工科研究型大學(xué)專業(yè)課程教學(xué)改革

于開平+王秋生+趙婕

摘 ? ?要：本文以工程力學(xué)專業(yè)課“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”的教學(xué)與考試方法改革為例，談?wù)勛髡邔?duì)工科研究型大學(xué)專業(yè)課教學(xué)與考試方法改革問題上的一些體會(huì)和認(rèn)識(shí)，包括科學(xué)研究及成果與經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容的融合，計(jì)算機(jī)編程語言、視頻及商用軟件等信息技術(shù)的合理利用等問題。

關(guān)鍵詞：工科;專業(yè)課;教學(xué)方法;考試方法;改革

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2015）08-0001-03

專業(yè)課程是本科專業(yè)的主要載體，蘊(yùn)含了專業(yè)的最主要特征，專業(yè)課程的教學(xué)在整個(gè)本科階段所占的地位是非常重要的，直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)本專業(yè)的熱愛程度，更確切地說直接影響了學(xué)生培養(yǎng)水平和畢業(yè)生的質(zhì)量。專業(yè)課教學(xué)的重要性顯然是毋庸置疑，然而近年來的教學(xué)改革與實(shí)踐成果，專業(yè)課的還是偏少，從上到下，更多關(guān)注的還是受眾面更廣的公共基礎(chǔ)課或者技術(shù)基礎(chǔ)課。不過，隨著高等教育對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求的提高，專業(yè)課的教學(xué)改革與實(shí)踐也開始逐漸得到教育者的重視[1]。本文首先對(duì)專業(yè)課程的教學(xué)及其深入改革的目標(biāo)進(jìn)行了闡述，然后根據(jù)自己多年的教學(xué)體會(huì)，從幾個(gè)方面總結(jié)了科學(xué)研究、信息技術(shù)對(duì)專業(yè)課教學(xué)的促進(jìn)作用，并淺議了合理有效利用的方式，最后針對(duì)專業(yè)課程的考試方式，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐強(qiáng)調(diào)了實(shí)踐性考試對(duì)專業(yè)課程考核的重要性。

一、專業(yè)課教學(xué)與改革目標(biāo)

為適應(yīng)新形勢下的教育改革需求，哈工大對(duì)所有專業(yè)培養(yǎng)方案進(jìn)行了全面修訂，修訂后的2012版培養(yǎng)方案的目標(biāo)和原則，與以往相比更加突出實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，并提出各專業(yè)要加強(qiáng)校企合作。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，顯然專業(yè)教育類課程要承擔(dān)更多的任務(wù)。

課程的教學(xué)與改革，教師是實(shí)施主體。我們認(rèn)為，一個(gè)優(yōu)秀的專業(yè)課教師，不僅能夠教授學(xué)生本門專業(yè)課程的重要概念、方法，還能培養(yǎng)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)解決工程問題的能力，能夠引導(dǎo)學(xué)生深入到本門課程所支撐的學(xué)科方向，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行研究性思考，和研究性學(xué)習(xí)，獲得初步的研究能力，并初步理解科學(xué)精神的內(nèi)涵。因此，專業(yè)課教師在教學(xué)方法和考試方法上進(jìn)行適度的改革是必要的，例如，將科研過程中遇到的學(xué)生在本科階段也能較好理解的科研問題及時(shí)引入教學(xué)，科研用的手段和開發(fā)工具也及時(shí)用于教學(xué)，科研過程中的體會(huì)和感悟揉入課堂教學(xué)，讓學(xué)生感受到科研的魅力并愛上科研，進(jìn)而大大增強(qiáng)對(duì)本門專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣。這種教學(xué)改革對(duì)任課教師的科研能力有很高的要求，要求任課教師在專業(yè)課程相關(guān)的學(xué)科方向上有較高科研水平，并一直堅(jiān)持該方向的科學(xué)研究，承擔(dān)過該方向以科學(xué)理論研究為主要目標(biāo)的項(xiàng)目，更應(yīng)該承擔(dān)過以解決工業(yè)部門潛在或現(xiàn)實(shí)存在的工程實(shí)際問題為目標(biāo)的項(xiàng)目。國外著名大學(xué)本科專業(yè)課的任課教師，大多數(shù)都是由知名的高水平教授擔(dān)任，就是為了達(dá)成這樣的培養(yǎng)目標(biāo)。研究型大學(xué)的學(xué)習(xí)方式就應(yīng)該是研究性的，這已經(jīng)得到了一些專家的認(rèn)同[2]，專業(yè)課教學(xué)首當(dāng)其沖應(yīng)該承擔(dān)起培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的任務(wù)。

二、專業(yè)課教學(xué)方法改革

（一）科學(xué)研究與專業(yè)課教學(xué)

科學(xué)研究成果對(duì)工科研究型大學(xué)的專業(yè)課程教學(xué)的促進(jìn)作用，應(yīng)該是不用討論的命題。很難想象，沒有做過課程相關(guān)學(xué)科方向科學(xué)技術(shù)研究的人，能把專業(yè)課程展示得更加精彩，如學(xué)科目前的發(fā)展及應(yīng)用，前沿技術(shù)和理論可能都無法給學(xué)生介紹得清楚。本文并不想去論證這個(gè)毫無爭議的問題，只是想從自己的教學(xué)體會(huì)談?wù)?，可從哪些方面去加?qiáng)和促進(jìn)專業(yè)課的教學(xué)效果。

1.從科技史的角度去豐富課程內(nèi)容。專業(yè)課的緒論是本門課程科技史的最佳載體，有人認(rèn)為，緒論沒啥好講的，而我們認(rèn)為恰恰相反，能把緒論講好是非常不容易的，需要教師諳熟本門學(xué)科發(fā)展歷史、本門學(xué)科特定科學(xué)研究方法，并以故事的形式講述出來，才能達(dá)到第一課就抓住學(xué)生眼球的效果。在緒論講述科技史，這一點(diǎn)應(yīng)該是多數(shù)教師都認(rèn)同的，但在課程中間加入科技史內(nèi)容，其實(shí)同樣有很好的教學(xué)效果。例如，在振動(dòng)理論與應(yīng)用類的課程里，共振是主要的概念之一，在用數(shù)學(xué)模型給出共振現(xiàn)象的解釋時(shí)候，可以加入科技史的內(nèi)容，給學(xué)生以更感性的認(rèn)識(shí)，例如，1940年美國塔科馬海峽（Tacoma Narrows）大橋在風(fēng)力作用下垮塌，就是典型的共振破壞。同時(shí)，還可以給學(xué)生簡介一下，當(dāng)初在確定破壞原因的時(shí)候，很多科學(xué)家認(rèn)為是風(fēng)和結(jié)構(gòu)耦合作用結(jié)果，而20世紀(jì)最偉大的應(yīng)力力學(xué)家馮·卡門則認(rèn)為是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理引起了氣流旋渦運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)以規(guī)則的方式產(chǎn)生了一個(gè)固定頻率的激勵(lì)力，該激勵(lì)力與結(jié)構(gòu)固有頻率相近從而引起了共振。

2.將最近幾年的相關(guān)學(xué)科成果融合進(jìn)教材。教材一方面要反映學(xué)科最重要的基本理論和方法，一方面還要一定程度地跟蹤學(xué)科的最新發(fā)展，但是很多學(xué)科的最新發(fā)展很難在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)講清楚，而且有些成果需要很深入的數(shù)學(xué)工具，過程也十分繁雜，因此這樣的一些成果寫進(jìn)教材就不十分合適。但是有一些對(duì)基本理論和方法簡單擴(kuò)展的，或者新思想、新方法比較容易理解和接受的，這些內(nèi)容就適合于教材的修訂內(nèi)容。我們結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)教材最新修訂就體現(xiàn)了這個(gè)原則。將隨機(jī)振動(dòng)分析的虛擬激勵(lì)方法，以及作者自己提出的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法，經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐后，修訂進(jìn)教材。將合適的新成果寫進(jìn)教材是修訂的重要內(nèi)容，但我們也有這樣的觀點(diǎn)，在修訂之前，至少經(jīng)過一輪的教學(xué)實(shí)踐，這樣如何將新成果用教材的語言來描述就更清楚了。

3.將教師科研課題研究成果適度揉入課堂。前面已經(jīng)說過，一個(gè)優(yōu)秀的專業(yè)課教師，應(yīng)該一直從事課程相關(guān)學(xué)科的科學(xué)研究，并有一定的造詣，還應(yīng)該有承擔(dān)工業(yè)部門課題的經(jīng)歷。這樣就可能將自己的科研成果或者自己解決工程問題的經(jīng)驗(yàn)與學(xué)生分享，這會(huì)讓學(xué)生感到學(xué)有所用，感覺到自己不僅僅在學(xué)習(xí)，也是在研究，同時(shí)也會(huì)很快建立起對(duì)任課教師的信賴和尊崇，提高學(xué)習(xí)興趣和效果。例如，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程上，在講復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模時(shí)，我們講述一個(gè)實(shí)際火箭復(fù)雜，如何簡化建模為梁模型，這就是我們承接的一個(gè)科研課題演化而來的。在講述結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法時(shí)，把我們自己提出的改進(jìn)算法也加入對(duì)應(yīng)的章節(jié)中，在課堂上講述。

上述穿插的科研成果，用教材的語言陳述這些成果及其依托的理論，實(shí)踐證明效果明顯。

（二）有效使用信息技術(shù)

信息技術(shù)是現(xiàn)代教育技術(shù)的主要內(nèi)容，應(yīng)用得好，可以幫助學(xué)生理解和掌握課程的基本教學(xué)內(nèi)容，尤其有一定深度、圖形和公式繁復(fù)的內(nèi)容（專業(yè)課主要特點(diǎn)之一），事半功倍、節(jié)省課內(nèi)的教學(xué)時(shí)數(shù)，更重要的是，可以提高課程研究性學(xué)習(xí)的效果。但近年來，關(guān)于有些信息技術(shù)，例如PPT的使用，出現(xiàn)了不少爭議，進(jìn)而有否定信息技術(shù)促進(jìn)作用的傾向。有效使用信息技術(shù)，可以提高教學(xué)效果，這也應(yīng)該是不爭的事實(shí)，關(guān)鍵是要適度使用、有效融合。下面以專業(yè)課的教學(xué)為例，就PPT、動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)語言，以及商用軟件程序等典型信息技術(shù)的使用，以結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程為例，談?wù)効捶ā?/p>

1.關(guān)于PPT的使用。力學(xué)專業(yè)課中有很多公式十分復(fù)雜，有的黑板一行寫不下，這不僅容易出錯(cuò)，也很浪費(fèi)課時(shí)，還有動(dòng)畫，以往基本沒有展示手段，一些復(fù)雜的圖形，計(jì)算機(jī)畫出來的漂亮又直觀，計(jì)算機(jī)技術(shù)帶給了我們無限可能。因此，一段時(shí)間內(nèi)大家廣泛使用PPT，以至于近年來PPT鋪天蓋地，大學(xué)課堂幾乎不見板書，教師用“電子黑板”“電子課本”對(duì)學(xué)生進(jìn)行“電灌”，學(xué)生也不再記筆記了，PPT的缺點(diǎn)明顯被放大，學(xué)生以及部分教師對(duì)此都開始懷疑和抵觸。的確，一門課程全部用PPT，有幾方面的問題：一是進(jìn)度過快，學(xué)生跟不上思路，也就無法記筆記，也容易疲倦，導(dǎo)致聽課效果差;二是教師長期使用PPT，甚至幾年都用一個(gè)，連重點(diǎn)內(nèi)容和公式自己都不在備課時(shí)再一次推導(dǎo)，導(dǎo)致備課不認(rèn)真。事實(shí)上這不是PPT本身有什么問題，而是沒有合理使用。我們認(rèn)為，一些重點(diǎn)公式及其細(xì)節(jié)的推導(dǎo)，板書效果更好，就是需要課前設(shè)計(jì)好，本節(jié)課那些用PPT，那些用板書，應(yīng)該每節(jié)課都是板書和PPT的無縫結(jié)合。另外，制作PPT課件時(shí)要遵循多媒體教學(xué)的設(shè)計(jì)理論， 要突破簡單的演示型模式，提供豐富的多媒體資源，加強(qiáng)制作技術(shù)。

2.關(guān)于動(dòng)畫和視頻。動(dòng)畫和視頻這種媒體技術(shù)，帶給聽眾的視覺沖擊和影響是傳統(tǒng)教育手段完全無法比擬的，我們提倡在課堂上，尤其是工科專業(yè)課的教學(xué)中廣泛采用動(dòng)畫和視頻。當(dāng)然，不能將課堂變成影院，需要控制播放時(shí)間，一段動(dòng)畫一般不要超過2分鐘，視頻不要超過10分鐘。

對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程，動(dòng)畫的使用是必需的，可以非常直觀地表現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)。我們?cè)谥v述兩自由度振動(dòng)問題時(shí)，用VB語言開發(fā)了兩自由度系統(tǒng)振型動(dòng)畫，能直觀地看出一階同向振動(dòng)形態(tài)和二階反向振動(dòng)形態(tài)以及節(jié)點(diǎn)的存在。 在講述梁的各階振動(dòng)形態(tài)時(shí)，我們制作了不同邊界條件下梁的前若干階振型動(dòng)畫，課堂講到這個(gè)內(nèi)容時(shí)，適時(shí)播放效果很好。

一般在緒論中，演示視頻更為合適，因?yàn)橐曨l只是定性地說明一種現(xiàn)象。在實(shí)質(zhì)內(nèi)容講述時(shí)，引入視頻有時(shí)也是必要的，也可以起到很好的效果。例如，在講到板的振動(dòng)形態(tài)時(shí)，我們會(huì)播放一段TED關(guān)于聲音可視化技術(shù)的演講視頻。聲音的主要特征是頻率，所含的頻率成分是可以通過可視化技術(shù)再現(xiàn)的。這種新技術(shù)其實(shí)主要的原理就是用聲音去激勵(lì)一個(gè)平板，不同頻率的聲音會(huì)激勵(lì)平板的不同階主振動(dòng)，主振動(dòng)的形態(tài)可以用可視化技術(shù)顯示，看到不同形態(tài)根據(jù)板的計(jì)算結(jié)果就可以得出頻率的大小。視頻內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容銜接緊密，在深刻理解板的振動(dòng)同時(shí)，激發(fā)了學(xué)生科學(xué)探索意識(shí)。

3.關(guān)于計(jì)算機(jī)語言和商用軟件。專業(yè)課的一大特點(diǎn)就是數(shù)學(xué)模型和公式復(fù)雜，有時(shí)很難從公式中直觀看出參數(shù)變化的影響，直接用傳統(tǒng)方法畫圖又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，畫得還不一定準(zhǔn)確和美觀，而用計(jì)算機(jī)語言畫出隨參數(shù)改變的曲線，快速、準(zhǔn)確和美觀，但可能計(jì)算機(jī)語言的學(xué)習(xí)又是一個(gè)問題。隨著Matlab語言的出現(xiàn)，為課堂教學(xué)帶來很大方便，該語言是文本式的，好學(xué)易用，在國外大學(xué)幾乎大學(xué)生人人都會(huì)用。以結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程為例，在單自由度振動(dòng)問題中，放大因子曲線、頻率響應(yīng)函數(shù)曲線以及振動(dòng)傳遞率曲線等都是重點(diǎn)內(nèi)容，我們?cè)谡n堂上直接給學(xué)生看源代碼，改一個(gè)參數(shù)給出一個(gè)曲線圖，這些曲線都是畫在一張圖上的，改3—5個(gè)參數(shù)就可以看出規(guī)律，教學(xué)效果非常好。幾年來的教學(xué)實(shí)踐體會(huì)，我們認(rèn)為不僅結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)這門課程，其他一些工科專業(yè)課程應(yīng)該都能夠做到這一點(diǎn)，采用Matlab輔助教學(xué)，都能收到奇效。

現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的飛速進(jìn)步，使得工科很多領(lǐng)域的理論知識(shí)都形成了商用軟件，在各個(gè)工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。以力學(xué)為例，以有限元方法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代CAE軟件，發(fā)展到今天已經(jīng)非常成熟，絕大多數(shù)的力學(xué)基本理論和方法，甚至科學(xué)技術(shù)人員正在研究的前沿理論和方法，在軟件中都有體現(xiàn)，一個(gè)軟件，例如Nastran、Ansys、LS_ DYNA、Abaqus等，幾乎就是一個(gè)力學(xué)大全，而且軟件中計(jì)算模塊大都已經(jīng)為工程實(shí)踐證明是可靠的。航空航天、船舶水利、建筑橋梁、能源動(dòng)力、機(jī)械、交通等諸多工業(yè)部門在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，很多都采用了這樣的軟件進(jìn)行分析和優(yōu)化，這些領(lǐng)域的學(xué)生本科或碩士畢業(yè)后，到工業(yè)部門幾乎都會(huì)或多或少遇到這些軟件的使用問題，尤其是力學(xué)相關(guān)的專業(yè)，因此，在本科階段，加強(qiáng)這方面的訓(xùn)練和培養(yǎng)是非常必要的。美國的工科課程中安排較多時(shí)間讓學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用工程應(yīng)用軟件，利用這些軟件“幫助本科生能干博士生的活”[3]，也應(yīng)該是出于這樣的考慮。我們通過大作業(yè)和課程設(shè)計(jì)的方式，讓學(xué)生對(duì)照結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論方法應(yīng)用商用軟件，這樣在學(xué)會(huì)用軟件的同時(shí)更進(jìn)一步加深了對(duì)理論的理解，同時(shí)體驗(yàn)了工程師的工作方式和內(nèi)容。

總之，現(xiàn)代教育技術(shù)的應(yīng)用是必要的，但要注意技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)該能引起教學(xué)深度和廣度的深刻變化，能引導(dǎo)學(xué)生盡快從理論走向?qū)嶋H工程應(yīng)用，應(yīng)該能引導(dǎo)教師采用更先進(jìn)策略啟發(fā)學(xué)生科學(xué)思維，激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新精神?，F(xiàn)代的優(yōu)秀教師應(yīng)該都能掌握這些先進(jìn)的教育技術(shù)，并適度引入課堂。

三、專業(yè)課考試方法

工科專業(yè)課一般都具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和理論的深入性，有的要求學(xué)生通過試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真等手段掌握解決問題的能力，有的理論性很強(qiáng)，要求學(xué)生有熟練使用數(shù)學(xué)工具、推導(dǎo)復(fù)雜公式的能力，這些特點(diǎn)就決定了僅僅用期末一卷考核的不科學(xué)性。例如，有的課程由于理論復(fù)雜，一道題要做30分鐘以上，這就不適合僅僅用期末一卷考核的辦法。我們認(rèn)為，大多數(shù)工科專業(yè)課程，都可以采用試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真（上機(jī)）、大作業(yè)、口試、期中、期末試卷等綜合手段進(jìn)行考核，可不全用，但一般至少應(yīng)該包含兩種以上，根據(jù)不同課程具體情況而定。對(duì)于涉及學(xué)生保研的專業(yè)基礎(chǔ)課，期末試卷環(huán)節(jié)一般都應(yīng)該有，此外，為了保證評(píng)價(jià)的客觀性，如果有實(shí)踐環(huán)節(jié)還應(yīng)該輔助口試。對(duì)專業(yè)核心課程，試卷可考慮開卷。對(duì)專業(yè)選修課程，一般應(yīng)該有大作業(yè)，甚至可以沒有其中和期末的試卷環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程除了課堂理論教學(xué)以外，還設(shè)置了必要的試驗(yàn)和上機(jī)教學(xué)環(huán)節(jié)，我們認(rèn)為工科專業(yè)課大都應(yīng)該有試驗(yàn)和上機(jī)的實(shí)踐環(huán)節(jié)?？己朔绞缴希瑢?shí)踐環(huán)節(jié)除了上交報(bào)告以外，還在期末考試結(jié)束當(dāng)天或第二天，利用半天多的時(shí)間進(jìn)行口試，這樣既可以考查學(xué)生對(duì)本門課程綜合掌握程度，還保障了實(shí)踐環(huán)節(jié)給分的客觀性，盡管這需要教師多花一些時(shí)間，但是必要的。這么多年我們一直堅(jiān)持這樣考核方式，學(xué)生反映也很好。

我們認(rèn)為，工科研究型大學(xué)本科階段專業(yè)課程的教學(xué)及改革目標(biāo)最重要的是要使學(xué)生從被動(dòng)接受到主動(dòng)研究，思維和學(xué)習(xí)方式都漸變?yōu)檠芯啃缘?。為了達(dá)成這樣的目標(biāo)，任課教師本身的科研經(jīng)歷、科研成果與本科專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容的融合以及現(xiàn)代教育技術(shù)使用能力十分重要，另外，教師本身的積極性可能更加重要，如果教師的教學(xué)積極性被調(diào)動(dòng)起來，本文提出的一些關(guān)于如何提高專業(yè)課教育教學(xué)效果的看法和建議，不用花費(fèi)很多時(shí)間和精力就可以付諸實(shí)踐，也必將能取得預(yù)期效果。本文提出的一些建議，應(yīng)該能為如何使工科專業(yè)課的學(xué)習(xí)向研究性方向轉(zhuǎn)變提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]董溪哲，趙亞杰，馬永財(cái).基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的工科專

業(yè)課教學(xué)改革[J].黑龍江教育：高教研究與評(píng)估，2014，（8）.

[2]范欽珊，陳建平，唐靜靜等.研究型大學(xué)需要研究型教學(xué)

[J].中國大學(xué)教學(xué)，2009，（11）.

[3]龐思勤.中美機(jī)械專業(yè)課程設(shè)置與人才培養(yǎng)模式比較研

究[J].中國大學(xué)教育，2007，（11）.