬工程實(shí)踐項(xiàng)目，供學(xué)生自主選題并可常態(tài)化開(kāi)發(fā)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐;同時(shí)充分利用3D打印等技術(shù)，鼓勵(lì)學(xué)生將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型實(shí)物化，從而真正實(shí)現(xiàn)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，全面提高航空航天卓越工程師的綜合能力。

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