在基础力学教学中强化工程能力和创新能力的培养

摘 要：基础力学是工科大学生的技术基础课程，也是其入学以后开始较多涉及工程实际的课程，它在培养学生的工程能力和创新能力方面起着关键的作用。本文介绍我校从基础力学的理论教学、实验教学、课外科技创新活动和各类竞赛等方面，循序渐进的培养学生的工程能力和创新能力；经过十年的实践，探索出了一条特色鲜明的基础力学教学模式的新途径。

关键词：基础力学；教学改革；工程能力；创新能力

培养具有工程能力和创新能力的人才，是建设创新型社会和国民经济的发展对高等教育提出的要求。近年来在对航空航天院所进行的毕业生调查中，用人单位普遍反映随着航空航天事业飞速发展，迫切需要具有一定工程能力（不仅仅具有理论知识）和创新能力的人才。基础力学是工科大学生二年级开始上的技术基础课程，也是大学生入学后最先较多涉及工程实际的课程，它在培养学生的工程能力和创新能力方面起着承上启下的关键作用。

为了更好地培养具有工程能力和创新能力的航空航天科技人才，近十年来我们在基础力学教学中进行了改革尝试。特别是在2005年的我校重点教改项目“基础力学研究型教学的探索与实践”和2006年的教育教学改革项目“在内容和体系改革的基础上推进课程的研究型教学”的牵引下，依托我校的国家工科基础课程（力学）教学基地、“材料力学”国家精品课程和江苏省力学实验教学示范中心的建设，秉承“夯实基础、培养能力、加强工程、激励创新”的教学理念，从理论教学、实验教学、课外科技创新活动和各类竞赛等方面，循序渐进培养学生的工程能力和创新能力；而每个环节又各有侧重，理论教学注重创新和工程意识的训练，实验教学注重实践能力和工程应用的培养，课外科技创新活动和各类竞赛注重结合工程开展创新的锻炼；经过十年的努力，传承创新，探索出了特色鲜明的基础力学教学新模式。

一、理论教学注重创新和工程意识的训练

在基础力学课程的理论教学中，坚持“素质教育、工程教育、创新教育”紧密结合，开展了研究型教学的研究与实践，构建了丰富的基础力学研究型教学的教学资源，包括典型工程实例集、随堂测试题集、研究型问题集和课程阅读文献集。课程快要结束时，要求学生选择一个研究主题，查找、阅读有关的文献，开展课程学习研究，撰写课程研究论文，目前已收到较高质量的学生课程研究论文500余篇。我们的做法是：

1. 引进典型工程实例，强化学生的工程概念

力学与工程密切相关。力学的一些概念、原理以及公式看起来枯燥无味，而实际上，在工程中有着广泛的应用。因此，在讲解这些内容时引进相关的工程实例、工程事故特别是灾难性事故，分析其中的力学原理，不仅激发了学生的学习兴趣，更重要的是拉近了课程与工程的关系，强化了学生的工程概念和工程意识。

2. 引进贴近教学内容的阅读文献，强化学生在学习中的研究能力

现有的基础力学课程教材中一般是没有阅读文献的，书后的参考文献通常也是一些教材书目。但是，收集、查找、阅读相关的文献不仅是从事科学研究的重要环节，更重要的是可以使我们追溯知识的形成和积累过程，培养学生获取知识的能力、应用知识的能力，研究和掌握书本中无法表达的东西。这一点对于大学生的创新意识、创新能力和研究能力的培养尤为重要。为此，我们在教学过程中鼓励学生阅读那些基于基础力学课程教学内容而又高于课程教学内容的课程文献，从而大大开阔了学生的学术视野，强化了学生在学习中的研究意识和研究能力。

3．引进具有工程背景的研究型问题，强化学生在研究中的学习能力

现有的基础力学课程中，其习题的答案几乎都是标准的和唯一的，这就在很大程度上限制甚至禁锢了学生的思路，不利于学生发散思维能力的培养。另一方面，工程中的实际问题是非常复杂的，在研究一个实际问题时，从问题的提出，模型的建立，到需要的条件和数据，以及采取什么理论和方法去解决问题，都需要我们去分析、去研究，而且实际问题往往没有标准答案，也没有唯一答案，甚至由于已知的条件和数据不足而没有答案。因此，我们在基础力学课程的教学中，适当增加一些研究型的问题，有意识地训练学生转换角色，由做习题的“学生”转换为命题的“老师”，进而转换为发现问题的“研究者”，强化了学生在研究中的学习能力。

4．引进计算机辅助分析，强化学生的工程计算能力

长期以来，由于受到计算工具和计算手段的限制，基础力学课程的教学中主要采用的是经典分析的方法，其结果是，对于工程中的实际问题，常常需要对其做大幅简化才能进行讨论，对数据进行过度处理才能方便手算，从而使原问题大大失真，另一方面，有时方程推导出来了，可是又没法解出来，这样不仅给学生造成基础力学课程的学习难以解决工程实际问题的错觉，而且影响了学生对某些问题的认识、理解与把握。为此，我们在基础力学课程的教学中，引导学生应用通用数值软件MATLAB、大型结构分析软件ANSYS等进行工程分析，强化学生的工程计算能力，加强学生对计算结果正确性的判断能力，取得了明显的教学效果。

二、实验教学注重实践能力和工程应用的培养

1．转换教育思想、强化能力培养，建立“三层次、四模块”的实验教学体系

针对学生普遍存在“重理论、轻实践；重知识、轻能力”的现象，在教育思想上从传统的以传授知识为主，转换为以培养能力为主。架构了“三层次、四模块”的基础力学实验教学体系，即人才培养的三层次：

基础层：普及力学知识夯实“三基本”；提高层：结合工程培养能力；目标层：激励创新追踪学科前沿。

实验类型的四模块：认知型实验：具有趣味性、知识性；基本型实验：旨在巩固基本理论；在教学实践中我们体会到基本型实验是基础，在优选、精化的同时，减少验证性，增加探索性，提高教学要求。综合设计型：旨在结合工程培养实践能力；研究创新型实验：旨在培养创新精神与能力。

认知、基本和综合设计型实验主要在课内进行，研究创新型实验结合课外科技活动和竞赛进行，从而形成一个“趣味、知识－基本理论－工程实际－学科前沿”递进发展的教学模式。实验课程教学大纲的设计宗旨是：引导学生实现由学习知识转向增强能力，进而达到自主创新的发展过程。

其中尤具开创性的举措是在全国率先开设“工程力学认知实验”课程，面向全校各专业（包括不开设力学课程的专业，如经、管、文、理、法等），普及力学基础知识。通过一个实验，观察一个现象，理解一个概念，掌握一个方法，用以解释工程或日常生活中发生的一些现象。例如，工程中常见的不同截面梁的抗弯特性不同的问题，通过实验学生很清楚地了解了工字钢和槽钢的优点，理解它们为什么常用，这样使学生的工程概念更加清晰。

2．依托学科优势，结合航空航天工程开发原创性实验

南航基础力学实验教学改革有着20年的历史，在基本型实验建设方面取得突出的成果，开发的实验及装置得到全国很多高校首肯。在力学基地、示范中心和国家精品课程建设中，再接再厉，依托学科优势，高度重视科研成果向教学资源转化，追踪学科前沿，结合工程实际开发了具有航空航天特色的原创实验10余项，每年有1000多人次选做，为培养学生的工程能力和创新能力奠定的坚实的基础。典型的有：

结合航空航天工程，自行研制开发了动量矩守恒与直升机尾桨实验、飞机安全带自锁实验和飞行器六自由度动力学仿真模拟系统；

槽型薄壁杆件是工程中常用的构件，结合工程开发了槽型薄壁杆件弯曲综合实验；

某型民用飞机起落架的全场应力分析是国家重点型号工程的子项目，依托该项目，开发了综合设计型实验——起落架构件应变分析实验及结构应变场的电测和光测综合分析实验。

开发的研究型实验——利用光纤传感系统的力学量测试实验，来源于有关光纤自修复智能结构系统的研究的国家自然科学基金项目。

3．建立“以学生自主实践为主、教师辅导为辅、集中教学与个别指导相结合”的教学模式

在实验教学中，基本实验理论的内容采用集中教学的方式，基本实验操作以学生自主实践为主，教师着重引导思维、答疑解惑。在完成教学要求的基础上，鼓励学有余力的学生选做创新性工程性实验并撰写小论文，其质量较高的论文给予奖励分数计入考核成绩，每年约有3%~5%的人选做。这些实验有两类，一是在现有的装置上学生自主设计实验；二是学生设计全新的实验，代表性的有：起落架各构件的应变测试及强度分析；压杆局部削弱的稳定性研究；铰支端及集中力作用处的圣维南影响区的研究等。

三、课外科技创新活动和各类竞赛注重结合工程开展创新的锻炼

1．参与教师科研项目

学生参与大学生创新基金的研究和进入教师的科研课题组，是在更高层面上锻炼创新能力。近三年来，指导正在上基础力学课程的学生申报大学生创新训练计划项目21项，其中国家级2项。

我校基础力学课程教学团队具有一批高水平的师资，承担着许多国家自然科学基金项目、“973”项目、“863”项目、各类国防重点预研项目及省部级自然科学基金。雄厚的学科支撑给创新人才培养提供了良好的条件，每年都有几十名学生在学习力学课程时，进入教师的科研课题组，在高水平的科研中得到了锻炼和培养，其中有相当一部分一直延续到毕业设计。

2．参加力学等各类竞赛活动

以参加课外科技创新活动和各类竞赛为契机，激发具有创新意识的学生的兴趣，积极参赛，全方位锻炼综合能力。在普遍提高教学质量的同时，一批尖子学生涌现出来，在历届全国“周培源”大学生力学竞赛中成绩优异，多次获得团体一、二等奖，多人获得个人全国一、二、三等奖，在首届江苏省大学生材料力学实验竞赛、首届全国大学生基础力学实验邀请赛和首届全国大学生基础力学实验竞赛中连续获得特等奖第一名。近几年来有300多人次在全国和省部级各类力学竞赛中获奖

自2008年起，作为教学改革的一部分，我校举办了“解开古人之谜 复现欹器国宝” 和“被动步行机器人”力学设计制作大赛，学生踊跃参与。通过检索文献、理论分析、自主设计、自行制作、调试修改等阶段，每次提交参赛作品达数十余个，参赛学生达500多人，竞赛场面热闹非凡。

经过十年的探索实践，我们的体会是：依托学科优势，开展研究型教学，秉承优良传统，及时将实验教学改革成果和科研成果转化为教学资源。从理论教学、实验教学、课外科技创新活动和力学竞赛等方面，循序渐进地培养学生的工程能力和创新能力。在普遍提高教学质量的同时，激励自主创新人才脱颖而出。

参考文献：

[1] 范钦珊，邓宗白，蔡新等. 提高课程教学质量要从教学基本功抓起[J]. 中国大学教学，2009(1).

[2] 范钦珊，陈建平，唐静静等. 研究型大学需要研究型教学—力学课程研究型教学的几点体会[J]. 中国大学教学，2009(11).

[3] 陈建平，范钦珊，邓宗白等. 从工科基础课程的特点出发开展研究性教学[J]. 中国大学教学，2008(5).

[4] 唐静静等. 基础力学课程研究型教学的探索[J]. 力学与实践，Vol.30，No.4 2008.

[5] 邓宗白，贾明，刘琳等. 基础力学网上实验教学管理系统的设计与开发[J]. 实验技术与管理，2006(4).

[6] 邓宗白，周克印，陈建平等. 基础力学实验教学改革[J]. 中国大学教学，2005(5).

[7] 童明波，邓宗白，吴文龙. 探索“研究主导型”本科教学模式[J]. 中国高等教育，2004(9).

[责任编辑：文和平]

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一年级下：化学概论（4）；

二年级上：有机化学（4）；

二年级下：有机化学（4），结构化学（3）；

三年级上：物理化学（4），仪器分析化学（4），计算机化学基础（2）；

三年级下：物理化学（4），无机化学（3），基础选修课（项目另定）。

五、前期教学改革的成效

2001－2010年的10年期间，通过我们的教学改革，取得了一些成绩：2001年，化学元素周期系电子教科书软件及教学方法获高等教育国家级教学成果一等奖；2003年，化学概论课程获评国家理科基地名牌课程；2004年，化学概论课程获评国家精品课程；2005年，高等学校化学教学资源库（8张光盘）获高等教育国家级教学成果一等奖；2005年，深化化学课程体系改革，创建“化学概论”精品课程获高等教育国家级教学成果二等奖；2009年，南开大学近代化学教材系列（27部32卷册）荣获高等教育国家级教学成果一等奖；2009年，《近代化学导论》评为国家级精品教材；2009年，作者荣获第5届高等学校教学名师奖。

[责任编辑：余大品]