机械电子工程专业工程力学教学改革与实践

   陈为林，刘  军^*，卢清华，张云志，张清华  

（佛山科学技术学院 机电工程与自动化学院，广东 佛山 528000）

[摘  要]针对机械电子工程专业学生对工程力学学习兴趣不足、学习难度大、学习效果不佳的问题，开展机械电子工程专业工程力学教学改革与实践。首先，分析目前机械电子工程专业工程力学课程教学存在的问题。然后，结合自身教学实践提出教学优化方法，以解决机械电子工程专业工程力学课程教学存在的学时不足问题，提升学生对工程力学重要性的认识，增强学生推导工程力学公式的能力，突破实验教学的局限性，贯彻课程思政教学改革要求。本文有关工程力学的教学改革思考与实践有利于进一步提升机械电子工程专业的人才培养能力。

[关键词]机械电子工程；工程力学；教学改革 

[基金项目]2019年教育部产学研协同育人项目，201902252031，“双学院制”模式下复合应用型机器人创新人才培养(2020年立项)；2020年广东省高教育厅等教育教学改革项目，“科-产-教”融合背景下机电类创新型人才培养模式的改革与实践(2020年立项)。

[作者简介]陈为林(1990-)，男，广东汕头人，博士，佛山科学技术学院机电工程与自动化学院，副教授，主要从事工程力学教学与机器人机构学研究；刘军(1967-)，男，江西兴国人，硕士，佛山科学技术学院机电工程与自动化学院，教授、副院长(通信作者)，主要从事机械工程教学管理与金属材料加工技术研究；卢清华(1978-)，男，江西修水人，博士，佛山科学技术学院机电工程与自动化学院，教授，院长，主要从事机器人机构学与机器视觉研究。

[中图分类号]：G642.0    [文献标识码]：A   

1 引言

对于机械电子工程专业本科生而言，工程力学是一门重要的专业基础课。通过研究各种工程中机械运动与变形最普遍、最基本的规律，工程力学可以指导人们科学地从事工程技术工作。该课程以高等数学、线性代数和大学物理为基础，主要包括静力学与材料力学两部分内容，为机械设计基础等机械电子工程的专业核心课提供了理论基础。同时，力学技能和力学素养的全面培养是高素质复合型“新工科”人才培养的基础^[1]。然而，在教学实践中发现，机械电子工程专业工程力学课程教学存在诸多问题，导致学生学习兴趣不足、学习难度大、学习效果不佳，进而影响机械电子工程专业学生在后续专业课和实践活动中进行正确的力学分析。因此，亟需结合机械电子工程专业的特点，开展工程力学课程教学改革。

2 机械电子工程专业工程力学课程教学存在的问题

首先，工程力学理论教学内容多、数学基础要求高、知识点抽象性强、思维方式跨越大，与机械电子工程专业工程力学课程理论学时短的特点相矛盾，影响学生的学习效果。工程力学课程涵盖12单元主干内容：受力分析、平面力系、空间力系、摩擦、拉伸与剪切、扭转、弯曲内力、弯曲应力、弯曲变形、应力应变分析、组合变形、压杆稳定。并且，每单元内容均涉及大量的公式推导与抽象的边界条件分析。同时，在学习工程力学过程中，存在5次思维方式的跨越：受力分析“模糊化”、平衡方程的建立依托坐标系、从工程力学静力学部分主要进行刚体分析跨越至材料力学的变形体分析、用微积分思想处理复杂变形、从静力学部分对“正误”的关注跨越至材料力学对“误差”的关注。学生需要足够的思考时间与练习来消化上述内容与思维跨越。但是，以佛山科学技术学院机械电子工程专业为例，该专业工程力学课程理论学时为80学时，平均每单元仅有6.67学时，学生学习压力较大。

其次，学生对工程力学的重要性认识不足。在机械电子工程专业中，有部分学生认为，机械电子工程是一个偏“电”的专业，工程力学并不重要。还有部分学生认为，目前许多仿真软件可以进行精准的力学分析，在实际工作中并不需要像学习工程力学那样进行大量的推导计算，工程力学理论知识的重要性较低。上述认识导致机械电子工程专业学生对工程力学的学习积极性不高。机械电子工程专业强调机电一体化，涉及机器人等新兴领域。该专业优秀学生积极参与机器人相关竞赛(如Robomaster、Robocom)，但通过与参加机器人竞赛的学生交流发现，由于不知如何在实际机器人开发中应用工程力学理论知识，导致即使是专业的优秀学生也逐渐忽视该课程的重要性。

再次，综合分析考试情况发现，学生的工程力学推导能力薄弱，并未有效实现“培养学生的抽象思维能力、逻辑思维能力、科学计算能力”的目标。在后续专业课中，工程力学公式推导被广泛使用。因此，工程力学考试仍应当以计算题为主，督促学生扎实训练公式推导能力。但是，综合分析几届机械电子工程专业学生的工程力学考试情况发现，学生计算题得分偏低，特别是需要公式变换的计算步骤。

然后，国内大部分高校的工程力学实验内容基本停留在验证性实验范畴^[1，2]，影响了学生解决实际工程力学问题的能力。同时，受实验仪器台套数的限制，学生实际动手操作的时间较少，不利于增强学生对抽象工程力学理论的感性认识。

3 机械电子工程专业工程力学课程教学的优化方法

针对机械电子工程专业工程力学课程教学存在的学时不足、学生对工程力学的重要性认识不足、学生的工程力学推导能力薄弱、实验教学局限性明显、课程思政要求贯彻不充分五个问题，可采用如下优化方法。

第一，将有限课时集中于工程力学的关键基础知识点。在机械电子工程专业中，工程力学主要支撑后续的专业核心课——机械设计基础。在机械设计基础中，机构仅讨论平面机构，而平面机构受力形式为平面力系。因此，机械电子工程专业工程力学应侧重讲解平面力系平衡问题，并适当压缩空间力系的教学学时。在工程力学的材料力学部分，轴向拉伸与压缩、扭转、弯曲三种基本变形形式是关键基础知识点，如果能深入理解并掌握这三种基本变形形式的内力、应力与变形定量规律，经过少量学时的引导，学生可以具备自学应力应变分析、组合变形、压杆稳定单元的能力。

第二，针对机械电子工程专业学生认为工程力学及其推导不重要的问题，应在教学过程中讲透工程力学对自动控制原理、传感器原理等专业课的重要作用，并通过具体工程案例讲解其在机电工程控制、传感器设计与分析领域的实际运用。在以自动控制原理为基础的机电工程控制中，机电系统传递函数的精准建立必须结合理论建模与参数辨识，而机电系统理论建模离不开工程力学理论推导。在机器人竞赛中，部分学生认为传递函数可以直接通过实验频响函数获得，无需理论建模。但这种纯实验方法属于黑箱模型，其准确性易受实验精度影响，而且频带宽度较低。对于力传感器而言，其本质是将力信号转换为电学输出信号，在上述转换过程中，不仅需要电路，通常还需要梁、轴、杆等材料力学基本单元作为应力应变转换媒介，而材料力学基本单元的力学模型是建立力传感器优化模型的基础。例如，在MEMS气压传感器设计中，可以采用基于压阻材料的梁单元将气体压强转换为挠曲变形，进而通过压阻效应，使挠曲变形产生电阻变化，运用惠斯通电桥，可以将电阻变化转换为可以直接测量的电压/电流变化。只有建立基于压阻材料的梁单元的力学模型，才能进一步优化传感器的输入输出特性，提升传感器的灵敏度。运用具体案例，讲透工程力学对机械电子工程专业“电”类专业核心课的重要作用，可以提升机械电子工程专业学生对工程力学重要性的认识。学生的学习动力是教学活动达到预期效果的前提条件^[4]。只有提升机械电子工程专业学生对工程力学重要性的认识，才能增强其对工程力学的学习动力。

第三，优化过程性评价措施，引导学生在课外强化自主练习。在传统的教学实践中，一线教师主要通过平时作业批改与随堂检测等过程性评价措施，实时掌握学生的工程力学学习效果。平时作业是训练学生推导能力的重要途径，但在批改作业时发现，学生存在一定程度的作业抄袭现象，并未在完成作业过程中理解公式推导的本质。随堂检测可以迅速检验学生的听课效果，但限于课堂教学时间和学时安排，工程力学的随堂测试一般为基础概念题与简单计算题。在平时作业不能独立完成的条件下，仅依靠课堂教学与随堂测试，对于提升学生的工程力学推导能力而言，是完全不够的。在教学改革实践中，本文作者引入“作业修改成绩”优化过程性评价。实践表明，通过批改学生的作业修改情况，并将作业修改成绩计入平时成绩，可以促使学生认真对待平时作业修改，强化学生对正确推导过程的印象。

第四，采用虚拟仿真的方法，拓展工程力学实验教学手段。从基本教学要求的角度，工程力学实验应实现三种目标：提升学生对基本工程力学规律的感性认识，使学生具备基本工程力学测量能力，加强学生对工程力学理论适用范围的认识。传统的工程力学实验主要聚焦前两种目标，但在第三种目标的达成上较为欠缺。仿真实验作为一种虚拟方式，可以不受实验仪器台套数的限制，使学生在虚拟环境中开展髙效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果^[5]，比如，让所有学生直观认识工程力学理论的适用范围。以本文作者所进行的教学改革实践为例，工程力学教材^[6]指出，“虽然横力弯曲和纯弯曲存在差异，但进一步分析表明，用纯弯曲正应力公式计算横力弯曲时的正应力，并不会引起太大的误差”，该理论实际存在适用范围，可以通过有限元仿真直观认识。

第五，结合机械电子工程前沿与热门领域，以项目竞赛实践为抓手，拓展工程力学实践教学方式。机器视觉是机械电子工程的前沿与热门领域，受到许多学生的青睐。而以Robomaster、Robocom为代表的机器人竞赛，以其竞技性强、评价体系客观的特点，吸引着众多优秀学生。事实上，经过40多年的发展，机器视觉的方法与技术已被广泛应用于航空航天、汽车制造、材料科学、生物工程等领域的力学测试中^[7]，完全可以为机器人竞赛中的工程力学实验提供重要的测量手段，例如：基于机器视觉的结构形变测量、基于机器视觉的机器人射击弹道测量。通过在机械电子工程专业中选拔优秀学生参与机器人竞赛技术培训，并在技术培训中讲授基于机器视觉的工程力学实验手段，可以激发优秀学生进一步深入学习工程力学的兴趣。同时，传统的必修验证性工程力学实验、课外全体学生自行完成的工程力学仿真实验与选拔优秀学生参与的基于机器视觉的工程力学实验培训，共同构成了多层次工程力学实验教学体系，有效拓展了工程力学实践教学方式。

第六，开展工程力学课程思政教学改革，提升机械电子工程专业育人水平。贯彻落实《高等学校课程思政建设指导纲要》^[8]，将思政教育自然融入工程力学的教学内容中，既有利于增强机械电子工程专业学生学习工程力学的责任感，也有利于提升机械电子工程专业的育人水平。工程力学的课程思政要素主要包括爱国主义精神、科学探索精神与严谨的工作态度^[9]。本文作者通过案例教学，将思政教育自然融入工程力学教学内容。例如，在工程力学绪论的教学中，以宋元战争襄阳保卫战中元军利用工程力学知识优化投石机设计，突破宋军深沟厚墙的防御工事为例，引导学生认识到工程力学知识关系着国家的存亡；在弯曲变形章节，针对机械电子工程专业常用的工程力学公式——挠曲线微分方程及其近似形式，结合公式推导，讲授伯努利家族围绕挠曲线微分方程的接续探索，将传授科学探索精神与讲解公式推导的“技能”自然结合。

4 结论

为提升机械电子工程专业工程力学课程的教学质量，本文首先分析了教学过程存在的学时不足、学生对工程力学的重要性认识不足、学生的工程力学推导能力薄弱、实验教学局限性明显、课程思政要求贯彻不充分五个问题。针对上述问题，结合机械电子工程专业特点，提出了六种教学优化方法并进行了相应的实践：将有限课时集中于工程力学关键基础知识点；讲透工程力学对于后续专业课与专业技术的重要作用；优化过程性评价措施，引导学生在课外强化自主练习；采用虚实结合的方法，拓展工程力学实验教学手段；结合机械电子工程前沿与热门领域，以项目竞赛实践为抓手，拓展工程力学实践教学方式；开展工程力学课程思政教学改革。

[参考文献]

[1] 顾国庆，蔡中兵，佘斌，郭磊，孔海陵，王路珍.新工科背景下应用型高校基础力学课程教学改革[J].高教学刊，2021，4(9)：149-152+156.

[2] 邵俊华，刘翔，王蕾，张泽琳，曹建华. 面向新工科的工程力学实验教学改革与实践[J]. 教育教学论坛，2021(21)：81-84.

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[4] 李俊峰. 成长动力学. 力学与实践，2020，42(2)：242-248.

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[6] 刘鸿文. 材料力学I[M]. 高等教育出版社，2004.

[7] 张建忠，赵东，赵健，吴健. 数字图像相关方法在工程力学实验教学中的应用——以纯弯曲教学实验为例[J]. 中国现代教育装备，2021，4(7)：95-97.

[8] 中华人民共和国教育部. 教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知[EB/OL]. (2020-06-01). http: //www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_46 2437.html.

[9] 陈亮，刘丹，吕鑫颖. 融入思政理念的“工程力学”课程教学改革探索与实践[J]. 福建建材，2021，4(4)：116-118.

Educational Reform and Practice for Engineering Mechanics in the Major of Mechatronic Engineering

CHEN Wei-lin  LIU Jun^*  LU Qing-hua  Zhang Yun-zhi  Zhang Qing-hua

（School of Mechatronics Engineering and Automation, Foshan University, Foshan 528000, China）

Abstract: Aiming at the problems that the students with the major of mechatronic engineering have insufficient interest in engineering mechanics, feel hard to study the course, and cannot learn the course well, the educational reform and practice for engineering mechanics in the major of mechatronic engineering were performed. First, the current existed problems in the education of engineering mechanics for the major of mechatronic engineering were analyzed. Then, according to our educational practice, several educational optimization methods were proposed. The proposed methods can solve the problem that the teaching time of engineering mechanics in the major of mechatronic engineering is not enough, improve the students’ cognition to the importance of engineering mechanics, improve the students’ ability to derive the engineering mechanics formulation, break through the limitation of experimental education, and carry out the requirement for “courses for ideological and political education” educational reform. The thinking and practice of educational reform for engineering mechanics in this paper benefit further improving the ability of talent cultivation for the major of mechatronic engineering.

Key words: