三本院校力學(xué)教學(xué)改革思考

楊立斌

摘要：力學(xué)教學(xué)在工程教育中占有舉足輕重的地位，工程師的力學(xué)素養(yǎng)對于他的事業(yè)有重要影響。本文首先敘述了當(dāng)前力學(xué)本科教育，尤其是三本院校中所面臨的挑戰(zhàn)，然后指出力學(xué)教學(xué)改革的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)以力學(xué)知識的學(xué)習(xí)和提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力培養(yǎng)為目的。最后，本文從教材建設(shè)、教學(xué)方式轉(zhuǎn)變、計(jì)算力學(xué)成果引入、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、教師素質(zhì)提高等方面闡述一些提升力學(xué)教學(xué)果效的思路。

關(guān)鍵詞：力學(xué)教育；教學(xué)改革；力學(xué)素養(yǎng)；能力培養(yǎng)

一、引言

在工程類學(xué)科中，力學(xué)在工科的知識結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位。在普通高等學(xué)校力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)情況調(diào)研報(bào)告中記錄比較了國內(nèi)外大學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)課程在幾個(gè)典型專業(yè)所占的比例。以機(jī)械、土木、航空等專業(yè)為例，國外的知名大學(xué)相關(guān)的力學(xué)類課程設(shè)置占到專業(yè)總學(xué)分的10%以上，而我國的相應(yīng)專業(yè)的基礎(chǔ)課程所占比例通常都達(dá)不到10%，有的專業(yè)甚至不到5%?？梢哉f，國內(nèi)相關(guān)專業(yè)的力學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)置的比重是低于國外相關(guān)專業(yè)的。如何在教學(xué)時(shí)數(shù)較少的情況下提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)學(xué)科的興趣及實(shí)際解決問題的能力，是工科院校力學(xué)教學(xué)改革的重點(diǎn)，也是培養(yǎng)面向未來，有創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人員，提升我國制造業(yè)整體水平的重要因素。而學(xué)時(shí)少與提高教學(xué)質(zhì)量的矛盾，對于基礎(chǔ)知識相對較為薄弱的三本院校、高職院校來說，就更為突出。

二、當(dāng)前力學(xué)教學(xué)的挑戰(zhàn)

近些年，由于高校的辦學(xué)規(guī)模迅速擴(kuò)大，高等教育的教學(xué)質(zhì)量也成為社會關(guān)注的問題。力學(xué)教育因其重要性在教學(xué)改革中有獨(dú)特的地位。21世紀(jì)，“力學(xué)+計(jì)算機(jī)”將成為工程設(shè)計(jì)的主要手段。力學(xué)教學(xué)從傳統(tǒng)上說，主要是教師課堂講授知識，學(xué)生聽課做筆記，而教師主要靠布置課后作業(yè)、課后答疑等方式來加強(qiáng)教學(xué)效果。長遠(yuǎn)來看，這種教學(xué)方式仍然會在力學(xué)教育中占據(jù)主要地位。但由于高校的辦學(xué)條件以及學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境、心態(tài)以前有明顯不一樣，這也使得提高力學(xué)學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量面臨一些實(shí)際的困難，現(xiàn)歸納一下，大體有如下幾點(diǎn)。

1.學(xué)生的要求與傳統(tǒng)力學(xué)教育模式的沖突。傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)重點(diǎn)關(guān)注的是學(xué)科體系的完整性、邏輯的嚴(yán)密性、結(jié)構(gòu)的嚴(yán)謹(jǐn)性等，這就不可避免地在教學(xué)中較多地進(jìn)行力學(xué)理論知識的傳授。但理論知識比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)相對困難，尤其某些力學(xué)學(xué)科需要用到一些微積分的知識，這些對于基礎(chǔ)較弱的三本、高職院校的學(xué)生來說，難度偏大。另一方面，過多地講授理論知識，力學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)較為薄弱，學(xué)生缺少對工程問題的真實(shí)體驗(yàn)，難以培養(yǎng)起運(yùn)用力學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的能力。長此以往，學(xué)生就會認(rèn)為力學(xué)不過是些枯燥的公式推導(dǎo)，從而失去學(xué)習(xí)力學(xué)的興趣。例如，筆者在講授“流體”力學(xué)時(shí)，就有學(xué)生提出，能否不講公式推導(dǎo)，只講相關(guān)力學(xué)知識的應(yīng)用。這個(gè)建議雖然難以全盤實(shí)施，但對于講授力學(xué)的教師來說，未嘗不是一個(gè)值得注意的教學(xué)側(cè)重點(diǎn)。

2.力學(xué)教學(xué)方法。傳統(tǒng)的力學(xué)教學(xué)方法以教師講授為主，學(xué)生被灌輸力學(xué)的理論知識，而力學(xué)教材往往也是采用簡化的力學(xué)理論模型，但對于為何采用簡化模型？如何簡化？簡化后的意義等等問題，較少敘述。這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，缺少研究式、啟發(fā)式的學(xué)習(xí)氣氛，所學(xué)到的是有關(guān)的力學(xué)知識，但解決問題的思路卻常常沒有學(xué)會，難以把所學(xué)的力學(xué)知識與隨后要學(xué)習(xí)的專業(yè)問題聯(lián)系起來，使得力學(xué)的學(xué)習(xí)與專業(yè)知識學(xué)習(xí)出現(xiàn)脫節(jié)。

3.教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件。這些年高校擴(kuò)招，由于經(jīng)費(fèi)有限，加上重視不夠，使得力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)速度嚴(yán)重落后于學(xué)生的擴(kuò)招速度。工科的力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容被大幅縮減，實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)重不足?，F(xiàn)有的力學(xué)課程也以輔助教學(xué)為主，主要是驗(yàn)證有關(guān)的力學(xué)理論，缺少工程性與設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課時(shí)主要是旁觀，缺少實(shí)際操作的機(jī)會，因而興趣有限，使得力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的很難達(dá)到。因?yàn)閷W(xué)校擴(kuò)招，使得師生比例低，力學(xué)課通常采用大班授課方式，雖然能夠滿足教學(xué)要求，但師生的交流的機(jī)會減少。教師也很難對單獨(dú)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行跟蹤和指導(dǎo)。

4.學(xué)生的考評方式。長期以來，力學(xué)教育的考評主要是靠期末的考試來測試學(xué)生的實(shí)際水平?？荚囈怨P試為主，考試內(nèi)容通常是上課所講述的力學(xué)知識以及相應(yīng)的力學(xué)解題過程。學(xué)生為了應(yīng)付考試，就需要花費(fèi)大量的時(shí)間來記憶力學(xué)公式和教學(xué)筆記?？陀^上，這種方式可以促進(jìn)學(xué)生對力學(xué)理論知識的掌握，但是否有利于培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力，就無法肯定了。

三、力學(xué)教學(xué)改革的目的

力學(xué)教育改革常常被談?wù)摚母锏哪繕?biāo)是什么？這是需要首先明確的問題，顯然我們不能為改革而改革。但對于力學(xué)改革而言，應(yīng)當(dāng)是力學(xué)知識與運(yùn)用力學(xué)知識解決實(shí)際工程問題能力的培養(yǎng)并重的。力學(xué)知識的學(xué)習(xí)是基礎(chǔ)，實(shí)際解決問題的能力的培養(yǎng)是目標(biāo)，兩者不應(yīng)偏廢。理想的力學(xué)教育模式中應(yīng)當(dāng)是知識學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)并重，以達(dá)到互相促進(jìn)的目的。目前的教育模式過多關(guān)注知識的傳遞，對于能力的培養(yǎng)較少顧及。以筆者在英國學(xué)習(xí)研究的體會，也感受到這種解決實(shí)際問題能力的缺乏，在經(jīng)歷了一些西式的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)后，這種能力才逐步建立起來。

目前在三本院校中有一些悲觀情緒，認(rèn)為能夠在三本院校中能夠成功地把力學(xué)知識講清楚，讓學(xué)生掌握就算不錯(cuò)了，至于能力的培養(yǎng)，就不要奢求了。誠然，有一個(gè)扎實(shí)的力學(xué)知識基礎(chǔ)，對于能力的培養(yǎng)是很有利的，但解決實(shí)際問題的能力，并不要求相關(guān)的技術(shù)人員有全備的知識體系。以英國的大學(xué)本科教育為例，一般只有三年，所學(xué)的力學(xué)科目、學(xué)時(shí)數(shù)都會少于我國的本科學(xué)生。筆者在英國求學(xué)期間也發(fā)現(xiàn)，通常英國的本科學(xué)生的力學(xué)知識并不算多，但英國培養(yǎng)的工程師的質(zhì)量在國際上還是得到公認(rèn)的。英國的教育表明，在較少的學(xué)時(shí)的情況下培養(yǎng)出一批高素質(zhì)的、有解決實(shí)際問題能力的工程師是完全有可能的，而如何把能力培養(yǎng)的方針貫穿到整個(gè)教學(xué)過程中去是相當(dāng)重要的。

四、力學(xué)教育的幾點(diǎn)思考

如何在力學(xué)教育中加強(qiáng)能力的培養(yǎng)，如何在三本、高職院校中培養(yǎng)出一批有創(chuàng)新能力的合格工程師，可以考慮從以下幾方面努力。

1.教材的建設(shè)。一本好的力學(xué)教材對于保證好的教學(xué)質(zhì)量是很重要的。目前國內(nèi)的力學(xué)教材已經(jīng)出版了不少，但適用于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的優(yōu)秀教材并不多見。衡量一本教材的好壞不應(yīng)該以其包含力學(xué)知識的多少來衡量，而主要以是否把問題講明白、講透徹，通俗易懂，深入淺出為原則。筆者在英國求學(xué)期間，接觸到西方的一些經(jīng)典教材，這些教材對于那些學(xué)生不太容易明白，或者容易搞混的地方，常?；ㄙM(fèi)很多筆墨，盡量講得清楚明白。雖然是英文教材，也讓人很有收獲。讀者有一種感受：這些國外經(jīng)典教材的作者似乎生怕讀者不能搞懂，總是盡量把問題說清楚。這種出書的態(tài)度是讓人敬佩的，也是值得國內(nèi)出書人學(xué)習(xí)的。

2.教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。一名力學(xué)教師如果單純采用“填鴨式”的教學(xué)，恐怕是難以讓學(xué)生滿意，也難以有好的教學(xué)效果。在力學(xué)教育中，力學(xué)建模的能力的培養(yǎng)是極重要的，這就需要教師在教學(xué)過程中有意識地加強(qiáng)學(xué)生在這方面的訓(xùn)練。一方面可以盡量采用高質(zhì)量的教學(xué)課件，以強(qiáng)化學(xué)生從抽象模型聯(lián)系具體模型，以及從具體模型到抽象模型的抽象化思維的訓(xùn)練。另一方面，教師在講課時(shí)可考慮多采用“提問+對話”及“問題+討論”等啟發(fā)式的教學(xué)方法加強(qiáng)課堂上的互動，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生的興趣。

3.引入計(jì)算力學(xué)成果。二十一世紀(jì)的工程設(shè)計(jì)的主要模式就是“力學(xué)+計(jì)算機(jī)”。在力學(xué)教學(xué)的過程中，適當(dāng)引入一些計(jì)算力學(xué)的教學(xué)成果是完全必要的。目前在力學(xué)教學(xué)中，比如工程力學(xué)、材料力學(xué)等課程，力學(xué)模型的建立、應(yīng)力和變形分析都是采用手工方式，所采用的分析方法一般是理論解析法。這些分析模型通常有一定的簡化，而實(shí)際的工程問題所研究的幾何對象，所受載荷和約束條件通常都較復(fù)雜，難于用理論分析的方法求解。這樣，學(xué)生在面對實(shí)際工程問題時(shí)難以下手，會有力學(xué)學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的感覺。而借助計(jì)算機(jī)，力學(xué)上的一些概念，如應(yīng)力、應(yīng)變、位移等可以借助數(shù)值、曲線和圖像進(jìn)行直觀地表達(dá)出來，而且借助于有限元分析，一些較為復(fù)雜的工程問題也可以求解，所得的結(jié)果直觀、明白，可以有效地幫助學(xué)生理解力學(xué)上的基本概念，鞏固所學(xué)知識。而且可以提高學(xué)生興趣，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。

對于計(jì)算力學(xué)方面的教育與訓(xùn)練，某些人可能認(rèn)為計(jì)算力學(xué)的有關(guān)知識要求較高，并不適合在本科階段學(xué)習(xí)。誠然，計(jì)算力學(xué)的某些方面的知識，如有限元的數(shù)學(xué)原理、數(shù)值分析等對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有一定的要求，但掌握一兩種數(shù)值模擬軟件并不需要高深的數(shù)學(xué)、力學(xué)知識。英國的機(jī)械工程專業(yè)的本科只有三年學(xué)制，有限元及模型建立方面的實(shí)用知識卻學(xué)得不少。而據(jù)著名的金屬成形分析軟件Deform的創(chuàng)始人吳慰祖先生（W.T.Wu）介紹，美國很多Deform軟件的使用人員都是高中畢業(yè)生。由此可見，某些工程分析軟件的使用門檻其實(shí)是不高的，若能加以選擇、使用，對促進(jìn)力學(xué)教學(xué)改革是大有益處的。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展很快，在普通的個(gè)人電腦上運(yùn)行有限元程序已經(jīng)很普遍。因此，選擇一兩種合適的軟件平臺，在本科學(xué)生當(dāng)中開展有限元等數(shù)值分析建模技術(shù)的課程與培訓(xùn)是完全可行的。

4.力學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革。力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)壳笆且则?yàn)證性的實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生對此興趣有限。教師可以考慮增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)來滿足不同學(xué)習(xí)程度的學(xué)生要求。尤其可以鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)使用有限元、有限體積分析軟件，對有關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行幾何建模，確定邊界條件并分析計(jì)算結(jié)果。這在某種程度上以數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)代替實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作，可以避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)以看為主，并可加深對所學(xué)知識的理解。總之，計(jì)算機(jī)建模與力學(xué)知識的結(jié)合是一個(gè)發(fā)展方向，各個(gè)院校在進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)大力創(chuàng)造條件，為學(xué)生營造良好的軟、硬件環(huán)境。

對學(xué)有余力，希望進(jìn)一步深造的學(xué)生，應(yīng)在本科學(xué)生中實(shí)行導(dǎo)師制，鼓勵(lì)學(xué)生早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，參與教師以及企業(yè)課題的研發(fā)工作。

5.教師素質(zhì)的提高。一名任課教師本身的素養(yǎng)對他的教學(xué)效果是有重要的影響。教師的素質(zhì)至少包含兩方面的內(nèi)容：一方面教師需要有對工作、學(xué)生高度的責(zé)任感，對學(xué)生有愛心和耐心，力求誨人不倦，愛人如己。另一方面教師也需要提高自身的力學(xué)素養(yǎng)，積極參加相關(guān)的科研和進(jìn)修項(xiàng)目，加深對力學(xué)知識及概念的理解，提高解決工程實(shí)際問題的能力。

五、結(jié)束語

力學(xué)教育的重要性對于培養(yǎng)工程人才是毋庸置疑的。如何提升力學(xué)教育的質(zhì)量，培養(yǎng)滿足未來社會發(fā)展要求，能肩挑重?fù)?dān)的工程師，單靠教師和學(xué)校的努力是不夠的，需要整個(gè)社會的努力，營造一種積極、上進(jìn)、正面的文化，以利于人才的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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2.崔玉紅、亢一瀾、羅紀(jì)生，《科學(xué)素質(zhì)和人文素質(zhì)教育的發(fā)展對力學(xué)專業(yè)課的影響》《天津大學(xué)學(xué)報(bào)》（社會科學(xué)版），2002，（4）

3.曲艷東、郭鵬飛、賈艷東等，《工程類專業(yè)力學(xué)教育與工程師培養(yǎng)》，中國電力教育，2011，（8）

4.單輝祖、謝傳鋒，《工程力學(xué)（靜力學(xué)與材料力學(xué)）總序》，高等教育出版社，2004

【責(zé)編 張景賢】