同济大学航空航天与力学学院

School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics
工程力学

   
 
 
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历史沿革与教学改革
 
 

历史沿革

工程力学课程的前身就是理论力学和材料力学课程。在1995年,我校副校长沈祖炎教授(工程院院士)主持了国家“面向21世纪土建类人才培养方案及教学内容体系改革的研究与实践”的5个重点院校共同承担的课题,同济大学为项目的牵头单位。经过研究,重新编制了“土建类专业设置和培养方案”、“土木水利类专业的教学体系和课程设置”、“土建类专业实验与工程实践及基地建设方案”。根据这些方案,我校率先将理论力学课程和材料力学课程整合成工程力学课程(工程力学Ⅰ含刚体静力学和变形体静力学,工程力学Ⅱ含运动学和动力学)。
一、教学团队的历史传承
同济大学理论力学和材料力学课程的发展可以追溯到解放初期。1952年院系调整,当时圣?约翰大学的土木工程系被调整到了同济大学,在那以后,同济大学就以土木的强势为特色。在土木工程系里有一个力学教研室。在54年制定了理论力学和材料力学教学大纲,55年力学教研室拆分为理论力学教研室和材料力学教研室,归属于土木工程学院的结构工程系。55年参加制定全国理论力学和材料力学教学大纲,对于课程内容、教学时间、习题课等都做了具体的安排。
1957年9月成立了工程力学教研室。1960年9月始,正式成立理论力学教研室,理论力学教学历史悠久,师资力量十分强大,先后在教研室担任理论力学教学任务的,既有我国早期力学专家、同济大学力学专业创始人黄兴教授,我国著名力学专家、后任北京大学力学教研室主任的朱照宣教授等。
2000年,为加强基础课程之间的联系和体现力学教学改革的精神,理论力学和材料力学教研室合并为基础力学教研室;2004年工程力学系改编为航空航天与力学学院,教研室改编为基础力学教学研究部,由徐鉴担任研究部主任,工程力学、理论力学、材料力学课程先后被评为校级精品课程。
二、教材的历史传承
在各个历史时期,根据当时的教学需要,编写了多种教学用书,在56年初出版了全国第一本150学时的材料力学教科书和相应的习题指导书。1962年左右,朱照宣教授(后调到北京大学任力学教研室主任)编写了一套理论力学讲义,对教学内容作出较大的变动。黄兴教授、余文铎副教授、黄骏副教授、冯国平副教授都曾经编写过《分析力学》讲义,都开设过分析力学选修课。杨兆光教授开设的“运动稳定性”选修课和沈桂荣教授对机械专业开设的“机械振动”,都曾编写过讲义,
80年代,理论力学课程也使用了由9个院校合编的教材;孙训方等人写出了全国统编的“材料力学”教材,为此材料力学课程委员会召开了全国性的交流会。
1979年余文铎教授主持编写了我校第一本理论力学教材,由人民教育出版社出版. 在当时国内高校中有一定影响,被全国不少高校选用。1990年,根据理论力学教学发展的需要,在第一本理论力学教材的基础上,由杨兆光副教授主持编写了第二套理论力学教材,90版理论力学教材由同济大学出版社出版。这套教材被全国不少高校选用,累计印数在21000册左右。
由李宗瑢和张大纶主编的“材料力学”教材,并于1986年出版。1989年材料力学被学校评为一类课程,这在当时是校内最高奖励。在211工程评估中这本材料力学教材被评为全国工程力学专业通用教材,获得了教学改革二等奖。
1992年出版了由该教研室周润玉编写的“材料力学”,并开始使用。于是1998年出版了宋子康、蔡文安编写的多学时“材料力学”教材和陈心爽、袁耀良编写的中学时“材料力学”教材。
至今,由我校基础力学教师编写出版的教材10多套,其中3套入选为普通高等教育‘十一五’国家级教材规划,这些教材融合我国传统教材理论性强、严谨、系统全面与欧美教材起点高、内容广、简洁扼要特点,特别注意吸收德国同类教材的优点,并结合我国高等教育的实际情况,既有深度又有广度,且便于复习和自学的教材,适应现代教学改革的要求。编写出版的理论力学、材料力学教学辅导书多套。
三、科学研究的历史传承
1974年材料力学教研室和实验室承接了5万千瓦-12.5万千瓦双水内冷汽轮发电机的应力测试任务,和100吨塔吊的应变检验任务,虽然困难很多,但仍然胜利完成。
文革后,随着大量高学位的年轻教师加入到基础力学的教学队伍,并且有不少成为学科带头人,因此科研工作已经被青年教师看作与教学工作同样重要的工作。科研工作的成果也促进了教学工作。
四、实验教学的历史传承
上世纪50年代材料力学实验室的建设,制定了材料力学实验教学大纲,编写了材料力学教学实验指导书。制作了好几种示范教具,还制作了很多的教学挂图。1956年召开了全国高校材料力学教学经验交流会,这些成果在会交流后引起轰动。会后各大学纷纷派人前来学习取经。当时同济大学的材料力学课程建设和教学工作是走在全国的最前面的。
1983年申请到了世界银行1600万元的贷款,84年破土动工,建造了新的材料力学实验室,并沿用至今。材料力学实验室被评为设备管理先进单位。90年国家教委颁发先进集体光荣称号。
1985年,我室根据机械振动教学的需要。由顾育平、王斌耀、韦林共同研制、开发了课堂教学模型,该模型一套三件,为振动台、悬臂梁和简支梁,模型能清楚地演示受迫振动的共振现象,悬臂梁和简支梁能直观地看到一至二阶振型。该模型试用后,课堂教学效果好,后由同济大学附属工厂生产了一百多套,在全国高等学校中发行。
近几年我们针对土木工程专业的特点,自主开发了叠合梁结构的实验、高耸结构的动力减振实验、动滑动摩擦因数测定的实验,其中后两项已获得专利。

具有百年历史的杠杆式材料试验机

 

近五年来教学改革、教学研究成果及其解决的问题

一、整合课程体系,保证教学的基本要求
通过对《工程力学》的教学对象、教学时数以及现代科学技术发展对工程力学课程的要求,完成工程力学相关专业教学大纲的制定。
二、瞄准国内国际的先进教材,形成自己的特色教材
高水平教学的一个重要保证是教材的质量,教材的编写也是教师练好内功的重要途径。十多年来,整个基础力学教学团队通过引进、学习、吸收、改造的过程,有规划地组织编写出大量适用现代教学的、受到学生欢迎的高水平教材10多套,不但满足了我校基础力学的教学要求,且很多书被其他院校选用。其中三套教材为国家11.5规划教材:《工程力学教程篇》和《工程力学导学篇》(机械工业出版社),《理论力学》(高教出版社)、《材料力学》(英语)(同济大学出版社)(出版中)。2003年与河海大学合编的《理论力学》,作为教育科学“十五”国家规划课题研究成果,在高等教育出版社出版,获2004年度江苏省教材奖二等奖。
三、明确课程的知识点,统一学生的作业
以往在对学生实施练习的过程中,不同的任课教师按照自己的理解,在难度和知识点覆盖面上有一定的差异;另一方面,学生在画图、抄题过程中,浪费了大量的宝贵时间。随着《工程力学练习册》、《理论力学练习册》、《材料力学练习册》的出版,一方面对要求学生掌握课程知识点和覆盖面有个统一的标准,为实行规范的教学质量体系奠定了基础,另一方面可以节省学生大量宝贵的时间,使得学生有更多的时间理解课本中内容。
四、工程力学CAI电子教案制作与课题教学实践
和其他许多经典学科一样,《工程力学》的位置和角色也必须赋予新的内涵。科学前沿和工程实际中出现的许多新问题与力学的基本理论所建立的联系是经典教材中所没有的。例如,建筑领域中目前采用的高层楼房晃动的主动控制、建筑仿生学、地面交通工具的摆振等科学和工程问题都与力学基本理论有关。如何将这些新的问题和研究成果展示给学生是基础力学教学中面临的新挑战。
徐鉴教授与韦林教授分别制作研制了二套《理论力学多媒体课件》,姜建华教授、陈洁副教授分别制作研制了二套《材料力学多媒体课件》。以上四套课件经修订合成了《工程力学多媒体课件》,适用于土木工程、环境工程、材料工程专业《工程力学》课程课堂教学的需要。课件特别注意发挥课程的工程实际背景。每个教师在使用时,根据不同专业、不同学生的情况和自身的教学经验进行修改。
五、初步建立《工程力学》研究课题选题指南
为了实现教学过程中多元化的培养模式,积极开设创新实践活动,我们引入课程小论文的方法,并将小论文计入学生的平时成绩。在学生看了力学认知图片及听了实物介绍后,要求学生结合学到的理论知识,自己从生活中去选择一个问题,进行力学分析,并提出改进的方案并对课程小论文在班上进行交流。通过这种教学组织,大部分学生是第一次撰写小论文,第一次公开讲述自己的观点,学生对此投入了极大的热情,人人参与,起到了主动学习的引导作用。通过四年的实践表明,这样的方式可以达到以下的目的:
1. 在教学中,扩大教学信息量及知识面,给学生留出充分的思维空间,留一定的余地让学生思考、反馈或提炼出若干问题,结合课程的特点,引导学生积极思维,激发学生的强烈的求知欲望和创造欲望,使学生不满足于书上写的、老师讲的,或只作几道练习题,而是不断激发其潜能。
2. 实行开放式教学,鼓励冒尖,支持创新。在教学形式上,有更多的实践性和多样性。在教学活动中,除授课外,还应有自学、讨论、研究、实践的活动。在教学过程中,除课堂实验,习题练习外,还有由学生自己命题,自己设计的课题。
3. 提高学生的创新意识和科学思维的能力,为提高其科研能力有深远的意义。
六、完善新的教学质量管理与保证体系
在建设开放性的、透明的教学质量管理与保证体系制度,实行优化和标准化教学过程中,我们尝试了一些新的教学管理模式,表现在:
1)在课程教学中如何应用大作业,研究论文,讨论,课程设计等多种形式进行教学质量考核的机制。
2)研究与实践采用学生的平时学习研究成果+教学实践研究论文+课程主要知识内容点的闭卷考核的一种综合性的、开放形式的评价标准;
3)试点改革考试,引导学生从记忆型、模仿型向思考型、创新型发展。新的考试方式要求学生在规定的时间内,设计和完成一个教材上没有的而学生从来没有做过的,但学生能创造性地运用所学知识设计和解决的问题。
七、理论教学与实验教学相长
实验教学是基础力学教学的重要一环,是理论联系实际的重要手段。基础力学的理论课程教学依托学院“教育部基础力学实验教学示范中心,将理论教学和实验教学紧密配合,使理论教学和实验教学得到长足发展,主要表现在:
1. 联系工程背景,结合理论教学,开发新型实验
力学是一门古老的基础学科,它有很多经典的实验内容,是工程类学生所必须掌握的;力学又是一门发展中的学科,新兴交叉学科与高新技术的发展不断丰富力学研究的内容。现代力学实验课教学必须与时俱进,体现这种特点。
近年来基础力学教学团队主持和参与开发的创新实验有:
1. 特色实验:叠合梁的实验
由基础力学教学团队韦林牵头开发的、针对近代工程中大量应用的叠合梁构件实验设计,将材料力学中的理论教学和工程中的实际应用结合,使学生通过实验,掌握了叠合梁构件的受力特点。
2. 特色实验:用单自由度的单摆实施悬臂直梁动力减振实验
由基础力学教学研究部王斌耀牵头开发的、针对我校土木工程高耸结构的特点,我们自主开发了质量摆吸振结构的实验设计。实验的目的是定性和直观的模拟建筑物在地震载荷下的的减振—单摆吸振器的工作原理。该实验作为具有特色的实验,为我院申报“教育部教学实验示范中心”的成功提供了非常重要的基础,并受到评审专家的肯定。
3. 特色实验:动摩擦因数的测定实验
由基础力学教学研究部方明霞牵头开发的动摩擦因数的测定,通过光电效应,能准确地测定动滑动摩擦因数。此实验已申报专利。
通过新型实验的开发,结合传统实验,使学生在实践中探求认识规律,培养探求未知世界的科学素质和坚韧不拔的精神。同时为今后本科力学实验基地的建设,实行学习、科研、实验相结合奠定了良好的基础。
4.学生自主实验: 桁架设计与制作
本着面向21世纪土建类人才培养计划的勾划,要对学生从低年级开始就接触工程实际,并与相关课程相结合,来拓宽学生的视野和学习的兴趣,变变动学习为主动学习。为此,在已经学习了静定桁架的理论知识后,我们设计了木桁架的设计、制作和试验的课程。经过5年多来的实践,深受学生的欢迎和喜爱。在此课程中我们看到了学生的各种桁架结构的构想,翔实的理论计算,精细的制作,学生的主动学习热情被激发出来了。达到了课程设计的预期效果。
5.利用现代电子信息技术开发虚拟实验
在工程力学教学中开展实验教学是极其重要的一个环节,为了有效地让学生完成相关的实验课程,避免学生在实际的实验操作过程中的盲目性。由基础力学教学团队韦林牵头开发的刚体静力学、运动学、动力学课程虚拟实验和姜建华老师牵头开发的变形体力学课程虚拟实验已初具规模,并在己建设的力学虚拟实验室中使用。虚拟实验室内26台联网的计算机安装着各类力学虚拟实验软件(有些是学生自己研制的),通过使用的力学虚拟实验软件可以让学生从课外在计算机上应用图、文、音并茂的计算机动态技术来模拟实验教学的整个操作过程,并在操作中配有相应的理论指导,通过这个环节来较好地解决相关的教学盲点。并且学生可不受时间约束、不受地点限制,按个人的要求反复使用虚拟试验来指导自己的创新实验学习过程,甚至可以按自己的要求设计新的实践项目。
这些虚拟实验建设后,可补充常规实验的学时与项目,提高学生设计性、创新性实验的能力,学生也可以通过网络通讯予以学习这些实验项目,巩固所学的理论知识。并且虚拟实验的教学中心将与全校各实验中心、校图书馆联网,实现资源共享的条件。
八、在教学实践中注重教学研究
团队还注重教学法的研究,写出了一些高质量的教学论文,在中国力学学会主办的《力学与实践》上发表,这些文章得到有关专家的好评。如对原各教科书中出现的一个推导(已延续了50年)错误,写出了相关论文,已在《力学与实践》2007年发表。

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