［摘要］為適應21世紀高等教育與工程建設的需要，土建類(lèi)力學(xué)課程教學(xué)改革應圍繞教學(xué)內容、教學(xué)方法及教學(xué)手段下工夫，充分利用現代先進(jìn)技術(shù)和手段，加強實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節，注重實(shí)驗教學(xué)和學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng )新能力的培養，使之在培養具有現代工程素質(zhì)的工程師方面發(fā)揮更大的作用。
［關(guān)鍵詞］力學(xué)教學(xué)實(shí)驗教學(xué)教學(xué)改革
［中圖分類(lèi)號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）10-0044-03一、引言
理論力學(xué)、材料力學(xué)、結構力學(xué)等力學(xué)課程是高等院校土建類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)核心基礎課,對這些課程力學(xué)知識的了解和掌握透徹與否，直接關(guān)系到后續專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。多年來(lái)，土建類(lèi)力學(xué)課程的教學(xué)內容以經(jīng)典的力學(xué)理論和傳統的實(shí)驗方法為主，課程的一些內容已滯后于現代科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展，在教學(xué)方法上雖然引入了多媒體教學(xué)，通過(guò)直觀(guān)形象的圖像、動(dòng)畫(huà)等來(lái)加強學(xué)生對概念、公式的理解，通過(guò)工程實(shí)例的圖片加深對一些工程實(shí)際應用的感性認識，但仍存在互動(dòng)性不足、知識面狹窄、缺乏新穎性等許多問(wèn)題，主要體現在以下幾方面。
（一） 理論聯(lián)系實(shí)際不夠緊密
現在的學(xué)生工程知識較為貧乏，在力學(xué)課程教學(xué)和實(shí)踐中若不進(jìn)行這方面的補充訓練，很容易將工程背景較強的力學(xué)課程教學(xué)偏向純理論性的推導和計算,而忽視了實(shí)踐內容，結果是部分學(xué)生甚至看不懂習題中簡(jiǎn)圖的工作原理，理論與實(shí)際有較嚴重的脫節。同時(shí)當前力學(xué)教材中選編的例題和習題，大多缺乏工程色彩，很難使學(xué)生得到對實(shí)際的工程問(wèn)題經(jīng)過(guò)抽象、簡(jiǎn)化從而建立力學(xué)模型的訓練。
（二） 實(shí)驗教學(xué)內容陳舊，不能反映現代科技的發(fā)展
目前力學(xué)實(shí)驗主要為驗證性實(shí)驗，學(xué)生只能按部就班地完成既定的實(shí)驗內容，限制了學(xué)生學(xué)習能動(dòng)性的發(fā)揮，束縛了學(xué)生的創(chuàng )新意識和創(chuàng )新能力。力學(xué)實(shí)驗不僅具有傳授力學(xué)知識、為驗證力學(xué)理論服務(wù)的作用, 同時(shí)肩負著(zhù)全面培養學(xué)生掌握科學(xué)實(shí)驗的基本技能、基本方法和獨立進(jìn)行實(shí)驗以解決工程實(shí)際問(wèn)題能力的責任，在培養學(xué)生的工程能力和科學(xué)素質(zhì)方面具有重要的作用。
（三）實(shí)踐內容和方法陳舊單一
未能充分利用各種現代先進(jìn)技術(shù)和手段，例如在教學(xué)內容和習題訓練中大多沒(méi)有引入利用計算機和現代專(zhuān)業(yè)工具求解的內容, 削弱了對學(xué)生借助現代先進(jìn)技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題手段和能力的培養；在課程設計和畢業(yè)設計中，多數仍然采用傳統的手算方式，即使應用了像PKPM之類(lèi)的專(zhuān)業(yè)工具，也由于缺乏對其內在力學(xué)原理和方法較深入的理解和掌握，使學(xué)生知其然，而不知其所以然，不能有效地培養學(xué)生的創(chuàng )新思維與實(shí)踐動(dòng)手能力。
當前，高校土建類(lèi)專(zhuān)業(yè)建設必須適應培養具有現代工程素質(zhì)的創(chuàng )新人才的需要，因此對其力學(xué)課程教學(xué)改革更要充分利用和發(fā)揮現代先進(jìn)技術(shù)和手段，培養學(xué)生的學(xué)習能力、實(shí)踐能力和創(chuàng )新能力，最大限度地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。
二、充分利用現代先進(jìn)技術(shù)和手段，加強力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)
（一） 應用MATLAB/MAPLE現代數學(xué)工具，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力
在力學(xué)課程教學(xué)和實(shí)踐中，嘗試引入一些新內容、新方法，使學(xué)生了解如何用計算機建立問(wèn)題的力學(xué)模型以及如何用計算機求解問(wèn)題，改變和淡化傳統課程體系中對技巧性解題方法的過(guò)分強調，培養學(xué)生的現代工程素質(zhì)，使學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中同時(shí)加強動(dòng)手實(shí)踐能力。
MATLAB/MAPLE軟件是當前廣泛使用的現代數學(xué)工具，提供了豐富強大的微積分、線(xiàn)性代數、矩陣運算、數據處理、圖形繪制和圖像處理功能，命令表達式與標準教科書(shū)中的數學(xué)表達式相近，使用界面友好，易學(xué)易用，只需聽(tīng)幾小時(shí)課，上機練幾小時(shí)，就可以入門(mén)，以后自學(xué)也十分方便，對學(xué)生而言，是一個(gè)真正的集成化的計算工具環(huán)境。在理論力學(xué)教學(xué)中，借助MATLAB/MAPLE的強大功能，可以大大豐富多媒體教學(xué)的手段，理論力學(xué)涉及大量的受力分析圖、運動(dòng)分析圖，常規教學(xué)中畫(huà)這些圖需要占用大量課堂時(shí)間，并且畫(huà)的圖也很不規范，特別是涉及復雜運動(dòng)，絕對運動(dòng)分解為牽連運動(dòng)和相對運動(dòng)時(shí)，要表明運動(dòng)軌跡之間、速度之間的關(guān)系，常規教學(xué)方法不易表達清楚,利用MATLAB/MAPLE的圖片、動(dòng)畫(huà)演示功能, 可以將許多機械運動(dòng)——如牛頭刨床、蕩木機構、搖桿運動(dòng)、曲柄滑塊、車(chē)床車(chē)削、彈簧系統等運動(dòng)形式做成生動(dòng)的課件，使學(xué)生對運動(dòng)的特點(diǎn)有形象、生動(dòng)、直觀(guān)的了解，有利于學(xué)生學(xué)習和掌握。在材料力學(xué)、結構力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，構件任意橫截面上的內力計算以及構件的內力圖（剪力圖、彎矩圖等）繪制是學(xué)生必須熟練掌握的基本功之一，利用MATLAB/MAPLE的符號計算功能，可以直觀(guān)地列出任意橫截面上的剪力方程、彎矩方程，并據此利用繪圖功能方便地繪制相應的內力圖。力學(xué)的傳統教學(xué)是通過(guò)做習題方式來(lái)培養學(xué)生的計算能力的，在課堂教學(xué)和習題訓練中應用MATLAB/MAPLE，使學(xué)生可以直觀(guān)地學(xué)習到，如何以理論公式為基礎對問(wèn)題進(jìn)行分析求解，其分析思考過(guò)程與傳統教學(xué)方式是一致的，但是將紙和筆換成了計算機和專(zhuān)業(yè)工具軟件，這樣不僅強化了傳統教學(xué)模式著(zhù)力培養的分析推理能力，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生采用新方法、新手段解決工程問(wèn)題的學(xué)習積極性，是集問(wèn)題力學(xué)建模、分析和計算于一體的綜合訓練，是一種面向能力培養的教學(xué)模式。
當然將MATLAB/MAPLE現代數學(xué)工具應用于土建類(lèi)力學(xué)課程教學(xué)和實(shí)踐的課時(shí)數畢竟是極其有限的，只能起到引導學(xué)生入門(mén)的作用，但這對培養學(xué)生如何把實(shí)際問(wèn)題表示成計算機能處理的力學(xué)模型是有積極的推動(dòng)作用的，同時(shí)也能更加激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，學(xué)生從中學(xué)到的不僅僅是會(huì )用MATLAB/MAPLE數學(xué)工具畫(huà)圖、公式求解和做數值計算，他們真正學(xué)到的是如何運用這些現代化的先進(jìn)手段去學(xué)習掌握知識和研究解決實(shí)際問(wèn)題，而具備這種能力才符合全面素質(zhì)教育的要求，符合知識經(jīng)濟時(shí)代的需要。
（二）利用計算機輔助工程（CAE）手段，拓展學(xué)生現代工程知識
計算機輔助工程（CAE）是隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅速發(fā)展而興起的信息與工程技術(shù)，借助計算機和相關(guān)的專(zhuān)業(yè)軟件，科技工作者、工程技術(shù)人員可以完成以前很難通過(guò)手工計算實(shí)現的重大工程和工業(yè)產(chǎn)品的分析計算、模擬仿真與優(yōu)化設計等過(guò)程，是輔助人類(lèi)進(jìn)行創(chuàng )新研究、創(chuàng )新設計的重要手段，在科學(xué)研究、工程建設和學(xué)習教育方面有著(zhù)廣泛的應用前景。當前，象ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA、SAP等CAE軟件在高等院校和工程界都使用的相當普遍，已成為人們解決各類(lèi)問(wèn)題必不可少的輔助工具。
力學(xué)的各門(mén)課程因其教學(xué)內容和體系結構不同，宜采用相應的CAE工具加強其實(shí)踐教學(xué)環(huán)節，例如對于材料力學(xué)、結構力學(xué)，由于它們是實(shí)踐性比較強的課程，在教學(xué)手段上更要積極引入計算機輔助教學(xué)、計算機仿真模擬。在這方面，ANSYS軟件是一個(gè)不錯的選擇。目前該軟件在土木工程、機械制造、航空航天、交通運輸、石油化工、能源及醫學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，許多高等院校將ANSYS作為本科生和研究生教學(xué)的一項重要內容。利用ANSYS軟件的優(yōu)勢，將力學(xué)課程的教學(xué)內容與ANSYS軟件的數值仿真技術(shù)結合起來(lái)，能有效地提高學(xué)生的學(xué)習積極性和分析創(chuàng )新能力。材料力學(xué)、結構力學(xué)課程的主要任務(wù)是研究桿件、桿系結構在外力作用下的受力變形和破壞規律，強度、剛度、穩定性條件的表達形式，從而為合理確定桿件的材料和截面提供必要的理論基礎和計算方法。在學(xué)習材料力學(xué)、結構力學(xué)時(shí)，學(xué)生對工程結構及其構件尚缺乏必要的了解，對桿件受到的約束、荷載以及簡(jiǎn)化過(guò)程沒(méi)有感性認識，對桿件的各種變形、結構的振動(dòng)和屈曲很難想象。通過(guò)ANSYS軟件建模功能和直觀(guān)形象的圖形顯示，能真實(shí)地模擬出各種實(shí)際工程結構，能夠直觀(guān)地顯示梁彎曲中心的位置，精確計算出梁的截面特性，如截面慣性矩、極慣性矩、扭轉剛度等，給出截面的形心、剪心位置，可直觀(guān)地展示實(shí)際構件的受力與約束情況以及建模過(guò)程，同時(shí)形象地演示結構變形、結構振動(dòng)和屈曲的過(guò)程?？傊?，利用ANSYS強大的數值分析以及逼真的圖形顯示功能，將其與材料力學(xué)、結構力學(xué)的課堂教學(xué)和課程實(shí)踐結合起來(lái)，使得學(xué)生更易于理解和掌握該課程的基本概念，提高空間想象能力、形象思維能力，從而有效地解決學(xué)習過(guò)程中的一些疑難問(wèn)題，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，拓寬知識面，熟悉工程應用背景，增強學(xué)生的工程觀(guān)念，為工程結構分析和設計打下較為堅實(shí)的基礎。
（三）加強實(shí)驗教學(xué)改革，培養學(xué)生工程能力和創(chuàng )新意識
實(shí)驗教學(xué)是高等院校工科專(zhuān)業(yè)整個(gè)教學(xué)內容中極其重要的組成部分，對于鞏固學(xué)生的理論知識，培養學(xué)生的動(dòng)手操作能力，提高學(xué)生觀(guān)察問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力，養成獨立思考、科學(xué)謹慎的作風(fēng)，增強學(xué)生的工程意識都具有十分重要的意義。
力學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革應以培養學(xué)生的探究能力和創(chuàng )新能力為目標，對傳統內容進(jìn)行精選，建立實(shí)驗教學(xué)內容的新體系。在實(shí)驗教學(xué)改革中，綜合性、工程設計性和前沿性教學(xué)實(shí)驗是改革的重點(diǎn)，綜合性實(shí)驗是基礎實(shí)驗的補充和延續，實(shí)驗內容涉及面廣，綜合性、思考性強， 可以培養學(xué)生綜合運用基礎知識的能力，具有承前啟后的作用。工程設計性實(shí)驗是從工程中簡(jiǎn)化而來(lái)的實(shí)驗問(wèn)題，有利于加強學(xué)生的工程意識，鍛煉學(xué)生用實(shí)驗手段解決工程問(wèn)題的能力， 是培養學(xué)生創(chuàng )新精神的重要途徑，對于提高學(xué)生的社會(huì )適應性也非常重要。前沿性教學(xué)實(shí)驗是指引入新的材料、結構形式、實(shí)驗技術(shù)的力學(xué)實(shí)驗，是面向少數優(yōu)秀學(xué)生和在實(shí)驗方面具有潛能和興趣的學(xué)生，目的是為了開(kāi)闊眼界，培養學(xué)生應用高新技術(shù)發(fā)揮創(chuàng )造性的能力。近年來(lái)，借助計算機輔助工程技術(shù)、虛擬儀器開(kāi)發(fā)技術(shù)（如LabVIEW軟件等）和多媒體技術(shù)，設計各力學(xué)課程仿真試驗系統是提高力學(xué)實(shí)驗教學(xué)層次和教學(xué)質(zhì)量的有效途徑之一。在試驗教學(xué)手段中將計算機技術(shù)與儀器設備有機結合，構成虛擬實(shí)驗室，學(xué)生可以隨時(shí)在計算機上選擇實(shí)驗內容、設計實(shí)驗框架、模擬實(shí)驗場(chǎng)景等，計算機虛擬實(shí)驗、網(wǎng)絡(luò )虛擬現實(shí)以及虛擬儀器技術(shù)不是取代傳統實(shí)驗的操作和過(guò)程，而是拓展實(shí)驗教學(xué)形式，豐富實(shí)驗教學(xué)內容。通過(guò)仿真模擬實(shí)驗,可以讓學(xué)生更多地學(xué)習了解在一次實(shí)驗課中無(wú)法反復觀(guān)察和實(shí)驗的內容，提升教學(xué)效果。由于基于計算機的模擬實(shí)驗，實(shí)驗設備和儀器具有不可破壞性，因此學(xué)生的實(shí)驗不再都是教師操作的復制，而是自己動(dòng)手、動(dòng)腦去解決一些與生活、工程密切相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生主動(dòng)去探索、試驗解決問(wèn)題的方法，獲取更多的知識，培養他們的應用能力和創(chuàng )新能力，使力學(xué)實(shí)驗教學(xué)更加符合工程素質(zhì)教育的要求。
三、結語(yǔ)
為了適應21世紀高等教育與工程建設需要，培養理論基礎扎實(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng )新能力強的高素質(zhì)人才，土建類(lèi)力學(xué)課程的教學(xué)改革應圍繞教學(xué)內容、教學(xué)方法及教學(xué)手段下功夫，充分利用和發(fā)揮現代先進(jìn)技術(shù)，加強實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節，使之在培養具有現代工程素質(zhì)的工程師方面發(fā)揮更大的作用。
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［責任編輯：碧瑤］
