基于有限元分析与专业案例库的《工程力学》课

一、前言

《工程力学》是机械类、近机类、土建类、交通运输类等专业必修的一门重要技术基础课，具有较强的理论性，又与工程实际密切相关。该课程是沟通公共基础课与专业课的桥梁，为后续课程的学习提供必要的力学理论基础。为了有效激发广大学生对工程力学课程的学习兴趣，促进学生扎实掌握力学理论知识，增强学生应用力学知识分析问题和解决问题的能力，并为后续专业课程的学习打下扎实的力学基础，本文提出基于有限元分析与专业案例库的《工程力学》课程改革思路，将生动形象的工程案例融入知识讲解过程，牢牢吸引学生的注意力，改善教学效果。

二、课程教学现状

基于厦门理工学院机械与汽车工程学院《工程力学》课程教学团队的交流讨论发现，当前该课程授课过程普遍存在学生听课注意力不集中、积极性不高、死记硬背、挂科现象严重等不良现象[1]。究其原因，问题主要在于：（1）课程内容多课时少，理论性强，公式繁多，加之很多学生的数学基础相对薄弱，导致部分知识点难以理解，只能死记硬背，学习效率较低；（2）基于“理论导出—过程分析—例题讲解”的授课过程，采用“多媒体与板书相结合”的演示模式，学生多为被动接受，导致课堂气氛沉闷，教学效果不佳；（3）教材案例主要以机械结构为主，没有根据专业选取有针对性的案例，导致学生不易理解。面对如此严峻形势，工程力学课程改革可谓刻不容缓。

三、新型教学模式

（一）改革举措

基于案例教学法研究成果[2-3]，探索能够有效提升学生学习主动性和创造性的新型教学模式，主要改革举措包含以下两个方面。

（1）教学素材库建设。针对不同知识点构建的教学素材主要包括实物模型、三维CAD模型、有限元分析模型、按专业方向分类的工程实例力学模型。例如，学生对静力学中“约束”这一抽象知识点比较难以理解，可以通过购买或制作各种约束形式（如刚性光滑面约束、固定端约束等）的实物模型（与约束相对应的滚珠轴承、三爪卡盘等），帮助学生理解相关知识点；材料力学知识点主要涉及应力和杆件的四种基本变形形式（拉压、剪切、扭转、弯曲）及组合变形，通过建立工程构件的三维模型，并应用有限元分析软件（如ABAQUS[4]），形象展现杆、轴、梁、柱的变形过程和应力应变的变化情况；针对不同专业方向（如金属材料、汽车服务等），收集与课程相关的实际案例，结合工程力学知识，对案例进行深入剖析并简化成力学模型等。

（2）基于教学素材库的教学过程优化。基于已构建的教学素材库开展教学过程优化的流程如下：首先，任课老师在授课过程中自主组织教学素材，如实记录组织方式、教学效果（学生听课情况）、学生的意见和建议等，各自改进完善教案；接着，工程力学教研组分阶段开展课程教学研讨，相互取长补短并做好记录，如哪些经验可以借鉴、哪些方面应该避免等，总结得到最优教案，在研究团队成员间、校内乃至校外工程力学教研组中进行分享；最后，根据学生的综合成绩考核和教学评价验证教学改革成效，并确定下一轮教学实践的改进方向。

（二）教学方法

当前工程力学课程的教学方法大多采用“多媒体演示为主，板书为辅”的方式[5]，遵照“案例导入——知识推送—公式推导—例题讲解—课后习题”流程安排教学进度。依照相同流程开展教学，授课老师的教学效果却有很大差别。其中，素材应用与师生互动是影响教学效果的两大因素。为此，本文对当前教学方法进行完善并做详细阐述。

（1）案例导入。针对特定知识点，从教学素材库中选取最为贴切的典型案例，凸显该知识点的重要性，激发学生的学习主动性。该典型案例要求是贴近生活、广为人知或面向特定专业的素材；采用多媒体演示方式，吸引学生的注意力，演示后可以加入师生、生生之间的讨论环节，加深对案例的认识与理解。

（2）知识推送。对案例进行总结分析，讲解案例所涉及的知识点。该环节推荐采用板书形式，只有以较为平缓的节奏推送知识点有利于学生理解和消化，学生才能跟上授课老师的节奏并有充分的时间做好笔记。在细化知识点讲解过程中，亦可穿插一些较为形象的案例。

（3）公式推导。该环节涉及假设前提、理论基础、分析与计算方法等知识，理论性极强且对数学基础要求较高，学生理解和掌握起来较为困难；更关键在于，这关系到学生对此类问题的分析和解决方法的核心能力培养，因此强烈推荐以板书形式授课，并在过程中时刻关注学生是否紧跟进度并充分理解。

文章来源：《工程力学》 网址: http://www.gclxzz.cn/qikandaodu/2020/1221/451.html