新工科背景下的“飞行器结构力学”教学改革与实践

郭宁 徐超 王乐

摘    要 ：文章针对新工科背景下航空航天卓越工程师培养的需求，分析了“飞行器结构力学”课程在教学过程中的不足，提出了教学改革目标，并结合教学实践，开展引入概念结构力学知识、融入工程背景和典型案例分析、借助有限元仿真技术以及增加实验实践教学等具体的教学改革，从优化教学内容和构建实践平台等方面提出了进一步改革的构想。力求让学生在掌握结构力学基本概念的同时，不断了解新知识，锻炼工程能力，从而培养学生的工程创新能力。

关键词：飞行器结构力学;航空航天;新工科;教学改革

中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2021）10-0012-04

为了应对新一轮科技革命和产业变革，推动工程教育改革创新，教育部先后开展了“卓越工程师教育培养计划”、“新工科”建设、“双一流”建设等教育改革规划[1-3]，旨在培养造就一大批具有创新创业能力、跨界整合能力和高素质的交叉复合型科技人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务[4-5]。2019年1月9日，西北工业大学为了深入贯彻落实全国教育大会、全国高校思想政治工作会议和全国高等学校本科教育工作会议精神，进一步落实立德树人根本任务，牢固树立人才培养的核心地位，全面深化教育教学改革，推动学校“双一流”建设，召开了人才培养大讨论动员大会，明确了坚持“以学生为根、以育人为本、以学者为要、以学术为魂、以责任为重”的办学理念，以培养具有家国情怀，追求卓越、引领未来的领军人才为目标，全面开展人才培养模式改革[6-7]。

人才培养模式改革的基础是课程改革。“飞行器结构力学”课程是西北工业大学航空航天大类高年级本科生的一门必修专业核心课程。在航空航天大类的培养方案中，“飞行器结构力学”具有举足轻重的地位，是联系基础力学课程（理论力学和材料力学等）与工程设计课程（飞行器结构设计等）的桥梁，是从力学基本理论过渡到工程实际应用的重要支撑[8-9]。在国内外航空航天工程学科本科阶段培养体系中，“飞行器结构力学”均视为最重要的专业基础课程。

一、新工科背景下的飞行器结构力学课程教学改革的必要性

西北工业大学所沿用的飞行器结构力学教学体系基本来自前苏联，特别强调结构的定量计算和求解技巧，在计算机仿真技术尚不发达的情况下，对提高学生解决实际问题的能力具有重要的意义。然而，随着计算机技术和有限元分析技术的迅猛发展，工程实际中复杂结构的定量分析都要借助专用有限元分析软件进行，并且已经逐步写入行业设计规范中。在这样的背景下，一方面，传统的结构力学课程所突出的适合手算或者简单计算器计算的定量分析方法在当前工程应用中有明显的不足，掌握这些定量分析和求解技巧与实际工程应用就显得有所脱节。另一方面，大型商业软件的应用具有黑箱化和傻瓜化的特点，这就要求使用者必须具备判断软件分析结果的能力。换言之，培养学生掌握牢固的力学概念，能够将力学概念与实际工程进行紧密联系并有效融合，进而在概念分析基础上进行合理的结构创新，这成为当下和未来飞行器设计工程师培养的主要目标，也符合卓越工程师和新工科教育培养计划中强化培养学生工程能力和创新能力的具体要求。因此，如何应对新工科背景下航空航天卓越工程师人才培养的需求，针对“飞行器结构力学”课程教学中的不足进行适应性改革，是目前构建西北工业大学航空航天大类培养体系中亟待解决的问题。

二、新工科背景下“飞行器结构力学”课程教学改革目标

立足当前新工科人才培养需求，改变以往教师供给主导的教学模式和“重知识，轻能力;重理论，轻实践”的教学理念，以提高学生自我认知和技能为目标，开展“飞行器结构力学”教学改革。在传统结构力学课程中计算能力培养的基础之上，突出结构概念、定性分析与工程思维能力的培养，同时探索与培养目标相适应的教学方式，从而形成集知识性、趣味性、工程性和思维性于一体的“飞行器结构力学”创新性教学模式。

三、“飞行器结构力学”教学改革实践

“飞行器结构力学”课程的改革应以培养学生具备坚实的力学概念和灵活运用基本概念定性分析结构问题为主线，以工程实践为背景，以案例分析为手段，以学生的工程思维训练与创新实践能力培养为根本目标来具体实施。

（一）从定量结构力学到定性结构力学

传统飞行器结构力学中，主要强调采用力法和位移法等矩阵位移分析方法对平面桁架、空间桁架、平面刚架、空间刚架和板—杆结构等进行定量分析。这些方法最早是在20世纪初由于当时计算机技术和数值分析方法的发展不足而建立起来的一些特殊的定量计算方法。这些方法的教学占了“飞行器结构力学”课程的三分之二以上，具有“定量”结构力学的特点。

一方面隨着商业有限元分析工具的成熟和广泛应用，很多传统的结构力学计算方法已经凸显出不足，另一方面新工科背景下的教学培养中更注重学生应用知识解决问题能力的培养。笔者尝试对课程教学内容从“定量”向“定性”转变，重视力学基本概念的教学。首先，对原课程体系的定量部分内容进行删减，变为自修内容。删除的内容有：结构位移计算的弯矩图乘法、摩尔圆法、变剖面机翼计算结构力学等。增加定性结构力学内容，定性结构力学也称为概念结构力学[10-12]，突出采用定性分析的方法对结构体系进行基本认识，掌握定性结构力学方法是学生简化复杂工程结构，得到有限元等计算模型的基础，同时也是判别有限元计算结果（如应力、应变和位移云图等）是否正确的主要手段。另外，还新增加了传力分析、飞行器典型结构体系以及静不定体系的简化分析方法等内容。传力分析部分重点讲解对复杂结构体系的传力分析内容;飞行器典型结构体系的讲解以工程中蒙皮骨架和半硬壳式结构为主要对象，将典型气动面承载体和舱体承力体系作为主要讲授内容，帮助学生建立基本的结构概念体系;静不定体系的简化分析方法重点讲解对工程中的典型静不定体系进行简化计算的内容，简化计算是指能直接手算给出各构件大致力学状态的方法。

（二）从理论教学到有限元仿真辅助教学

“飞行结构力学”课程内容具有计算量大、概念抽象和逻辑性强等特点，学生在学习过程中很难直观理解结构的受力特性和传力特性，导致学生无法较容易地掌握理论分析方法，更谈不上对其有深刻的理解。随着力学分析软件的普及，有限元仿真辅助教学已逐步开始融入到力学类课程的理论教学中[13-16]。因此，笔者同样利用商业有限元分析软件建立了典型构件受力特性的数字化案例库。在此需要说明的是，在教学中不需要对有限元分析软件和有限元方法进行介绍，仅仅利用商业有限元分析软件强大的后处理显示功能。

教学中，教师在讲解完理论知识点，让学生利用理论知识进行例题的练习之后，再展现相应的有限元分析结果，让学生通过对比理论结果与有限元分析结果之间的异同，并独自分析原因，来加深对知识点的认识。例如，在静定薄壁结构内力计算中“板元件的平衡”部分的教学中，我们通常的教学方法是：首先给出基本假设;其次让学生进行板元件的受力分析;再次根据平面力系平衡求解得到未知力;最后总结出板元件的受力特点。具体如表1所示。

然而，经过多年的教学发现，学生在学习完此小节课程后，大多有如下疑问：（1）杆板式薄壁结构计算模型的基本假设在解决实际工程问题时是否适用;（2）理论分析结果是否与实际相符;（3）如何根据分析结果来校核结构的强度。为了明确回答学生提出的疑问，我们可利用已建立的有限元数字化案例库中的实例，利用直观详细的应力云图结果回答学生的上述疑问。如，本小节的教学中，通过展示静定三角形、矩形、平行四边形和梯形杆板式薄壁结构的有限元模型分析结果（即σ11、σ22和т12应力云图，详见表2），首先让学生独立对比理论结果与有限元结果之间的差异，培养学生的独立思考能力;其次，引导学生分析两者结果之间的异同，深化对力学基本概念（如，板元件内力分布假设）的认识，并了解理论知识向实际工程应用转变时的差异，培养学生的工程应用能力;最后，让学生了解飞行器结构力学理论知识在当前飞行器结构设计中的重要地位，提高学生学习理论知识的积极性。

（三）从课堂教学到工程实践教学

根据各章节知识点，在讲授新知识前，通过在线资源构造实际工程情景，引出具体的教学内容。例如，在桁架结构分析部分，分别以飞机不同的着陆方式、月球车着陆等工程事件为切入点，培养学生从工程中提炼问题，将复杂工程问题提炼为简化的结构力学问题，将复杂工程对象简化为结构力学计算模型的能力。

在结构分析部分，首先从大量的实际结构，如国内外实际型号的运载火箭、飞机和航天器等具体结构抽取出待分析结构，再直接应用课程中讲授的方法进行结构分析。例如，在传力结构分析中，直接以我国红旗-2号地空导弹弹翼为对象，进行力学模型构建、传力途径分析的教学。通过典型的工程案例式教学，让学生在潜移默化中就能将工程思维渗透到结构力学的学习过程中。

为进一步提高学生对结构力学概念的应用和工程实践能力，在改革后的课程中增加了实验实践教学环节。目前已开设的实验内容有：等强度梁结构设计与实验研究、静定弯扭组合实验研究、静定薄壁结构实验研究、压杆稳定实验研究等。增加的实践环节有典型飞行器结构的设计和传力分析。实验实践教学部分采用小组教学的模式，学生分成若干课题小组，利用所学知识完成实验内容和实例设计任务，并以学术报告会的形式进行成果展示。通过实验实践教学，学生将课堂所学的结构力学的基本概念、所认識的承载体系和结构力学的分析方法等融会贯通，既强化了理论知识的理解，又培养了学生的实践动手能力。

四、结语

经过改革实践，学生对于“飞行器结构力学”课程的总体满意率较高，特别对实验实践等环节的评价较高，但目前“飞行器结构力学”教学模式还可以进一步改进，以更好地为培养航空航天卓越工程师服务。

（一）进一步优化课程内容

目前正处于飞行器结构技术快速发展和结构设计规范快速更新期，在这一过程中，结构力学的内容也在推陈出新，如复合材料结构力学、智能结构力学等内容;同时也有很多经典内容经久不衰，被认为是结构力学中的核心知识。如何优化经典结构力学教学内容，使之与当下快速发展的结构技术密切结合，让学生在掌握结构力学基本概念的同时，不断了解新的结构知识，锻炼工程思维能力，将是下一步课程优化的重点。

（二）构建自主式实验实践平台

根据调查结果，学生普遍对小组式实验实践环节很感兴趣，这充分体现了学生对加强工程实践能力培养的渴望。但目前课程教学仍是教师命题和集中完成的“做作业”模式，还不能充分锻炼和培养学生的概念应用、工程实践和创新能力。在今后的教学改革中，应着重构建开放式结构力学课程平台，针对课程内容，增设多个模拟工程实践项目，供学生自主选题并可常态化开发，进行结构设计实践;同时充分利用3D打印等技术，鼓励学生将结构设计模型实物化，从而真正实现工程实践和创新能力的培养，全面提高航空航天卓越工程师的综合能力。

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[责任编辑  杨    波]