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工程力学教学心得论文

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  本文以国内、国外教授联合讲授三门力学课程为背景,指出了外教讲授力学课程的特点, 对比了国内、国外教授在相应力学课程讲授过程中的异同点,分析了不同授课模式下人才培养目标的差异,为实现力学课程的工程教育教学改革提供参考。

  一、引言

  随着我国高等教育人才培养目标的转型,传统的教育理念和教学模式正在发生根本变化。我国高等教育培养出的人才规模大、人数多,但工业竞争力远不如科技发达国家,工程类人才的创新意识和创新能力普遍较低,主要原因是长期沿用传统教学模式,采用单一的课堂灌输式教学方法,教学重点仍偏于理论学习、科学工程分析,而面向工程的实践训练少,教学还停留于知识传授阶段。对照ABET《工程标准2000》中工科毕业生应具备的十一种能力要求[1],我国的高等教育只突出了一点:即应用数学、理科知识和工科知识的能力培养。其他十条能力的培养在我国教育中普遍受到忽视,特别是在课堂教学中极少体现。从最基本的课堂教学入手,探索先进、合理的教学模式,改变传统教学理念和教学方法,是实现当前高等教育人才培养目标转型的重要基础[2]。

  学生在大学期间主要的时间和精力集中在各门课程的学习上,所谓学生各种能力的培养离不开日常课程的教学训练和教学方法的影响。为了从根本上实现高等教育的变革,国内很多高校已采取积极办法,开设融合中西方教育优势的课程,实现国际化办学,鼓励教师到国外学习,同时也大力提倡国内外教师联合为本科生授课,从最基本的日常教学中,影响和改变默守陈规的传统教育。力学课程一直以来都是学生花费时间多,学习压力大的课程,在该类课程中实施国际化的合作教学,引入新的教学思想和模式,对传统力学课程教学的改变,实现现代人才培养目标具有重要意义。

  二、国外教授授课特点

  为了改革传统力学课程的教学理念和教学模式,促进高等教育的国际化发展,在学校的大力支持下,我们在工程力学、材料力学和结构力学课程的教学中,采用了中外教师合作授课的模式,在合作交流中取长补短,深化力学课程的教学改革。总结外教授课的特点具体如下:

  1.英国杜伦大学教授讲授了32学时的“工程力学”课程。在第一轮的授课过程中,该教授主要以课堂讲授为主,授课内容为静力学及材料力学部分内容。授课主要特点在于:介绍课程基本内容,例题较少,将力学基本问题程序化,让学生大量使用Matlab和Excel软件编程求解复杂计算问题;此外,还让学生登陆国外学校的教学管理系统,在系统中分配给每位同学不同作业,学生网上提交作业,系统自动记录学生提交的次数以及正确率。为了给学生创造与教授面对面的交流机会,在第二轮和第三轮的授课中增加了实践环节,让学生通过课堂学到的知识,利用老师给定的材料(胶管、牙线、胶枪等),按照指定题目设计受拉、受压、受弯等结构,并在课堂上对各小组设计的结构加以评定。

  2.美国新泽西州立大学教授,为国内学生讲授6学时“压杆稳定”内容。上课特点:以英文教材内容为主,将教材中的主要内容转成图片,上课时用PPT演示给学生并与学生讨论教课书中内容,对教材中给出的计算公式的正确性提出质疑,以引发学生讨论及思考。授课内容不局限于课本,课堂上提出相关科研成果并与学生讨论。

  3.西澳大利亚大学教授为国内学生讲授16学时的“结构力学”课程。授课形式为课堂讲授,讲解过程采用在计算机屏幕上书写,下课后形成PDF教案的形式。授课内容为静定或超静定多跨梁的位移、内力计算。授课特点是:强调静定和超静定问题的通用算法的讲解,举例说明此类问题的统一求解模式,演示根据基本理论编写计算程序的过程,强调用Matlab、Excel及结构力学求解软件编程求解各类问题。

  三、国内外教学模式对比讨论

  在与国外教授合作教学过程,通过对比同类课程、相同授课时间内同类教学内容的不同教学模式,发现存在如下差异:

  1.同一门课程,教学内容相同,对学生的要求不同。以工程力学课程为例,国内教学中通常详细讲述每一个知识点,针对每个知识点讲授例题,同时让学生做一定量的习题,希望学生完全掌握所有知识点,课程信息量大,学生要做大量习题才能完全掌握全部课程内容。在例题和习题的选择上,通常采用理论较深,计算简单的问题,训练学生理解和掌握知识点。国外教授课堂上强调的知识点相对少,很多内容一带而过,通常采用比较简单的例题和习题来消化理论知识,课程内容相对容易掌握。复杂计算问题采用通用算法,强调计算机编程计算。超静定杆件的内力和应力求解问题,国内学生大量练习的是均匀荷载作用或温度均匀变化问题,对于荷载和温度任意变化问题,优秀的学生能够利用积分计算杆件的变形,再根据变形协调条件求解。国外教授上课时给学生介绍此类问题的解题的方法是采用麦考利函数(Macaulay Bracket) 表示分布荷载,用狄拉克δ函数(Dirac Delta Function)表示集中荷载,写出力学和几何方程,加上边界条件,利用Matlab编写程序,用计算机求解。不同问题,只要修改程序中的荷载表达式和边界条件,求解方法都相同。

  2.相同理论,讲解目的和实现方法不同。以结构力学授课内容为例,国内该门课程的主要研究对象是由梁、柱构成的刚架,以刚架为主要研究对象讲授静定和超静定结构的内力和位移计算方法。外教则采用框架结构中的单杆,分别取立柱和横梁,再分别讲授只有轴力作用或只有弯矩作用时,轴力与轴向位移之间的关系,或弯矩与转角之间的关系。在介绍力法和位移法的理论中,强调刚度阵和柔度阵的建立,然后采用数学软件计算矩阵,求解力或位移。同样介绍力法和位移法解超静定结构问题,国内教授授课时会让学生在课堂和课后做大量习题,题目主要通过手算完成,且计算量较大,有些题目需要使用解题技巧才能完成,因此,学生通常在力学课程的学习中花费较多时间。国外教授讲课过程中选用的例题和习题比较简单,通用性强,解题过程程序化,不强调特殊性和技巧性,强调对一般问题编程求解或使用计算机软件完成数学运算。  

  3.实践教学法在课堂教学中的应用。国外教授在讲授基础力学和结构分析课程时,均设计了相应的实践环节。例如在研究材料力学性能时,结合结构设计大赛采用的材料,让学生测试绳子和纸条的抗拉强度和刚度,指导学生在结构设计中正确使用材料。讲到受压和受弯构件时,让学生自己设计柱和梁通过实际加载让学生体会梁的合理设计方法,加深对立柱稳定性的理解。国内力学课程授课过程中,除了传统力学实验外,通常不设置其他实践环节。普遍反映的问题是目前课程学时太少,需要讲授的课程内容太多,没有足够课时开展此类活动。

  四、不同教学理念和模式带来的启示

  表面上看,国内教授与国外教授在同一门课程中对理论知识的讲解方法,例题的选用,解题工具的使用,以及授课模式都存在一定差异。然而,产生这种差异的根源实际上可以归结为一点:即人才培养目标的不同。

  国内在人才培养方面,长期致力于研究型人才的培养,授课教师通常希望学生能够深入、熟练地掌握本门课程的主要内容,能够牢记各种定理和公式,并能够熟练运用力学知识求解各种类型题,包括难题、技巧性较强的题。而能够达到这种要求的学生通常不足30%,绝大多数学生认为力学课程太难,内容太多。国外教授授课意图很明显,不做难题、技巧性强的题,强调采用常规算法建立通用表达形式,由于简化了授课内容,节省了大量做题时间,使得授课氛围宽松,有时间穿插介绍各种工程软件在力学分析中的应用,并可以在授课过程中增加实践及讨论环节。由于对学生解题难度要求降低,故大多数学生反映课程不难,及格率也相对较高。这种教学方法更有利于大多数学生的工程技术能力训练,适于工程技术人才的培养,强调的是多方面综合能力的培养。

  我国高等教育目前正处于转型发展阶段,研究型、应用型和应用技术型教育并存,培养高层次、卓越的工程技术人才,是当前高等教育人才培养的主要目标之一。工程教育模式越来越受到广泛关注,国外教授的不同授课模式给我们当前的教育教学改革带来了一定的启示。

  在与国外教授联合为本科生讲授力学课程过程中,通过研究国外教授的教学特点,对比国内外力学课程不同的教学内容、教学方法和教学手段,在以工程教育人才培养为目标的力学教学模式改革方面深受启发。为培养高素质的技术型人才,改革传统力学课程教学方法提供有益参考。


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