摘 要：工程力学是高等工科院校非机类工科专业的一门重要专业基础课，随着高等教育的不断发展，特别是在当前工程教育背景下，工程力学教学改革已变得非常必要。本文作者结合实际教学过程中存在的问题，从工程力学课程知识体系调整的角度出发，分析了传统课程体系改革的重要性，并且提出了若干條针对性调整方案，将这些调整方案在实际教学过程中加以实践，实践证明教学效果非常明显。
关键词：工程力学 知识体系 教学改革 工程教育
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（a）-0195-03
工程力学是高等工科院校非机械类工科专业各专业课程必要的先修课程，在后续专业课程的学习和专业知识结构的构建中起着不可替代的作用[1]。学生通过工程力学的学习，可以掌握工程实践和设计过程中所必须的受力分析、及安全性评价与设计等问题的基本原理和方法，为后续专业课程的学习、工程问题的解决及科学研究打下良好的基础，使学生具备专业培养目标所要求的各项能力[2]。随着高等教育的不断发展，特别是在当前工程教育背景下，许多高等院校非机类工科专业的工程力学授课学时被大幅度削减。但是，工程力学在专业课程体系中的地位是无法替代的，其基本教学内容的减少势必影响其他课程的学习，为了学时限制于教学内容之间的矛盾，对传统的工程力学教学体系做出实质性的改革已经变得刻不容缓。作者从根据多年的授课经验，结合实际学情，分析了工程力学传统课程体系改革的必要性，提出了若干条针对性调整方案，将这些调整方案在实际教学过程中加以实践，实践证明教学效果非常明显。
1 现行课程体系调整的必要性
工程力学原有课程体系调整的必要性主要体现在以下两个方面：一是工程力学授课学时迫于各种原因不得不做出削减。因此，照此下去已无法达到专业培养目标的要求。二是，现行的工程力学知识体系已严重阻碍了教师的授课需求和学生接受。
1.1 授课学时不断被削减影响教学质量
近年来，许多高校的专业基础课程教学都遇到了同样的问题，即迫于学校教学计划的调整授课学时被大幅度削减，工程力学自然会遇到同样问题。以齐鲁工业大学工业设计等专业为例，工程力学最初的授课学时是64学时，而现在为32学时。但是，工程力学在专业课程体系中的地位是无法替代的，为了后续课程能够顺利进行，许多院校的工程力学的基本教学内容已经少到了无法再减少的地步[3]。非机类工科专业的工程力学主要包括静力学和材料力学，涵盖的知识点较多，知识内容的前后逻辑性较强，这就对学生的学习过程提出了更高的要求。但是，当前形势下，部分学生的学习积极性不高，任课教师在授课过程既要照顾学生的听课兴趣，又要保证授课内容的时间限制，对教师和学生都提出了很高的要求。
1.2 现行知识体系知识点不必要重复过多
大多数工科院校的工程力学教材内容体系基本相同，即在静力学部分以受力分析为基础，以平面汇交力系、平面力偶系、平面任意力系、空间力系为主线，在每一种力系中都讲述其力系的合成与平衡，虽然在顺序上由简到繁、由易到难，但是这种知识体系重复内容太多，严重浪费授课学时。在材料力学部分以4种基本变形为主线讲述构件的强度和刚度问题，进而讲述即应力应变理论和组合变形及压杆的稳定性问题，这也就是所谓的前苏联铁木辛柯体系。在讲述4种基本变形时，工程力学传统知识体系均采用了类似的知识框架，即在先求出构件内力的前提下，采用类似解决材料力学中变形体静不定问题的思路，推导各种变形下的应力计算公式，进而得到其强度条件和变形计算公式及刚度条件公式。如果教师以上述思路讲解4种变形的变形和应力问题，表面上看似思路清晰，但是，仔细推敲后发现该过程中不必要的内容重复太多，严重浪费授课学时。同时教师难在教学过程中很难引入自己的东西，对于课堂效果的把握度不高，严重影响教师的授课效果和学生的学习积极性。
另外，对于工程力学中的很重要的静不定问题，通常将其放在相应变形得章节进行讲述，即静力学中讲授物体系统外力静不定、拉压变形中讲授拉压静不定问题、扭转变形时讲授静不定问题、弯曲变形时讲授静不定问题。这几种静不定问题虽然置于不同章节中，但是除了第一种以外求解思路基本一样，即根据平衡关系的方程数目少于未知量的数目，但是系统各个构件之间的变形是满足一定关系的，也就是几何方程，本构方程和几何方程之间没有相同的未知量，需要通过本构方程联系二者求解全部未知力。旧有知识体系的这种处理方式，不仅重复的内容过多，彼此之间相隔一定很长时间，每次遇到该问题都要回顾以前该类问题的求解思路，浪费学时且不利于学生的理解和接受。
综上所述，现行知识体系知识点不必要重复过多，在一定程度上阻碍了当前的工程力学的教学进程，因此，为了适应的当前形势，本课题所做的研究就变得十分必要了。
2 知识体系的调整方案
2.1 知识框架由特殊到一般变为由一般到特殊
对于静力学中构件的平衡问题，由原先的先讲特殊（平面汇交力系的平衡），转变为从一般问题出发，先讲授最一般的空间力系合成与平衡问题，然后将其平衡方程退化到特殊形式，即平面一般力系、平面汇交力系等。这样由难而易知识点安排既节省了授课学时，又利于学生对知识的理解和掌握。对于材料力学部分的知识点，同样考虑从一般问题出发，将复杂载荷作用下构件的6个内力分量全部引入，结合实例逐个分析每个内力的产生缘由和引起的不同变形，而后讲解其中某几个内力同时存在时引起的组合变形。这样的知识点安排既利于学生接受，又大大节约了授课学时。同时，可遵循上述原则先引入应力应变状态分析的内容，使学生首先在整体上对构件的变形问题有一个理解和把握，然后分别讲授4种基本变形形式，即利于学生接受，又节约授课学时。这样的知识体系下授课，可以使学生从一个较高的起点出发对后续知识点进行学习，学生对相关知识的理解和接受就会变得非常容易。
2.2 专题方式分析讲解各类问题
为便于学生接受和节省学时，可将工程力学中的同类问题分解成若干专题进行讲解，由于同一类专题具有相同的特点与规律，因此，这样的方式更利于教师对于课堂的整体把握和学生对问题接受与理解。此方法的具体做法如下：在新知识体系的静力学部分，分以下几个专题进行讲授。（1）静力学的基本概念与基本定理：集中講授静力学的基本概念和基本定理，为后续知识点作准备；（2）力系的合成问题，集中讲授各种力系的简化与合成；（3）力系平衡问题：集中讲授各种力系的平衡问题。在材料力学部分，将构件4种基本变形的内力、应力及变形分成若干专题内容组织讲述。（1）内力求解及作内力图专题：该专题讲解内力的概念、内力的种类、及截面法计算不同变形的内力等；最后分别讲授拉压、扭转和弯曲的内力图的画法，同时总结出不同变形内力图的相同点，进而得到其简便作图法；（2）构件的强度计算专题：该专题讲授构件拉压、扭转和弯曲时的应力公式推导及适用条件限制、横截面上不同变形的应力分布规律，最后建立构件强度条件。由于拉压、扭转和弯曲时，上述问题解决过程具有类似的推导过程，因此具体操作时，教师可以根据实际情况进行详略处理，既节省的授课学时，又不影响学生对知识点的理解与接收。（3）构件的刚度计算专题：处理过程与应力及强度计算专题类似。
2.3 实验课的处理问题
实验在工程力学课程的知识体系中具有非常重要的地位。对于工程力学实验，一般工科院校开具的内容一般包括低碳钢和铸铁的拉压性能测试、低碳钢和铸铁的扭转性能测试、弯曲和弯扭组合变形的电测实验等，这4个实验大约需要8学时。现在多数高校的做法是课堂讲授理论后进行实验。但是在大多数工科院校，学生数量多，而使得实验室资源和教师资源相对短缺，因此不得不出现多个班级排队做实验的情况，且每组试验的同学数非常多，这样势必会影响到教学效果。新知识体系中，可在相应知识点与实验现象之间，选择恰当的时机安排实验，任课教师有目的地引导学生带着问题去学习，提高学生的学习兴趣和积极性，因此学生能够主动分析实验内容的相关原理，既可以引发学生的学习兴趣，又能够实现研究性教学的目的。例如：对于梁的弯曲的实验，可在弯曲实验后，让学生分析试验中产生的各个现象的力学原因，然后课堂上再讲述与之对应的理论知识。这样，既能激发学生的求知欲望，又利于学生实践能力的培养。
3 工程力学新知识体系的优点
3.1 知识体系结构简单而清晰
工程力学先一般后特殊的新知识体系，使原先复杂而重复的知识体系变得简洁而清晰，无论对于教师的课堂授课还是对于学生对知识的接受理解都是十分有利的。在用调整后的知识体系授课时，以物体的平衡问题求解为例，由最一般情况下即空间任意力系的6个平衡方程及其应用出发，而后分别讲解特殊力系（平面任意力系、平面汇交力系等）的平衡问题，使学生构件的平衡问题有了整体的了解和掌握，再讲特殊力系平衡问题时，问题就会变得简单而易于接受，学生的学习兴趣和主动性自然会相应提高[4]。
本课题提出的工程力学新知识体系，其优点在于方便任课教师自上而下的阐述工程力学各个主要问题的本质与特点，更利于学生从整体上对相关的知识点进行理解和掌握，更有利于在实际问题中的应用。这种知识体系下，学生可以用一种全新的思路去理解原先不易理解的的基本知识点，能够从本质上准确而全面的对所学知识进行把握。这样，使学生从原先对知识点具体而片面的理解，一下子上升到准确而全面的整体把握。可有效避免在解决实际工程问题时，因对工程力学基本概念和理论理解不够透彻，及对该问题的力学实质不能准确把握而引起的各种错误结果。从任课教师的角度出发，新知识体系提高了知识起点，更利于教师对课堂的把控，有效的控制课堂授课效果。因此，这种工程力学的新知识体系对于学生的学习和教师的授课都是十分有利的 [5]。
3.2 利于学生创造性思维的培养
在工程力学知识体系调整以后，更利于教师对学生的引导和对学生视野的开拓，并且这种新的知识体系也有利于对学生创造性思维的培养。例如，在讲授构件强度计算专题时，由于拉压变形的应力和强度公式较其他变形相对简单，学生容易接受，教师可在此引入该专题的解题思路和特点，当学生对该专题的特点有一定的把握之后，再去讲解其他复杂变形的强度问题时就变得简单而易于学生接受了。也可以试着由学生自己来推导后续的公式，进而解决相应后续复杂变形的同类别问题。这样的做法会收到多重的效果，一方面可以培养学生举一反三、积极创新的学习能力，充分调动学生的学习积极性和主观能动性，培养学生的解决问题的综合能力。
3.3 利于学生职业素养和科研素养的培养
教师将自己的科研内容引入课堂教学是很多高校对老师提出的一个新要求，因此可以工程力学知识体系调整为契机，在课堂工程力学讲授中，选择恰当的地方适当融入有关的且学生感兴趣的前沿性科研成果。当然，这对教师本身提出了更高的要求，只要教师能够处理得当，就会收到意想不到的好的效果。新的事物可以激发学生的学习兴趣和开拓学生的视野。同时，为了加强对学生思想道德的提高和教育，不少高校提出“德融课堂”要求，即在理论知识讲授的同时加强对学生的思想教育。显然，新的工程力学的知识体系更有利于实现“科研融入课堂”和“德融课堂”的要求。
3.4 减少重复节省教学学时
以齐鲁工业大学为例，通过前述的调整方案，在现有授课学时大大较少的前提下，仍然能够较好的完成规定的教学任务。调整后的新知识体系更更方便于教师课堂教学的组织和编排，通过引入新的知识点有益于抓住学生的学习兴趣，进而改善课堂听课效果。在新的工程力学知识体系下，教师可以更加方便的根据实际学情调整和选择基本教学内容；新的工程力学知识体系更有助于开阔学生的视野和拓展学生的知识面，更有利于学生遇到实际工程问题时，将课堂上所学的理论知识与方法在实际中加以应用和发挥。
4 结语
工程力学在高等工科院校非机械类工科专业中是一门非常重要的专业基础课，但是，在新的教学形式下，工程力学的知识体系已经显现出越来越多的短板。另一方面工程力学的教学学时不得不被大幅度减少，为此，对工程力学的知识体系进行了调整与改革的研究。本文作者结合实际教学经验，对该问题进行了研究和实践，根据研究结果提出了相应的调整方案并在实际教学过程中加以实践，收到了非常好的效果。
参考文献
[1]教育部高等学校力学教学指导委员会力学基础课程教学指导分委员会.高等学校理工科非力学专业力学基础课程教学基本要求[M].北京：高等教育出版社，2012.
[2]陈云信.材料力学课程教学改革与实践[J].江汉大学学报：社会科学版，2014（4）：40-44.
[3]夏锦文，程晓樵.研究性教学的理论内涵与实践要求[J].中国大学教学，2009（12）：25-28.
[4]闫冰洁.案例教学在材料力学教学中的应用[J].科技情报开发与经济，2007（17）：256-257.
[5]司鹄.材料力学课程教学体系改革研究与实践[J].高等建筑教育，2005（1）：62-63.