“周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”對(duì)力學(xué)教學(xué)的創(chuàng)新

賈 杰

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”是教育部高教司主辦的大學(xué)生科技競(jìng)賽項(xiàng)目，其目的在于培養(yǎng)人才、服務(wù)教學(xué)、促進(jìn)高等學(xué)校力學(xué)基礎(chǔ)課程的改革與建設(shè)。截至目前，該競(jìng)賽已經(jīng)舉辦了9屆，其影響規(guī)模、競(jìng)賽水平得到全國各高校的認(rèn)可。筆者從第七屆開始作為東北林業(yè)大學(xué)的主要指導(dǎo)教師組織、輔導(dǎo)學(xué)生參加該競(jìng)賽，已連續(xù)參與了3屆，本文將此過程中得到的經(jīng)驗(yàn)、體會(huì)與力學(xué)教學(xué)創(chuàng)新相融合，總結(jié)如下。

1 對(duì)課堂教學(xué)的創(chuàng)新推動(dòng)

高等院校對(duì)于素質(zhì)教育的要求越來越高，怎樣讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握更多的知識(shí)和最新的技術(shù)方法是一個(gè)亟待解決的問題[1-4]。

1.1 引入探究式教學(xué)模式

力學(xué)課程的特點(diǎn)是基礎(chǔ)理論概念比較抽象，理論性較強(qiáng)，從力學(xué)模型提出到理論建立，往往需要應(yīng)用抽象化的方法對(duì)研究對(duì)象加以分析、歸納、綜合和數(shù)學(xué)推演，對(duì)學(xué)生而言并不容易[5]。然而正是因其不容易，教師更要發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，否則課程學(xué)習(xí)將變得十分枯燥。“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”的開展一方面是為增進(jìn)大學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的興趣，吸引、鼓勵(lì)廣大青年學(xué)生踴躍參加課外科技活動(dòng)，另一方面有助于發(fā)現(xiàn)和選拔力學(xué)創(chuàng)新的后繼人才。結(jié)合競(jìng)賽，我校力學(xué)教師變革傳統(tǒng)教學(xué)模式，在教學(xué)過程中引入探究式教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)概念和原理時(shí)，教師精心設(shè)計(jì)，提出難度適宜的一些事例和問題，讓學(xué)生自己通過閱讀、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、討論、聽講等途徑去獨(dú)立探究，自行發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)的原理和結(jié)論[6]。比如，在講授軸向拉壓的時(shí)候設(shè)問“箱包的什么部件最容易損壞？在拖著箱包行走的過程中，拉桿發(fā)生了何種變形？”在講授壓桿穩(wěn)定的時(shí)候設(shè)問“如何定量分析擊劍運(yùn)動(dòng)員刺中對(duì)方時(shí)在劍中發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象？”和“加大拿魁北克大橋倒塌的原因是什么？”這些問題結(jié)合了現(xiàn)實(shí)生活中的力學(xué)問題，創(chuàng)設(shè)了問題情境，引發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考的興趣。探究式教學(xué)模式突出了學(xué)生的主體性地位，讓學(xué)生主動(dòng)地探索科學(xué)原理，掌握認(rèn)識(shí)和解決問題的方法和步驟，這種教學(xué)方法有助于培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神的人才。

1.2 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”的考試內(nèi)容主要包括“理論力學(xué)”和“材料力學(xué)”，以材料力學(xué)為例，教師在授課過程中發(fā)現(xiàn)：該門課程涉及的公式推導(dǎo)較多，比如關(guān)于梁橫截面上正應(yīng)力計(jì)算公式的推導(dǎo)需要分別從幾何方面、物理方面、靜力學(xué)方面來加以考慮；課程中有很多抽象的概念很難用語言或文字簡(jiǎn)單表達(dá)，比如復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和廣義胡克定律；教材中一般都是比較成熟經(jīng)典的知識(shí)，學(xué)科的研究熱點(diǎn)、發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀介紹不夠[7]。針對(duì)這些問題，傳統(tǒng)的板書式教學(xué)或單向的多媒體教學(xué)均難以有效解決，為此，東北林業(yè)大學(xué)創(chuàng)新推進(jìn)使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)(見圖1)，這種利用多媒體和流媒體技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)施教學(xué)活動(dòng)的教學(xué)手段，使得學(xué)生可以利用課前和課后的時(shí)間瀏覽使用該教學(xué)平臺(tái)，作為課堂學(xué)習(xí)的補(bǔ)充和延展，教學(xué)平臺(tái)上豐富的課外資源也成為學(xué)生了解、參與力學(xué)競(jìng)賽的窗口，進(jìn)一步提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

圖1 東北林業(yè)大學(xué)材料力學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

1.3 推行分階段考試方式

“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”盡管是在基礎(chǔ)知識(shí)上進(jìn)行拔高，但其根本還是對(duì)學(xué)生力學(xué)原理和基本理論學(xué)習(xí)的考核，從歷次帶領(lǐng)學(xué)生參與競(jìng)賽的經(jīng)歷看，教師發(fā)現(xiàn)最終能夠在比賽中取得好成績(jī)的同學(xué)往往對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)掌握十分牢固。東北林業(yè)大學(xué)目前對(duì)部分課程試點(diǎn)采用分階段考試方式，基礎(chǔ)力學(xué)課程均涵蓋其中，這不得不說是一個(gè)具有前瞻性的探索。這種對(duì)考試方法的改革在一定程度上效仿了國外大學(xué)對(duì)學(xué)生的測(cè)評(píng)方式，區(qū)別了過去“一次定輸贏”學(xué)生評(píng)價(jià)辦法，重視了學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。具體做法為：期末成績(jī)=平時(shí)成績(jī)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)+第一次考試卷面成績(jī)×20%+第二次考試卷面成績(jī)×20%+第三次考試卷面成績(jī)×20%+期末考試卷面成績(jī)×20%。其中，平時(shí)成績(jī)按照出勤情況、作業(yè)完成次數(shù)及質(zhì)量給出；實(shí)驗(yàn)成績(jī)按照4次實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量(預(yù)習(xí)、操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告)給出；課程測(cè)驗(yàn)(3次)和期末考試采取閉卷考試形式(百分制)，按照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)給出。分階段考試方式促使學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊檢驗(yàn)，對(duì)所學(xué)知識(shí)掌握更為牢固，也就具備了參與高水平競(jìng)賽的基礎(chǔ)。

2 對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新推動(dòng)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育中不可缺少的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，具有直觀、實(shí)踐性強(qiáng)與有助于更好地理解理論知識(shí)等特點(diǎn)[8-10]?！叭珖芘嘣创髮W(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”將實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提高到與理論創(chuàng)新能力同樣的高度，從第六屆競(jìng)賽開始，進(jìn)行基礎(chǔ)力學(xué)的團(tuán)體實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽，以促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，這種做法無疑對(duì)本科力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新起到了很好的推動(dòng)、促進(jìn)作用。

2.1 開放式實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室是教學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要場(chǎng)所，為支持學(xué)生的科學(xué)研究，我校力學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)行開放式實(shí)驗(yàn)室管理制度。過去封閉式實(shí)驗(yàn)室雖然保障了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全，降低了實(shí)驗(yàn)教師的工作量，卻也造成實(shí)驗(yàn)室利用率低下，資源設(shè)備閑置，以及學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)興趣缺乏，為應(yīng)付考試而完成實(shí)驗(yàn)等問題。開放式實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)發(fā)揮著巨大作用，它使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供更多動(dòng)手的機(jī)會(huì)，這對(duì)提高學(xué)生獨(dú)立思考、獨(dú)立操作能力的培養(yǎng)以及從事實(shí)驗(yàn)研究興趣的激發(fā)是非常重要的。

我校力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的開放制度主要強(qiáng)調(diào)以下3個(gè)方面：①根據(jù)不同層次、不同專業(yè)的學(xué)生和要求，確定開放內(nèi)容，不僅鼓勵(lì)學(xué)生參與教師課題的研究，學(xué)習(xí)解決實(shí)踐性和研究性問題，更提倡學(xué)生自擬實(shí)驗(yàn)課題，進(jìn)行小發(fā)明、小設(shè)計(jì)和小論文等課外科技活動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)過程中，指導(dǎo)教師注意加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?chuàng)造性思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)。②鼓勵(lì)學(xué)校各級(jí)社團(tuán)、興趣小組利用實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行學(xué)術(shù)講座、培訓(xùn)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)室提供一切可能的便利條件，此舉主要為培養(yǎng)大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)。③實(shí)驗(yàn)教師注意收集、管理學(xué)生的科學(xué)研究成果，設(shè)置相應(yīng)的規(guī)章制度，督促學(xué)生在實(shí)驗(yàn)完成后向?qū)嶒?yàn)室提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或論文等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室做好成果和論文的推薦發(fā)表工作，也由此保護(hù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)熱情。

2.2 團(tuán)隊(duì)協(xié)作學(xué)習(xí)

團(tuán)隊(duì)協(xié)作學(xué)習(xí)是一種以協(xié)作學(xué)習(xí)小組為基本形式，調(diào)動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)中一切積極因素，促成學(xué)習(xí)者積極互動(dòng)，主動(dòng)探索，并以團(tuán)體績(jī)效和組員成績(jī)有效結(jié)協(xié)作為整體評(píng)價(jià)體系的新的教育方法[11]?！叭珖芘嘣创髮W(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”的團(tuán)體賽采用團(tuán)隊(duì)課題的研究方式進(jìn)行，這就要求學(xué)生相互合作，彼此保持默契，而這些非一朝一夕就能練成。因此，我們?cè)谄綍r(shí)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中特別注意培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神，以團(tuán)隊(duì)協(xié)作學(xué)習(xí)組織學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)。具體做法為：結(jié)合開放式實(shí)驗(yàn)室制度，以大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目等學(xué)生科技活動(dòng)為切入點(diǎn)，由學(xué)生自愿組成學(xué)習(xí)小組，選定指導(dǎo)教師，形成小組式學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)。在團(tuán)隊(duì)中，因?qū)W生有共同的學(xué)習(xí)目標(biāo)，協(xié)作時(shí)能夠相互監(jiān)督、彼此促進(jìn)，在教師的指導(dǎo)下求同存異的學(xué)習(xí)。這種協(xié)作學(xué)習(xí)方式使得學(xué)生增加了相互之間的交流，對(duì)科學(xué)研究問題的認(rèn)識(shí)更為深入，既激發(fā)了個(gè)體學(xué)習(xí)的潛力，也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)責(zé)任意識(shí)。同時(shí)，教師與學(xué)生的關(guān)系從“一對(duì)多”的形式變?yōu)椤耙粚?duì)一”，指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的掌控也更加有效。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的洪流中，力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被多次提起。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器的補(bǔ)充，可以在計(jì)算機(jī)上完成全部實(shí)驗(yàn)過程，由此大大降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)成本，也彌補(bǔ)了學(xué)生人數(shù)過多所引發(fā)的實(shí)驗(yàn)條件不足，同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，更方便學(xué)生在課余時(shí)間預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間[12]。這些優(yōu)勢(shì)逐漸得到各高等院校的認(rèn)可，在力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也成為我校努力的方向。在實(shí)踐中，力學(xué)教研室教師積極探索使用Matlab、有限元、計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。例如，利用Matlab仿真模擬圣維南原理點(diǎn)荷載的施加，避免了真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法準(zhǔn)確實(shí)施，實(shí)驗(yàn)難度過大的問題，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程，增加了直觀性，有效地加深了學(xué)生對(duì)圣維南原理的理解；還有低碳鋼拉伸的實(shí)驗(yàn)，通過虛擬演示不僅可以使學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)過程，還可以使學(xué)生清楚地觀測(cè)到低碳鋼在屈服時(shí)加載力表盤指針的擺動(dòng)以及試件表面45度滑移線的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)最后還可以觀測(cè)到頸縮的產(chǎn)生以及試件斷面的情況[13]，增加了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的趣味性，提高了教學(xué)效果。

3 對(duì)教師能力提升的推動(dòng)

參與“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，教師的教學(xué)、科研和教學(xué)改革能力也因此得到了大幅度的提升。

3.1 教學(xué)能力

指導(dǎo)學(xué)生參加“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”，教師的教育、教學(xué)理念得到升華，每一名力學(xué)教師都更加重視自身的教學(xué)水平與教學(xué)能力，不斷磨練教學(xué)基本功。東北林業(yè)大學(xué)沒有本科力學(xué)專業(yè)，力學(xué)教研室掛在土木工程學(xué)院，在指導(dǎo)學(xué)生參加競(jìng)賽的過程中，教師首先對(duì)自身的教學(xué)能力進(jìn)行了審視，為更好地發(fā)現(xiàn)、彌補(bǔ)不足，專門前往省內(nèi)其他院校交流學(xué)習(xí)，特別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)，其力學(xué)是國家重點(diǎn)的一級(jí)學(xué)科，教師們?cè)诼犝n、交流、學(xué)習(xí)的過程中找到了差距，提升了自身的素質(zhì)，在之后的教研室內(nèi)部討論學(xué)習(xí)過程中又進(jìn)行了二次總結(jié)和提煉，實(shí)現(xiàn)了教師之間隱性知識(shí)到顯性知識(shí)的轉(zhuǎn)化過程，以及教師團(tuán)隊(duì)的內(nèi)部知識(shí)共享。教學(xué)活動(dòng)的實(shí)踐效果也尤為突出，以力學(xué)教研室的青年教師為例，兩名教師在連續(xù)兩屆東北林業(yè)大學(xué)青年教師教學(xué)競(jìng)賽中獲得一等獎(jiǎng)第一名，后一人又代表學(xué)校在黑龍江省高校第二屆青年教師教學(xué)競(jìng)賽中獲得工科組一等獎(jiǎng)。

3.2 科研能力

教學(xué)與科研是彼此促進(jìn)、相互增長(zhǎng)的，力學(xué)教師在教學(xué)過程中需要豐富的專業(yè)知識(shí)來提升自身授課水平。“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”將競(jìng)賽安排在全國力學(xué)大會(huì)上頒獎(jiǎng)，以促進(jìn)學(xué)生從本科階段就開始了解和接觸高水平的力學(xué)前沿研究，而這一舉措對(duì)于高校教師科研能力的提升也具有重要意義。教師帶隊(duì)參與競(jìng)賽的過程中，有機(jī)會(huì)與力學(xué)領(lǐng)域的專家接觸、交流，了解最新的研究動(dòng)向，引發(fā)科學(xué)研究興趣，找到適合自己的研究領(lǐng)域，也能夠與兄弟院校的教師相互切磋，取長(zhǎng)補(bǔ)短，這種“走出去”的方式，不僅開拓了學(xué)生的視野，也增加了教師學(xué)習(xí)、成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)，對(duì)于教師科研能力的提升十分必要。

3.3 教學(xué)改革能力

東北林業(yè)大學(xué)力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在輔導(dǎo)學(xué)生參加競(jìng)賽的過程中，不斷發(fā)現(xiàn)教學(xué)方面的不足，認(rèn)真思索分析后對(duì)所講課程開展適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)改革，教研室近年來在教學(xué)改革方面取得如下成績(jī)：主持省級(jí)教改項(xiàng)目2項(xiàng)，校級(jí)教改項(xiàng)目3項(xiàng)；“理論力學(xué)”課程被評(píng)為校級(jí)精品課，“材料力學(xué)”、“工程力學(xué)”被列為東北林業(yè)大學(xué)重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目；主編出版科學(xué)出版社教材《材料力學(xué)》、《理論力學(xué)》、《工程力學(xué)》，清華大學(xué)出版社教材《力學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》；發(fā)表教學(xué)研究論文6篇，其中2篇分別獲得黑龍江省高等教育教學(xué)成果二等獎(jiǎng)和黑龍江省高等學(xué)校教育技術(shù)論文評(píng)比二等獎(jiǎng)。當(dāng)然這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，力學(xué)作為工科學(xué)生的基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻，以競(jìng)賽和各類科技創(chuàng)新活動(dòng)檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，尋找教學(xué)上的欠缺之處，實(shí)行教學(xué)改革，從根本上提高力學(xué)教學(xué)質(zhì)量勢(shì)在必行。

4 結(jié) 語

“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”的建設(shè)內(nèi)容中提到：繼續(xù)開展大學(xué)生競(jìng)賽活動(dòng)，重點(diǎn)資助在全國具有較大影響和廣泛參與面的大學(xué)生競(jìng)賽活動(dòng)，激發(fā)大學(xué)生的興趣和潛能，培養(yǎng)大學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和創(chuàng)新精神[14]。培養(yǎng)具有工程能力和創(chuàng)新能力的人才，是建設(shè)創(chuàng)新型社會(huì)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)高等教育提出的要求[15]。以“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽”為契機(jī)，創(chuàng)新力學(xué)教育教學(xué)模式，探索出一條大學(xué)生課堂學(xué)習(xí)和課外實(shí)踐相結(jié)合的素質(zhì)教育途徑，切實(shí)提高基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)效率和教學(xué)效果。

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