土木工程專業(yè)力學(xué)課程教學(xué)體系的研究

馬崇武 秦懷泉

（東莞理工學(xué)院 建筑工程系，廣東東莞 523808）

土木工程專業(yè)力學(xué)課程教學(xué)體系的研究

馬崇武 秦懷泉

（東莞理工學(xué)院 建筑工程系，廣東東莞 523808）

以東莞理工學(xué)院土木工程專業(yè)為例，在分析力學(xué)課程教學(xué)的現(xiàn)狀和探討力學(xué)課程教學(xué)改革的趨勢的基礎(chǔ)上，從教學(xué)次序的優(yōu)化調(diào)整、教學(xué)方法的改革、實(shí)踐教學(xué)平臺的建立以及培養(yǎng)計(jì)劃的修訂等四個(gè)方面，深入研究了三大力學(xué)課程（理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)）教學(xué)體系改革的措施。實(shí)踐表明：提出的措施將力學(xué)課程與后續(xù)專業(yè)課程的教學(xué)有機(jī)地聯(lián)系在一起，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性。

土木工程；力學(xué)課程；教學(xué)體系；教學(xué)改革

土木工程是一個(gè)涵蓋極廣的一級學(xué)科，它下設(shè)了巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、市政工程、供熱及空調(diào)工程、防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程、橋梁與隧道工程等六個(gè)二級學(xué)科，所計(jì)算分析的對象包括諸如:工業(yè)建筑、民用建筑、公共建筑、道路、橋梁、隧道等眾多工程類型。力學(xué)是土木工程各專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，若缺乏對幾大力學(xué)課程的基本概念、物理意義和求解方法的深入理解，想真正掌握好相關(guān)專業(yè)課程，做好有關(guān)工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理乃至進(jìn)一步的科研工作，是不可想象的［1-2］。按照所開設(shè)力學(xué)課程的兩類劃分，即結(jié)構(gòu)力學(xué)類和彈性力學(xué)類，相應(yīng)的專業(yè)課兩類分支也相應(yīng)出現(xiàn)?；诮Y(jié)構(gòu)力學(xué)類的專業(yè)課包括:鋼筋砼結(jié)構(gòu)、高層建筑設(shè)計(jì)、橋梁結(jié)構(gòu)等；基于彈性力學(xué)類的專業(yè)課包括:地基處理與加固、基礎(chǔ)工程、擋土結(jié)構(gòu)與基坑工程、地下結(jié)構(gòu)、道路勘測與結(jié)構(gòu)等。

力學(xué)是研究各類工程結(jié)構(gòu)中普遍存在的受力和變形現(xiàn)象的學(xué)科，學(xué)習(xí)力學(xué)課程的目的是為了進(jìn)行工程計(jì)算。力學(xué)在工程中應(yīng)用首先要提取出相應(yīng)的工程計(jì)算模型，然后根據(jù)其計(jì)算模型確定要采用的手段。例如，屬于桿系結(jié)構(gòu)的工程對象可用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的手段進(jìn)行分析，而涉及實(shí)體結(jié)構(gòu)的工程對象則必須要用彈性力學(xué)、土力學(xué)和巖石力學(xué)的手段來完成，對難以求解的復(fù)雜工程問題則必須尋求相應(yīng)數(shù)值解答，數(shù)值計(jì)算方法也是近幾十年來在解決工程問題時(shí)力學(xué)發(fā)展最快的研究方向之一。力學(xué)課程的學(xué)習(xí)對培養(yǎng)學(xué)生的工程概念和解決工程實(shí)際問題具有重要意義。

1 力學(xué)課程教學(xué)的現(xiàn)狀

我國高等院校中所講授的力學(xué)課程內(nèi)容大多系五、六十年代由前蘇聯(lián)引進(jìn)的內(nèi)容，教學(xué)起點(diǎn)低，不少地方存在重復(fù)，普遍存在重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)象［3-5］。根據(jù)東莞理工學(xué)院土木工程專業(yè)2003～2005級學(xué)生對力學(xué)課程的問卷調(diào)查及分析，其力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題主要表現(xiàn)為:

1）學(xué)生的綜合能力與創(chuàng)新精神較差。以單門課程為中心進(jìn)行教學(xué)，對知識的相互滲透和銜接考慮不充分，淡化了力學(xué)體系的整體與綜合性，造成了不必要的內(nèi)容重復(fù)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力與創(chuàng)新精神。

2）實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用環(huán)節(jié)薄弱。由于學(xué)時(shí)少，內(nèi)容多，在內(nèi)容安排上擠掉了實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)。

3）科學(xué)前沿理論與陳舊教學(xué)內(nèi)容的矛盾十分突出。新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，與教學(xué)內(nèi)容多年不變形成巨大反差。

2 力學(xué)課程教學(xué)改革的趨勢

教育部高等學(xué)校非力學(xué)類專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會分別于2002年10月在寧波、2003年10月在煙臺召開了結(jié)構(gòu)力學(xué)及彈性力學(xué)課程教學(xué)指導(dǎo)小組工作（擴(kuò)大）會議［6］。會議認(rèn)為:目前彈性力學(xué)的教學(xué)符合實(shí)際需要和課程基本要求，可以不再做具體指導(dǎo)意見，而結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)需要適當(dāng)規(guī)范。例如，在理論力學(xué)教材中，力學(xué)基礎(chǔ)與大學(xué)物理中的相關(guān)內(nèi)容重復(fù)出現(xiàn)，單自由度體系的振動(dòng)在理論力學(xué)、大學(xué)物理和結(jié)構(gòu)力學(xué)中一再重復(fù)等［7］；在結(jié)構(gòu)力學(xué)教材中，如漸近法、圖解法、無鉸拱內(nèi)力計(jì)算等應(yīng)用較少的內(nèi)容仍然占了相當(dāng)篇幅，而一些新結(jié)構(gòu)、新理論卻相對較少，這與現(xiàn)代工程技術(shù)的飛速發(fā)展極不相稱［8］。將理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、土力學(xué)及計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)等單門課程，按其內(nèi)容重新組合，形成三大模塊，即基礎(chǔ)模塊、工程基礎(chǔ)模塊和專業(yè)模塊。優(yōu)化各模塊的教學(xué)內(nèi)容，可滿足不同專業(yè)人才的培養(yǎng)需要；強(qiáng)化各模塊之間的銜接與配合，可統(tǒng)一系列課程的改革要求；注重與前修、后續(xù)課程的銜接，可避免不同單門課程內(nèi)容的重復(fù)。這就要求我們在教學(xué)過程中必須以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)；教師要對學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，及時(shí)采取措施給予解答，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也能提高力學(xué)教師的自身素養(yǎng)。如何設(shè)定三大模塊的具體教學(xué)內(nèi)容及相對應(yīng)課程學(xué)時(shí)是目前急需要解決的課題。

3 力學(xué)課程教學(xué)改革的措施

以東莞理工學(xué)院土木工程專業(yè)為例，深入研究了三大力學(xué)課程（理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)）教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整措施、理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法以及針對新的培養(yǎng)計(jì)劃應(yīng)采取的措施等問題，結(jié)合我校學(xué)生的實(shí)際情況，提出了三大力學(xué)課程教學(xué)改革的措施。主要措施如下:

3.1 力學(xué)課程教學(xué)次序的優(yōu)化調(diào)整——以材料力學(xué)教學(xué)為例

為培養(yǎng)學(xué)生的歸納總結(jié)能力和知識滲透能力，對力學(xué)課程教學(xué)的次序進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，以材料力學(xué)教學(xué)為例予以說明。在我國高校中，材料力學(xué)的教學(xué)進(jìn)程大多以“拉伸→剪切→扭轉(zhuǎn)→彎曲”為主線，且每種基本變形都按“內(nèi)力→應(yīng)力→變形……”的次序進(jìn)行講解，對每種基本變形問題，又都采用“平面截面假設(shè)→變形幾何關(guān)系→物理關(guān)系→靜力平衡條件→應(yīng)力公式”這一相同的推導(dǎo)過程［9］。顯然，這種按基本變形進(jìn)行多重循環(huán)的知識體系，教學(xué)起點(diǎn)較低，內(nèi)容重復(fù)多。為了突出對學(xué)生歸納能力和知識滲透能力的培養(yǎng)，對教材內(nèi)容的次序作了以下調(diào)整:

1）對作為材料力學(xué)入門教學(xué)的軸向拉壓變形，在原有的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加課時(shí)，以便學(xué)生初步接受并基本掌握內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變等重要概念，并從中抽象出材料力學(xué)普遍用于研究各種基本變形的一般思路和方法。

2）在講授完軸向拉伸變形之后，不必急于開始第二種變形即剪切變形的教學(xué)，而是在教師的指導(dǎo)下，組織學(xué)生集中討論結(jié)構(gòu)在各種變形條件下的共性問題，如內(nèi)力、應(yīng)力、變形等，然后參照軸向拉壓變形的研究方法，總結(jié)出研究桿件各種變形所需的基本方程和邊界條件。這樣做可以簡化相似的推導(dǎo)過程，強(qiáng)化概念理解，突出各類變形的共性。

3.2 力學(xué)課程教學(xué)方法的改革

為提高力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，基于東莞理工學(xué)院的辦學(xué)指導(dǎo)思想、辦學(xué)定位，提出了一系列適合我校學(xué)生的力學(xué)課程教學(xué)方法，這些方法以“學(xué)生為中心”，有利于提高學(xué)生的思維分析能力和知識擴(kuò)展能力。舉例如下:

1）轉(zhuǎn)變教育觀念，能力培養(yǎng)至上。在掌握基本理論知識的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化能力培養(yǎng)，不求教學(xué)中教學(xué)大綱涉及的知識點(diǎn)面面俱到，力求讓學(xué)生掌握學(xué)習(xí)方法，注重力學(xué)理論知識的靈活應(yīng)用，培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)的能力。

2）采用啟發(fā)式教學(xué)，達(dá)到觸類旁通的效果。學(xué)習(xí)力學(xué)的一個(gè)重要目的就是為學(xué)生將來從事各種有關(guān)工程方面的工作打下良好的基礎(chǔ)。對于理論部分，應(yīng)聯(lián)系周圍事物以及有關(guān)的工程實(shí)際問題進(jìn)行精講。在授課過程中，時(shí)時(shí)考慮學(xué)生的反映，有針對性的按課程的重點(diǎn)難點(diǎn)分層次設(shè)問、引導(dǎo)，讓學(xué)生通過思維得出結(jié)論，進(jìn)而鼓勵(lì)學(xué)生不斷探索和掌握新知識、新內(nèi)容。對于例題僅講授解題思路，列出解題步驟，突出例題的形象性，達(dá)到觸類旁通的效果，至于具體推導(dǎo)或計(jì)算可由學(xué)生根據(jù)課堂講解在課下完成。在習(xí)題討論課上，教師作引導(dǎo)，讓學(xué)生去考慮解決問題的方法，鼓勵(lì)學(xué)生積極發(fā)言，調(diào)動(dòng)學(xué)生的熱情，相互交流各自的見解，活躍課堂氣氛，通過學(xué)生的積極參與達(dá)到運(yùn)用理論解決問題的目的。

3）制作并利用多媒體課件，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。多媒體教學(xué)將文字、圖片、聲音、動(dòng)畫視頻圖像融為一體，這種圖文并茂，有聲有色的情景性教學(xué)環(huán)境，使傳統(tǒng)教學(xué)中枯燥抽象、用單一語言文字和圖形講解難以理解的概念變得生動(dòng)具體，令學(xué)生耳目一新，印象深刻。還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，節(jié)省板書時(shí)間，增強(qiáng)授課效率，達(dá)到使用傳統(tǒng)的教學(xué)方式所不能達(dá)到的效果。但是，多媒體教學(xué)只是一種輔助教學(xué)手段，絕不能代替教師授課。傳統(tǒng)的授課方式有著現(xiàn)代化教學(xué)無法替代的內(nèi)容，因此只有將傳統(tǒng)的授課方式與多媒體教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，才能發(fā)揮各自的特長，收到最佳教學(xué)結(jié)果。

4）深化教學(xué)內(nèi)容改革，提高學(xué)生的知識擴(kuò)展能力。以歐拉臨界荷載教學(xué)方法的改革與實(shí)踐為例予以說明。針對《材料力學(xué)》中理想柱的失穩(wěn)問題，給出了利用相同的四階撓曲線近似微分方程和不同的邊界條件，求解各種柱端情況下歐拉臨界荷載的教學(xué)方法。該方法有利于學(xué)生掌握其知識要點(diǎn)，也有利于提高學(xué)生的思維分析能力和知識擴(kuò)展能力，可以收到事半功倍的效果。

5）注重教學(xué)環(huán)節(jié)改革，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維?；趧?chuàng)造學(xué)中創(chuàng)造性思維、創(chuàng)造性設(shè)計(jì)和創(chuàng)造性活動(dòng)等概念，要求任課教師從創(chuàng)新教育問題的提出、探索和解決三個(gè)方面，認(rèn)識創(chuàng)新教育的必要性和創(chuàng)新教育模式的建立過程，進(jìn)而在課堂講授中貫穿創(chuàng)新思維教育、強(qiáng)調(diào)知識的聯(lián)系和綜合、強(qiáng)調(diào)知識的更新和發(fā)展，支持并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行一定的課外研究活動(dòng)，使學(xué)生得到更多的自由度、更多的學(xué)習(xí)自主權(quán)以及更多的成才機(jī)會。

3.3 力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)平臺的建立

堅(jiān)持理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，形成了靈活多樣的實(shí)踐教學(xué)平臺。將實(shí)踐教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合，組織學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目，是提高學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的一種有效途徑。將具有良好基礎(chǔ)知識、思維活躍的優(yōu)秀大學(xué)生吸收進(jìn)課題組。通過參與科研活動(dòng)，刺激學(xué)生展開自學(xué)，實(shí)現(xiàn)了從書本到實(shí)踐再到創(chuàng)造的互通，收獲較大。針對每個(gè)學(xué)生所獨(dú)具的視角，進(jìn)行有目的的引導(dǎo)。鼓勵(lì)學(xué)生撰寫專題論文，以提高學(xué)生的理性思維能力，加深學(xué)生對力學(xué)學(xué)科在土木工程專業(yè)中具有重要地位作用的認(rèn)識。

畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生從學(xué)校教學(xué)階段向?qū)嶋H工作之間轉(zhuǎn)換的最好鍛煉機(jī)會，是進(jìn)入工程設(shè)計(jì)、施工、管理和科研領(lǐng)域的開始，也能為將來獨(dú)立工作進(jìn)行職業(yè)準(zhǔn)備。為尊重和培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)性發(fā)展，我們在確定學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)或畢業(yè)論文的選題方面作了初步的探討，根據(jù)學(xué)生的就業(yè)去向和將來可能從事的專業(yè)，選擇了一些有利于培養(yǎng)學(xué)生工程意識的題目，以鞏固所學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識。

3.4 力學(xué)課程培養(yǎng)計(jì)劃的修訂

在2006年5月我校土木工程專業(yè)接受廣東省教育廳的學(xué)位評估后，針對專家提出的“該專業(yè)學(xué)時(shí)偏多”的意見，制定了新的培養(yǎng)計(jì)劃和教學(xué)大綱。新培養(yǎng)計(jì)劃大幅度減少了三大力學(xué)課程的教學(xué)課時(shí)，但教學(xué)內(nèi)容變化不大，這無疑對力學(xué)課程的教學(xué)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。針對新的培養(yǎng)計(jì)劃和教學(xué)大綱，提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施——以理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)為例。

1）理論力學(xué)方面:增加理論力學(xué)靜力學(xué)部分的課時(shí)，即將原大綱的20學(xué)時(shí)改為26學(xué)時(shí)，讓學(xué)生非常熟悉力、力矩和力偶等基本概念，熟練掌握計(jì)算力系主矢和主矩的方法，并能熟練地建立一個(gè)處于平衡狀態(tài)的物體系統(tǒng)的力平衡條件和力矩平衡條件等內(nèi)容，為材料力學(xué)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2）結(jié)構(gòu)力學(xué)方面:加強(qiáng)入門教育環(huán)節(jié)，即一方面要給學(xué)生進(jìn)行思想教育，樹立信心，排除他們對本門課程的恐懼心理，另一方面應(yīng)該加強(qiáng)學(xué)習(xí)方式方法的教育，這對學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程有著至關(guān)重要的作用；加強(qiáng)基礎(chǔ)部分的課堂教學(xué)，即在學(xué)好理論力學(xué)靜力學(xué)和材料力學(xué)（尤其是梁的內(nèi)力圖繪制）的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移計(jì)算的課時(shí)，讓學(xué)生熟練掌握靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖的繪制和位移的計(jì)算，為學(xué)習(xí)后面的章節(jié)打好基礎(chǔ)；注重結(jié)構(gòu)力學(xué)與具體工程實(shí)際相結(jié)合，即結(jié)合工程案例進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)，在實(shí)際教學(xué)過程中可以收到很好的效果；結(jié)合科研成果改革教學(xué)內(nèi)容，即結(jié)合任課教師主持或參加的國家、省、市級的科研項(xiàng)目，在教學(xué)中將最新的科研成果和教材內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來，開拓學(xué)生的視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這對今后有志從事科研工作的學(xué)生可起到潛移默化的作用。

4 力學(xué)課程教學(xué)改革的效果

前述力學(xué)課程教學(xué)改革的措施，已在東莞理工學(xué)院2006～2011級土木、工管兩專業(yè)的力學(xué)課程教學(xué)中得到應(yīng)用，受到了大多數(shù)學(xué)生的好評。實(shí)踐證明:在我校現(xiàn)有力學(xué)課程體系的教學(xué)中，應(yīng)用本文提出的改革措施，有利于學(xué)生更加有效地學(xué)好力學(xué)課程，掌握更多的力學(xué)知識；從我校在2010年第三屆中南地區(qū)結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽中的成績優(yōu)于同類院校、近三年土木工程專業(yè)9名同學(xué)考上研究生以及2008～2010級力學(xué)課程期末考試優(yōu)良率和滿分率均較高等，在某種程度上可以說明教學(xué)改革的效果。我們深信本文提出的改革措施具有進(jìn)一步拓展和完善的空間以及較為廣闊的應(yīng)用前景，可供同類院校工科專業(yè)的力學(xué)教師借鑒。

5 結(jié)語

本文以東莞理工學(xué)院土木工程專業(yè)為例，采用理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法對三大力學(xué)課程教學(xué)體系提出的一系列改革措施，將力學(xué)課程與后續(xù)專業(yè)課程的教學(xué)有機(jī)地聯(lián)系在一起，在一定程度上較好地解決了科學(xué)前沿理論與陳舊教學(xué)內(nèi)容之間的矛盾、學(xué)生的綜合能力與創(chuàng)新精神較差的問題以及工程實(shí)踐環(huán)節(jié)比較薄弱的問題，提出的系列改革措施得到了大多數(shù)學(xué)生的好評，認(rèn)為有一定的新意和實(shí)用性。

［1］ 樊洪業(yè).“兩彈一星”人才的教育背景與啟示［J］.民主與科學(xué)，2005（4）:37-39.

［2］ 百以龍，周恒.迎接新世紀(jì)挑戰(zhàn)的力學(xué)［J］.力學(xué)與實(shí)踐，1999，20（1）:1-4.

［3］ 錢令希，錢偉長，鄭哲敏，等.中國大百科全書:力學(xué)卷［M］.北京:中國大百科全書出版社，1993:11-80.

［4］ 郝哲.土木工程專業(yè)中的若干力學(xué)問題剖析［J］.沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17（2）:6-11.

［5］ 周莉.土木工程專業(yè)實(shí)踐性教學(xué)體系的研究與實(shí)踐［J］.黑龍江高教研究，2004，129（1）:156-157.

［6］ 丁克偉.土建類力學(xué)課程一體化方案設(shè)想［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會科學(xué)版，2004，18（6）:48-50.

［7］ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)編.理論力學(xué)［M］.5版.北京:高等教育出版社，1997.

［8］ 龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程［M］.2版.北京:高等教育出版社，2006.

［9］ 孫訓(xùn)方，胡增強(qiáng)，金全心.材料力學(xué)［M］.4版.北京:高等教育出版社，2002.

Research on the Teaching System ofMechanics Courses of Civil Engineering

MA Chong.w u QIN Hu i.quan
（Department of Civil Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

This study，with civil engineering major in Dongguan University of Technology as an example，investigates teaching system of mechanics courses，including theoretical mechanics，material mechanics and structural mechanics.It reveals the status of current mechanics teaching and explores the trend of reform in this teaching system.Thereafter，a study of the reform in mechanics courses is conducted deeply with several measures，including optimized arrangement of lecturing sequences，reform of teaching methods，establishment of practice teaching platform，and amendment of the training plan of mechanics courses.As a result，mechanics courses are effectively connected with subsequent courses through the proposed methods，so that this reform provides an innovative and feasible teaching system.

civil engineering；mechanics courses；teaching system；teaching reform

G642.0

A

1009-0312（2014）01-0091-04

2013-04-02

東莞理工學(xué)院教育教學(xué)改革與研究資助項(xiàng)目（E1127108-07116）。

馬崇武（1965—），男，甘肅甘谷人，教授，博士，主要從事環(huán)境與基礎(chǔ)工程中的力學(xué)問題研究。