1.“工程力學教學團隊”, 2007年被評為“首屆北京市優秀教學團隊”和“首屆國家級教學團隊”
工程力學教學團隊現有教師27人(包括6名實驗室兼職教師),其中:教授8人,副教授11人,高級工程師1人,講師5人,實驗師2人。教學團隊每年承擔着全校1600名左右本科生的《理論力學》(96學時、80學時)、《材料力學》(80學時、72學時)、《工程力學》(64學時、80學時)和相關力學實驗以及全英文課程《理論力學》(64學時)、《材料力學》(48學時)、《工程力學》(64學時)的教學任務。
教學團隊以首屆國家級教學名師獎獲得者梅鳳翔教授為帶頭人,以全國優秀教師、國家傑出青年科學基金獲得者胡更開教授和全國優秀教師、第三屆北京市教學名師水小平教授為團隊核心,注重國際發展前沿,重視學科交叉,治學嚴謹;注重教學質量,教學與科研有機結合,為高水平的教學提供了強有力的保證。團隊教師師德高尚、愛崗敬業,勇于創新,無私奉獻,業務精湛、甘于在基礎教學第一線辛勤耕耘,具有強烈的事業心、責任感和團結協作精神,在工程力學課程的立體化教學改革及相關課程的教學工作中做出了顯著成績,起到了示範和帶頭作用。
教學團隊注重教學研究、改革與實踐工作,對課程體系和教學内容進行了優化組合,編寫了特色教材;積極開展教學方法與授課藝術的研究與探讨,将現代化教學手段與傳統課堂教學有機結合,充分發揮現代教育技術在提高教學效率和教學質量方面的重要作用,以提高教師的教學水平;實行啟發式、互動式、探讨式、研究式教學,注重教師個性化教學風格的培養,為學生提供高水平、多樣化的聽課選擇,很好地激發了學生學習的積極性與主觀能動性;堅持科研與教學的互動,既豐富了教學内容、又深化了課程改革,通過吸收優秀學生參加教師的課題組活動,既啟蒙了學生的科研興趣并加入到科研行列,也拓寬了教師的科研思路;将培養學生的實踐創新能力作為實驗教學的中心任務,堅持科研成果向實驗教學轉化,堅持實驗教學與工程實際的緊密結合,用數字化虛拟實驗促進實驗教學,優化實驗資源,擴大實驗教學受益面;每年開展一次校結構設計大賽,在北京市大學生建築結構設計競賽中獲得優異成績,積極組織學生參加全國大學生周培源力學競賽并獲得突出成績,有效地培養了學生的綜合素質和創新能力;通過網絡課程平台的建設進一步提高了為學生服務的質量等。
2.《工程力學》課程,2006年被評為北京市精品課程和國家級精品課程
課程定位:《工程力學》(含72學時的《理論力學》和72學時的《材料力學》)是許多工科專業的一門重要技術基礎課,它不僅是整個力學學科的基礎,而且也為有關專業學生學習後續相關課程和将來從事科學技術工作奠定必要的基礎。學生在學習工程力學時需要有清晰的物理概念和形象的幾何直觀,準确地理解基本概念和基本原理,熟練地掌握數學推理和分析與求解問題的基本方法,因此,工程力學具有科學嚴密性和應用靈活性緊密結合的魅力,是培養和訓練學生綜合研究素質的一門較好課程,可以較好地培養學生的邏輯思維能力、抽象簡化能力、實踐應用能力和初步的科學研究能力。通過該課程的學習,學生不僅可以掌握力學的基本概念和定理或原理,還可以學會處理力學問題的基本方法和技能。同時,它又是一門将高等數學知識較早地應用于工程實際的課程,在對學生進行工程意識與工程能力、科學素質與創新能力的培養中起到了舉足輕重的作用。
實施的過程:(1)精心組織和安排教學内容。課程組在每個學期課程講授之前,都要召開任課教師的教學預備會議,就本學期的教學内容安排、學時分配、教學進度等問題進行讨論,任課教師集思廣益,提出本學期重點,要抓的教學内容和關鍵環節;每個學期期末考試之後,也要集中在一起,讨論一下考試中所反映出的問題,并探讨如何在下屆學生的教學過程中加以改進。(2)開展教學方法與授課藝術的研究與探讨,實行啟發式教學,激發學生學習的積極性與主動精神。聘請教學效果優異的教師傳授教學方法和授課藝術,大家在一起相互交流,相互啟發,有效提高教師的教學水平。在實際的課堂教學中,摒棄滿堂灌、填鴨式的教學方法,更多地采用啟發式、互動式、讨論式教學方法,啟迪學生的思維,激發學生的求知欲望和聯想能力,特别是培養學生發現問題和解決問題的能力,使學生學會學習、學會創新,鼓勵和引導學生通過自己的研究寫出小論文,培養學生的全面素質,特别是創新能力。(3)貫徹“學生為主體、教師為主導”的教學理念。尊重學生在學習活動中的主體地位,針對學生的理解能力和接受能力的個體差異,作為課堂教學的有效補充手段,課程組堅持教師面對面地給學生答疑,學生在學習中遇到的問題可以及時獲得教師的幫助,避免了問題的積累,使得學生能夠跟上課程的進度。答疑時不是簡單地給出答案,而是引導學生自己逐步發現問題出在何處,又如何解決問題,同時再給出相關的或者更深入的問題讓學生回去思考,讓學生體會思考和研究的樂趣。(4)現代化教學手段與傳統課堂教學的整合,充分發揮現代教育技術在提高教學效率、提高教學質量方面的重要作用。在《工程力學》課程的教學過程中,剛體系統的各種運動形式,構件的受力變形與破壞過程都可通過大屏幕直觀地表現出來,使枯燥難懂的内容變得生動、形象,可以充分調動學生的學習興趣和學習積極性,更好地培養學生的空間想象能力和創造性思維,這是傳統教學手段無法比拟的,課程組積極鼓勵任課教師使用多媒體教學設備,很多教師都結合自己的教學體會編制了特色鮮明的教學課件。同時考慮到課程學習的主要目的是培養和訓練學生的思維能力和分析問題解決問題的綜合能力,而以傳統的粉筆黑闆為載體更能将這一分析思考的過程直接的再現,可使學生加深印象。課程組在強調教學效果的前提下,不主張千篇一律的授課形式,注重培養教師個性化的教學風格,鼓勵教師采用最适合自己的教學手段。另外,利用校内校園網上的網絡課程平台,開通了《工程力學》網絡課程,學生可随時利用該平台浏覽授課教師的課件,在網上的讨論區中就某個問題與教師開展讨論,教師也可通過該平台與學生溝通,布置作業、思考題、選做題,發布通知等。學生還可進入網上的教學資源庫,浏覽與課程相關的背景資料及其他拓展内容,這就給學生提供了一個更廣闊的自主學習的空間。通過多種教學手段的有機結合,相互取長補短,更好地促進了教學效果的提高。(5)編寫了教師好教,學生好學,集基本概念、基本理論、解題指導和富有創意的思考題、習題于一體的特色鮮明的工程力學系列教材和教學輔導書,充分體現了我校在工程力學教學研究、改革與實踐方面所取得的豐富成果,有效地擴大了社會影響力。(6)抓好教學秩序,改革考試手段,合理公正地評價學生的學習成績。為了督促學生在平時的學習中嚴格要求自己,跟上課程學習的進度,确保學習上不掉隊,課程組要求任課教師對學生的課堂出勤率及平時作業的完成情況有完整的記錄,并與平時成績挂鈎;期末考試注重考查學生分析問題和解決問題的能力,避免死記硬背;考卷評分标準統一,結合平時成績,用科學的量化的評測方法給出總評成績,對學生的成績給出合理公正的評價,各個教學班考試結果都給出成績分析,通過分析找出教學中存在的問題;同時對于自學能力強的學生也允許其直接參加考試,但沒有平時成績,卷面成績即為學期的考核成績。對有小論文和參加校結構大賽的學生進行所在學期的考核成績直接加分,并對獲獎學生和參加周培源大學生力學競賽獲獎學生進行重點加分。
3. “工程力學課程教學改革與實踐”,2004年獲北京市教育教學成果(高等教育)一等獎, 2005年獲高等教育國家級教學成果二等獎。獲獎人:梅鳳翔、周際平、水小平、韓斌、劉海燕
對我校工科力學課程進行整合,以力學的基本概念和基本原理為主線,重組教學内容,優化課程體系,改進教學手段,加強力學基礎,突出工程應用,并能反映近、現代力學的某些發展,并将課程體系和内容的改革反映在教材中,編寫新體系的《工程力學》教材,該套教材已于2003年由高等教育出版社正式出版,并被列為普通高等教育“十五”國家級規劃教材,2005年又被評為北京市精品教材;在全校所有機械類、近機類學生中,在同一個教學班由同一個教師采用貫通式方法講授《工程力學》課程(多學時),即按照“運動學—靜力學—動力學”的授課體系将原《理論力學》和《材料力學》的教學内容貫通起來講授,便于學生建立起對力學學科的整體認識。具體成果為:
(1)變先講授靜力學為先講授運動學。其優勢為:運動學對學生來說是一種較新的知識體系,其内容難度較大,先學運動學,有利于調動學生學習的主觀能動性,學生思考和消化問題的餘地較大;在運動學中建立約束、自由度和廣義坐标等基本概念比較自然、形象、易懂,更符合學科内容的内在聯系和人的認識規律;運動學知識掌握紮實後,對正确分析約束力和正确解決動力學問題都幫助極大。在運動學的編寫中強調點的運動學的重要性,尤其注意講清點的運動隻分為直線運動和曲線運動,突出用弧坐标來描述點的速度和加速度。在闡述剛體運動中的平移和轉動時,及時提醒學生注意與點的運動的區别,使學生明白,點做圓周運動時,它可能是定軸轉動剛體上的點,也可能是平移剛體上的點,還可能是一般平面運動剛體上的點,因此不能把點的運動稱為平移和轉動。
(2)變複合運動、平面運動知識體系為平面運動、複合運動知識體系。這樣可以使難點分散,在剛體平面運動一章中僅對一個參考系讨論剛體平面運動的描述,而不引入動坐标系研究剛體平面運動的分解,可以更好地幫助學生正确理解剛體的角位移、角速度、角加速度等較難掌握的概念;有利于突出速度瞬心在速度分析中的使用和幾種特殊情況下加速度瞬心在加速度分析時快速求解的好處;便于學生從矢量分析、矢量運算上理解兩點速度、兩點加速度關系中相關項的含義;由于先講平面運動,也使過去無法求解的牽連運動是平面運動的點的複合運動問題得以解決。
(3)以靜力學的基本概念、力系的簡化、力系的平衡重組原《理論力學》課程中的靜力學内容。采用了以力系的主矢和主矩為線索、以力系簡化為手段、以平衡方程的應用為重點、由空間力系到平面力系的新體系。這樣做,不僅可以避免教材自身以及與學生已有知識的許多不必要的重複,節約授課學時;同時,與原《材料力學》課程中從已知外力出發利用平衡方程求杆件的内力,并畫内力圖的内容能夠很好地銜接,有利于減少與大學物理及材料力學教學内容的不必要重複;力系的主矢和對某點之主矩,是表征力系性質的兩個特征量,它既是靜力學的更是動力學的兩個不依附于力系簡化的重要概念,因此,将它放在力系簡化之前講授,有利于消除過去曾産生的“沒有力系的簡化就沒有力系的主矢和主矩”的誤解,這對靜力學和動力學的學習都有益處。
(4)在動力學中,改變傳統體系為先講授動能定理,然後将動量定理和動量矩定理合并成動量原理講授,再講授達朗貝爾原理。其目的是:第一,能突出動能定理在解決非自由質點系在已知主動力求運動的大量問題中的獨特作用。第二,能克服過去在學完動量定理後,不能處理需要先求運動,再用動量定理求動約束力的一類問題。第三,有利于學生理解動量原理和達朗貝爾原理在處理動力學問題上的等價性。此外,為強化學生對動能、動量、動量矩這些運動特征量的理解和計算能力的培養,在三個定理中均單獨列節,突出講解它們的定義和計算方法,并配備相當數量的例題和習題,以利于學生将動力學的學習與已有的運動學知識有機地結合起來。
(5)更多地采用從一般到特殊的内容體系。其優點為:第一,這種體系強調的是用全新的知識體系去理解基本概念和基本定理,使學生對知識的理解從具體而片面提高到一般而全面,避免學生因對力學基本規律的認知的局限性而盲目應用所造成的錯誤。如平面剛體作定軸轉動時,其速度為零的點,加速度為零的點,及該剛體上各點的曲率中心都為同一個點,而一般平面運動的剛體,其速度瞬心和加速度瞬心不再重合,這兩個瞬心一般不再為平面運動剛體上點的曲率中心,且一般平面運動剛體上各點的曲率中心在同一瞬時一般也各不相同,若學生用定軸轉動去理解一般平面運動經常出錯,但若學生将平面運動剛體的運動規律認識清楚了,大學物理課程中對定軸轉動剛體的有關結論僅是它的特殊情況而已。第二,這種知識體系在教材的順序安排及講述上,提高了起點。如《材料力學》先講授杆件的内力分析和杆件的内力圖的繪制,然後将應力應變分析和應力應變關系的内容提前到拉壓、扭、彎等各種具體的基本變形形式的分析之前,引導學生對變形體從一開始就能建立起一個更加全面而深刻的概念,然後在較高的認識起點上,再進一步分析各種具體的變形形式,使學生對變形的分析、理解更加透徹。第三,這種知識體系要求對以前課程中沒有給出的一般規律有更加本質的闡述,如對動點的動量矩定理,通過對其一般公式的推導,使學生明白隻有在幾種特殊的情況下,其形式才與對慣性空間中定點的動量矩定理的形式相同,使學生理解對定點和對動點的動量矩定理有本質的區别。
(6)在《材料力學》的編寫上特别強調了能量法。具體體現在:第一,能量法是求解結構位移的一般性方法,突出由單位載荷法得到的莫爾積分及直杆時的圖乘法對求解杆件在複雜載荷作用下或複雜結構的位移計算的快速方便之處,進而在靜不定結構的快速求解中得到有效應用,并充分利用對稱性和反對稱性簡化相關結構的求解所具有的獨特魅力。第二,增加了能量法在壓杆的穩定性計算中的應用,很好地呼籲了《理論力學》中所闡述的平衡位置穩定性分析的相關結論,即利用系統總勢能的變分等于零是壓杆穩定平衡與不穩定平衡的臨界點,由此确定臨界載荷。第三,能量法是沖擊載荷作用下複雜結構應力和位移等計算的最有效方法。
(7)将理論力學和材料力學融彙貫通,而不是簡單的組合。例如,“内力”的概念,以前在理論力學和材料力學課程中是完全不同的,材料力學中講到内力時,特别要強調内力的概念與理論力學中不同,是變形引起的附加内力,物體若不發生變形(即剛體)就沒有内力,對此學生很不好理解,現在我們将内力的概念統一起來,即内力為杆件在某一橫截面兩側部分的相互作用力系對橫截面形心的等效結果,對于剛體,因其剛度趨于無窮,内力不會引起變形,學生接受起來很容易。對原理論力學中的力系簡化,力對軸的投影,力對軸的矩,以前學生常覺得隻是個數學問題,現體會到在材料力學的内力分析及位移計算中有重要的應用。原材料力學中對扭轉、彎曲應力公式的推導中用到的三條件法,其中一個條件叫靜力平衡條件,多年來許多教材都這樣寫的,現在我們認為,用理論力學中的概念來推敲,這種提法并不确切,實際上應力與内力的關系是一個力系等效關系,并不是平衡關系,求杆件某截面上的内力才是力系的平衡問題,因此,我們将其改為力系的等效條件。
實踐表明,通過以上教學改革,有利于幫助學生在較短的時間内深入理解并融會貫通所學知識,掌握綜合分析和解決基本實際力學問題的方法,使學生具備理論聯系實際的能力,并富有開拓精神和創新思維,更好地滿足新世紀對人才培養的要求。
4.“研教結合提升學生創新能力的力學教學模式”,2012年獲第七屆北京市高等教育教學成果獎二等獎,獲獎人:胡更開、水小平、韓 斌、馬少鵬、劉戰偉
成果内容概述:構建以研究貫穿其中的三個層次的本科力學教學體系,堅持“研教結合”,提升學生創新能力:寓研于教,在低年級基礎知識和基本概念的學習中,用研究的方法引導學生,使學生提升興趣并加深理解;以研促教,在專業課程教學中,以研究項目的方式組織實踐教學内容,讓學生牢固掌握基本實踐技能,鍛煉學生的自主思維和實踐能力;寓教于研,讓高年級學生直接進入實驗室和課題組接觸學科前沿并進行科學研究,用“科研實戰”真正提升學生的創新和綜合解決問題的能力。基本解決了學生感覺力學課程枯燥難學,缺乏學習興趣而導緻力學課程學習效果較差的問題;一定程度上解決了學生缺乏創新意識,科學研究和綜合解決問題的能力不強的問題;使力學教學較為普遍存在的“重理論,輕應用”的傾向和“教學内容與工程實踐相脫節”的現象有較大改觀。
成果的創新點:(1)對工科學生《工程力學》課程(多學時)的課程體系和教學内容進行深層次的教學改革與實踐,并将之固化在特色鮮明的普通高等教育“十一五”國家級規劃教材和北京市高等教育精品教材中;以研究型的教學激發學生的學習興趣,夯實學生的力學基礎;通過每年舉辦一次校結構設計大賽,實現理論教學與工程實踐的有機結合,培養學生的創新思維和團隊協作精神。(2)力學實踐教學改變以往被動式的實驗教學模式,實行學生自主參與和自主設計的主動式實驗教學模式的改革;研發了一種基于虛拟現實技術及三維模型操控技術的新型力學虛拟實驗系統,可以在很大程度上緩解由于儀器台套數和師資不足而導緻的實驗力學教學中存在的問題,大大促進了實驗力學的教學。(3)開設為所有學生必修的力學科研訓練課程,科研訓練題目是由幾個任課教師從自己正在開展的科研課題中凝練出來的,學生以小組協作的方式開展相關實驗和科研工作,課題完成後進行成果答辯,讓有興趣、有能力的同學繼續留在實驗室或研究室從事科研工作,從大三開始就實現“想做科研、能做科研、真正做科研”。
5.教學名師:水小平教授(第三屆北京市高等學校教學名師獎獲得者)
水小平,男,漢族,中共黨員,1965年4月出生于浙江蘭溪。1987年7月畢業于北京大學力學系,獲理學士學位,1990年3月畢業于伟德客户端應用力學系,獲工學碩士學位,後留校任教,1995年7月破格晉升為副教授,2000年7月晉升為教授。1992年5月-1996年10月任理科黨總支副書記,1996年11月-2005年8月任力學系副主任,2005年9月-2012年10月任力學系主任,2012年11月至今任伟德客户端院長助理。校《工程力學》課群主講教授,校“工程力學”和“理論與應用力學”本科專業責任教授,全國高等教育自學考試專家組成員。中國力學學會第六、七屆一般力學專業委員會委員。
工作以來一直在教學第一線努力工作,每年超額完成教學工作量,曾主講了《工程力學》、《理論力學》、《材料力學》、《計算機輔助系統動力學》、《FORTRAN算法語言》、《微機原理及彙編語言程序設計》六門本科生課程和《多剛體系統動力學》一門碩士研究生課程。授課時富有激情,思路清晰,層次分明,重點突出,方法恰當,對講授内容非常娴熟,課堂氣氛調動得好,特别能帶動學生并富有啟發性,并注意與工程實際緊密聯系,教學效果優異,得到聽課專家和學生廣泛好評。1996年獲校第五屆青年教師觀摩教學評比一等獎;1997年被評為校(後備)中青年學術帶頭人;1998年獲校第九屆優秀教學成果青年教師一等獎;1999年在北京市專家的随堂聽課中被評為校課堂教學質量優秀教師(全校共8名)。2000年被評為北京市力學教學優秀教師和北京市經濟技術創新标兵;2003年獲校首屆本科優秀教學業績獎(校最高教學獎,全校共9人),并在“T-more課堂教學觀摩月”中被評為校優秀主講教師(排名第九);2006年獲伟德客户端首屆T-more優秀教師獎(校最高獎教金,排名第五),并獲得“北京市優秀教師”榮譽稱号;2007年榮獲“第三屆北京市高等學校教學名師獎”和“全國優秀教師”榮譽稱号。2004年獲北京市教育教學成果(高等教育)一等獎,2005年獲高等教育國家級教學成果二等獎,2012年獲第七屆北京市高等教育教學成果二等獎。所副主編的《工程力學》教材(高等教育出版社,2003年)被列為普通高等教育“十五”國家級規劃教材,2005年被評為北京市精品教材;所編著的《工程力學教程 I —— 理論力學》和《工程力學教程 II —— 材料力學》(兵器工業出版社,2009年)被列為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材,2011年被評為北京市精品教材。作為主要負責人,2006年《工程力學》課程被評為北京市精品課程和國家級精品課程;2006年“基礎力學實驗中心”被評為北京市實驗教學示範中心;2007年“工程力學教學團隊”被評為首屆北京市優秀教學團隊和國家級教學團隊。主要從事多體系統動力學和振動理論及應用的研究工作,先後主持8項橫向課題、1項國防973子項目,以及6項北京市和教育部教改項目,在《力學學報》和《北京教育》等重要刊物上已發表60餘篇科研和教學論文。
6.國家級規劃教材、北京市精品教材和國家級精品課程系列教材
(1)由高等教育出版社出版的《工程力學(上、下冊)》(梅鳳翔主編,周際平、水小平副主編)為普通高等教育“十五”國家級規劃教材(2003年)和北京市高等教育精品教材(2005年)。該套教材既涵蓋了原理論力學、材料力學、 流體力學的基本内容 ( 貫通式寫法 ) ,又反映了科學研究和教學研究的先進成果,符合認識規律,具有啟發性,給學生留有很好的思考空間。
(2)由兵器工業出版社出版的《工程力學教程 I —— 理論力學》(水小平、白若陽、劉海燕編著)和《工程力學教程 II —— 材料力學》(韓斌、劉海燕、水小平編著)為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材(2009年)和北京市高等教育精品教材(2011年)。本套教程注重課程基本概念、基本理論和基本方法的闡述,體系優化、條理清晰、叙述清楚、内容翔實,例題、思考題和習題富有新意,題型覆蓋面廣并難易兼顧,着力培養學生将工程實際問題簡化為适當力學模型,并進行理論分析和工程計算的能力。
(3)由高等教育出版社出版的《理論力學I:基本教程》和《理論力學II.專題教程》(梅鳳翔、 尚玫編著,2012年)為普通高等教育“十二五”國家級規劃教材(2014年)。本套教程内容較多、較寬、較深,各章都有較多兼顧理、工科的典型例題和習題,增加了與航天有關的有心力運動,特别讨論了對動軸的動量守恒律和動量矩守恒律,每章後都有個小結,除總結本章的理論與應用要點外,還寫進了作者的一些教學研究成果。
(4)由電子工業出版社出版的《理論力學教程》(水小平、白若陽、劉海燕編著,2013年)、《材料力學教程》(韓斌、劉海燕、水小平編著,2013年)、《工程力學教程》(李海龍編著,2013年)、《理論力學學習指導與題解》(白若陽、水小平、劉海燕編著,2014年)、《材料力學學習指導與題解》(劉海燕、韓斌、水小平編著,2014年)是國家級精品課程系列教材,系統反映了近年來我校開展“啟發式和研究型”教學改革與實踐的成果,有助于讀者熟練掌握課程的基本理論和基本方法,提高分析問題和解決問題的能力以及應試水平,并能起到釋難解惑、開闊視野、增加學習興趣、激發創新思維的作用,既是學生的良師益友,也是教師的得力助手。