工程教育背景下高?；A(chǔ)力學(xué)課程的教改探索*

◆王明祿 許崇海 魏高峰 周泉

工程教育背景下高?；A(chǔ)力學(xué)課程的教改探索*

◆王明祿 許崇海 魏高峰 周泉

為使基礎(chǔ)力學(xué)課程更適于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)模式，基于當(dāng)前高?；A(chǔ)力學(xué)教學(xué)的實際情況，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗和體會，分析總結(jié)基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中存在的問題，闡述在基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)中實施工程教育的可行性，提出工程教育背景下基礎(chǔ)力學(xué)課程的改革措施。

基礎(chǔ)力學(xué)；工程教育；教學(xué)改革

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.117

1 前言

基礎(chǔ)力學(xué)課程是高校各工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是研究工程中普遍存在的各類結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的受力、運動和變形等現(xiàn)象的學(xué)科，一般包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等。該課程可以培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力以及利用所學(xué)理論知識解決實際問題的能力。由于歷史原因，我國高校所講授基礎(chǔ)力學(xué)課程的內(nèi)容大多由蘇聯(lián)引進，雖然近年來根據(jù)我國實際做了較大改進，但還有部分教材內(nèi)容比較陳舊抽象、重理論輕實踐，部分教師的教學(xué)方法還采用落后的灌輸式教學(xué)，不注重與工程實踐相結(jié)合，使得課堂氣氛沉悶甚至枯燥無味，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進而影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

如何克服基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)中與工程教育培養(yǎng)目標(biāo)不相符的內(nèi)容，如何體現(xiàn)工程教育的思想，如何樹立工程認知的思維，如何培養(yǎng)工程實踐的能力，是整個工程教育培養(yǎng)計劃中亟待解決的問題。本文根據(jù)當(dāng)前高校基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)的實際情況，通過問卷調(diào)查的手段，結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗和體會，分析總結(jié)基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中存在的幾個問題，進而闡述在基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)中實施工程教育的可行性，提出工程教育背景下基礎(chǔ)力學(xué)課程進行改革的有效措施。

2 現(xiàn)行基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中存在的問題

課堂教學(xué)內(nèi)容乏味基礎(chǔ)力學(xué)課程的特點決定了其教學(xué)過程中存在大量的公式推導(dǎo)和習(xí)題訓(xùn)練等環(huán)節(jié)，如果教師經(jīng)驗不足或不注意與工程實踐相結(jié)合，容易使學(xué)生產(chǎn)生畏懼心理或感覺枯燥，進而影響對課程的學(xué)習(xí)效果。為此，對齊魯工業(yè)大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)理論力學(xué)和材料力學(xué)的課堂教學(xué)進行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示，65%的學(xué)生認為基礎(chǔ)力學(xué)課公式多、理論性強，學(xué)習(xí)有一定難度；有25%的學(xué)生認為該課程難度一般，只要多花點兒時間就可以學(xué)好該課程；僅有10%的學(xué)生認為該課程內(nèi)容較簡單。調(diào)查結(jié)果顯示，多數(shù)學(xué)生對公式推導(dǎo)和部分習(xí)題感覺吃力，僅有少數(shù)學(xué)生對公式推導(dǎo)和習(xí)題講解過程能夠理解透徹。

之所以產(chǎn)生上述問題，是因為基礎(chǔ)力學(xué)課程需要一定的數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)和較好的邏輯思維能力，容易使學(xué)生感覺到基礎(chǔ)力學(xué)課程有一定的難度，如果教師引導(dǎo)不利或?qū)W習(xí)方法不當(dāng)，容易使得學(xué)生產(chǎn)生畏懼心理甚至抵觸情緒，最終影響基礎(chǔ)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)效果。

實驗教學(xué)模式古板以齊魯工業(yè)大學(xué)為例，目前該校開設(shè)基礎(chǔ)力學(xué)的各專業(yè)中，只有機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)和過程裝備工程及其自動化專業(yè)的材料力學(xué)開設(shè)8個學(xué)時的實驗，而材料成型及其自動化和汽車服務(wù)工程等專業(yè)的工程力學(xué)則不開設(shè)實驗。由于學(xué)生多、任課教師和實驗設(shè)備不足等原因，該課程實驗教學(xué)均是驗證型實驗，即教師講解實驗原理、操作步驟和注意事項等，然后示范操作，學(xué)生按照教師的示范再操作一次，甚至只讓學(xué)生觀摩而不動手操作。這種實驗教學(xué)模式較為古板，在實驗課堂中學(xué)生只能被動接受，很難產(chǎn)生師生互動，限制了學(xué)生主觀能動性的充分發(fā)揮，使教學(xué)內(nèi)容與工程實踐產(chǎn)生脫節(jié)，與提高學(xué)生工程素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)不相符。

教學(xué)內(nèi)容與工程實踐脫節(jié)目前，不少高校都在縮減專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)時。以齊魯工業(yè)大學(xué)為例，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的理論力學(xué)由原來的80學(xué)時減為56學(xué)時，材料力學(xué)由原來的72學(xué)時減為64學(xué)時（含8學(xué)時實驗），其他專業(yè)（如汽車服務(wù)工程和材料成型及其自動化等專業(yè)）的基礎(chǔ)力學(xué)開出學(xué)時則更少，但是考慮到后續(xù)課程和學(xué)生考研等需求，需要講授的內(nèi)容基本沒減少。為了完成教學(xué)計劃，教師在課堂教學(xué)中僅能講授教材內(nèi)的基本理論知識，無法開展與工程實踐相關(guān)的教學(xué)環(huán)節(jié)，更談不上滿足工程教育的教學(xué)要求。

課程考核方式不合理我國高校各專業(yè)的基礎(chǔ)力學(xué)課程多數(shù)采用傳統(tǒng)的考核方式，期末總評成績由期末考試的卷面成績和平時成績各占一定比例計算得出。由于學(xué)生多、教師少和教室緊張等原因，多數(shù)基礎(chǔ)力學(xué)課程為多個班級合堂上課，任課教師很難掌握每個學(xué)生平時的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，所謂的平時成績也僅能包括考勤、作業(yè)或小測驗等。這就使得部分學(xué)生上課僅僅是為了應(yīng)付考勤，而不注意聽講，同時作業(yè)抄襲的現(xiàn)象也比較嚴重。為了應(yīng)付考試，部分學(xué)生選擇考前突擊復(fù)習(xí)，甚至作弊。因此，這種傳統(tǒng)的考核方式容易造成學(xué)生只為應(yīng)付考試，不注重平時的課堂學(xué)習(xí)和知識積累，使得學(xué)生對知識的掌握不系統(tǒng)，無法自如地將所學(xué)知識用到工程問題實踐中。

3 基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)中實施工程教育的可行性

掌握扎實的工程基礎(chǔ)應(yīng)用知識是工程教育模式的基礎(chǔ)與核心[1]。由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展速度很快，工程應(yīng)用領(lǐng)域里許多看似深奧的技術(shù)很快就會被新興的技術(shù)所取代，只有專業(yè)基礎(chǔ)知識掌握扎實的人才可以通過不斷學(xué)習(xí)適應(yīng)不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)。因此，基礎(chǔ)力學(xué)作為工科的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在其教學(xué)過程中實施工程教育是十分重要的。在基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)中實施工程教育，有助于實現(xiàn)培養(yǎng)計劃所規(guī)定的教學(xué)目標(biāo)，這一點從基礎(chǔ)力學(xué)課程的課程屬性及其在課程體系中所處的位置都可以得以體現(xiàn)。如果基礎(chǔ)力學(xué)課程沒有學(xué)好，后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)就會變得更為困難，并且會影響將來的職業(yè)發(fā)展和提高。

基礎(chǔ)力學(xué)的相關(guān)理論知識均來自于工程實踐，學(xué)生所學(xué)的知識和培養(yǎng)的能力更需要在實踐中檢驗[2]。因此，基礎(chǔ)力學(xué)課程中的實踐環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力十分重要。專業(yè)基礎(chǔ)課中的基礎(chǔ)理論知識是對最共性和最基本的專業(yè)知識的總結(jié)，如果對其掌握不夠牢固或理解不夠透徹，就不能靈活解決千變?nèi)f化的實際問題。要想靈活應(yīng)對各種實際工作中的問題，必須在基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中關(guān)注工程實踐。為此，只有精心設(shè)計基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)過程，使其熟練掌握工程基礎(chǔ)應(yīng)用知識，才可以實現(xiàn)對學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，進而構(gòu)建系統(tǒng)的專業(yè)技能。

4 基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)改革的措施

教學(xué)內(nèi)容的項目化設(shè)計基礎(chǔ)力學(xué)課程改革可以考慮從教學(xué)內(nèi)容的項目化設(shè)計著手，而教學(xué)內(nèi)容的項目化設(shè)計要充分結(jié)合工程能力指標(biāo)進行，因為工程教育的理念更加突出教學(xué)案例的基礎(chǔ)性和前沿性，更加注重學(xué)生實踐能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更加注重教學(xué)內(nèi)容與工程背景的結(jié)合。如在講授理論力學(xué)中桁架結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識時，講授完基本理論知識后，可讓學(xué)生從身邊的工程實例中尋找桁架應(yīng)用的實例，引導(dǎo)學(xué)生分析、簡化、建立并求解結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，對結(jié)果予以分析，并以此為基礎(chǔ)制作實驗?zāi)Ｐ?，對計算結(jié)果進行實驗驗證。

項目化設(shè)計還可以考慮在課程最后設(shè)立綜合大作業(yè)，給出或讓學(xué)生從工程中尋找一個實際的機構(gòu)或結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)和幫助學(xué)生建立該機構(gòu)工作時的力學(xué)模型并對其進行求解，將求解結(jié)果與實際情況進行對比，讓學(xué)生分析理論計算與實際情況存在差別的原因。通過基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的項目化設(shè)計，可以加深學(xué)生對其教學(xué)內(nèi)容的理解與掌握，進而實現(xiàn)工程教育相應(yīng)的能力指標(biāo)要求。

利用學(xué)生的關(guān)注點進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在基礎(chǔ)力學(xué)的課堂教學(xué)過程中，可將學(xué)生的最新關(guān)注點與基礎(chǔ)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生興趣，拉近師生距離，活躍課堂氣氛，進而引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。如在講授每一章節(jié)知識后，可將時下學(xué)生所關(guān)心的新聞事件與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，由學(xué)生與教師溝通并選定相關(guān)主題，在課堂上對自己所選問題的力學(xué)原理和解決辦法進行介紹，讓學(xué)生學(xué)會如何將所學(xué)基礎(chǔ)理論知識綜合應(yīng)用于工程實踐中。此舉可提高學(xué)生的表達與溝通能力，也為學(xué)生創(chuàng)造一個輕松的課堂氛圍，進而實現(xiàn)工程教育中創(chuàng)新性思維和團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

工程技術(shù)問題都是客觀存在的，不能隨意對其假設(shè)或猜測[3]。在處理工程技術(shù)問題時，必須將理論知識和實踐經(jīng)驗相結(jié)合，分析問題的本質(zhì)并提出解決辦法?；A(chǔ)力學(xué)課程的內(nèi)容由簡單到復(fù)雜，知識結(jié)構(gòu)詳盡且系統(tǒng)。其中從靜力學(xué)中的基本公理到材料力學(xué)中的基本變形，再到彈性力學(xué)的能量原理都是在科學(xué)的推理、計算和實驗驗證下得出的結(jié)果。如在材料力學(xué)的研究范圍內(nèi)分析小變形、彈性桿件的安全問題時，根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論，從外力分析到內(nèi)力計算，再到應(yīng)力和變形，最后解決桿件的強度、剛度和穩(wěn)定性等安全問題。這一分析過程既訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)學(xué)運算能力，又培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力，使學(xué)生養(yǎng)成良好的工程語言表達能力，并逐步掌握在工程實踐中發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力?；A(chǔ)力學(xué)課程中的這些訓(xùn)練是工程能力指標(biāo)最基本的體現(xiàn)。

另外，在基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)中，可通過引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展想象能力，訓(xùn)練其邏輯思維能力[4]。如在講解完桿件拉壓強度的問題之后，改變相應(yīng)的已知條件，如外力大小、桿件材料、桿件尺寸形狀等，或者讓學(xué)生思考在工程實踐中得到上述哪些條件時會遇到障礙，引導(dǎo)他們思考分析并最終解決問題。如果學(xué)生遇到困難，就幫助其分析并找出遇到困難的原因。這種以鍛煉學(xué)生形象思維為目的教學(xué)，能夠增強和鍛煉學(xué)生邏輯思維能力及解決實際問題的能力。

課堂表現(xiàn)形式的多樣化設(shè)計基于對學(xué)生問卷調(diào)查的結(jié)果，針對基礎(chǔ)力學(xué)課程理論性強和公式推導(dǎo)難度大的特點，教師在講解理論知識時應(yīng)注重引入易引起學(xué)生興趣的工程案例，增強知識的趣味性和實用性。如在講授疲勞失效這一節(jié)時，可通過引入貨車司機因超載而引發(fā)事故的案例，分析汽車主軸產(chǎn)生失效的原因，講解相關(guān)理論知識。利用這樣一個例子引出本節(jié)的內(nèi)容，能夠更好地吸引學(xué)生的注意力和活躍課堂氣氛，用理論知識合理解釋工程實踐中遇到的疲勞失效問題。不僅加深學(xué)生對理論知識的理解，而且培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力。工程實踐中很多實例都可以利用基礎(chǔ)力學(xué)的理論加以解釋，在課堂教學(xué)中應(yīng)注意利用該方法引導(dǎo)學(xué)生分析歸納并總結(jié)提煉自己的想法，培養(yǎng)他們解決實際問題的能力，實現(xiàn)工程教育的教學(xué)目標(biāo)。

基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)的表現(xiàn)形式除課堂講授外，還可以設(shè)計專題討論會的環(huán)節(jié)。如根據(jù)基礎(chǔ)力學(xué)課程的知識點提供幾個討論主題，要求學(xué)生利用圖書館或互聯(lián)網(wǎng)等資源，查閱資料，制作匯報材料，鼓勵學(xué)生課堂上講解并交流討論。通過這種討論可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，將傳統(tǒng)的單向知識傳授擴展至基于問題解決的師生互動學(xué)習(xí)，進而培養(yǎng)學(xué)生的交流溝通能力和團隊協(xié)作能力。

試行靈活的實驗教學(xué)模式教學(xué)環(huán)節(jié)不應(yīng)該只以教師為主體，而應(yīng)該是師生互動的教學(xué)過程[5]。在專業(yè)人才培養(yǎng)方案中將基礎(chǔ)力學(xué)課程中的實驗類別從驗證型修改為設(shè)計型，對于設(shè)計型實驗，教師僅給出實驗的預(yù)期目的，讓學(xué)生設(shè)計實驗的思路，經(jīng)與教師討論方案可行后，通過查閱資料學(xué)習(xí)實驗設(shè)備的操作方法，自己動手進行實驗。實驗過程中如若遇到問題，及時找老師或同學(xué)共同商討解決問題的辦法，引導(dǎo)學(xué)生獨立分析實驗數(shù)據(jù)和規(guī)范，撰寫實驗報告。這種實驗方式可使學(xué)生由被動變主動，提高學(xué)生在實踐中運用所學(xué)知識的能力，實現(xiàn)工程教育的教學(xué)目的。

對于高年級學(xué)生，可以根據(jù)不同的專業(yè)，開設(shè)相應(yīng)的力學(xué)綜合開放實驗環(huán)節(jié)，只要學(xué)生有好的想法且思路是可行，或教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)好的力學(xué)課題，由學(xué)生設(shè)計解決方案，然后利用實驗室現(xiàn)有設(shè)備和軟件解決問題。指導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)有教學(xué)資源和實驗室資源，參加各種力學(xué)競賽，鼓勵學(xué)生撰寫小論文，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新意識。

改革課程考評方式課程考評是教學(xué)過程的重要組成部分，不能簡單理解為傳統(tǒng)的書面考試，可由多種形式組成。根據(jù)基礎(chǔ)力學(xué)課程的特點，其考評內(nèi)容可由力學(xué)軟件應(yīng)用（占10%）、力學(xué)模型制作（占20%）、分組報告會（占10%）、實驗報告撰寫（占10%）、平時作業(yè)及試卷考核（占50%）等組成。評價形式可采用學(xué)生自評、學(xué)生互評和教師評價等形式，重點考察學(xué)生在各個環(huán)節(jié)中所起的作用及所負責(zé)項目的完成情況，以及與其他學(xué)生協(xié)作能力等指標(biāo)。這種考核方式可以避免傳統(tǒng)考試的各種弊端，促進學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生對課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚興趣，提高對基礎(chǔ)理論的理解和掌握。通過幾個不同階段的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生感到基礎(chǔ)力學(xué)課程的重要性，對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生幫助，進而提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

5 結(jié)語

為了解決目前基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中存在的問題，使其適應(yīng)工程教育的人才培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力，在教學(xué)過程中要有意識地培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)改革正是基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的一次嘗試。課程改革需要反復(fù)的探索和實踐，課題組將繼續(xù)開展并深化基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)改革，使其利于應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式目的實現(xiàn)。

[1]車金如,齊暉,馬永鄭,等.基于CDIO理念的TM-CDIO理論力學(xué)教學(xué)改革的探索[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報,2013,25(2):74-78.

[2]楊開云,白新理,劉云,等.理論力學(xué)課程教學(xué)改革與實踐[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2008,24(3):104-106.

[3]吳立軍,王瑞金.面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的理論力學(xué)改革與實踐[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報,2008,20(2):133-136.

[4]楊亞平,沈海寧.土木工程專業(yè)理論力學(xué)教學(xué)改革芻議[J].高教論壇,2009(3):95-96.

[5]李為虎.一種工科理論力學(xué)教學(xué)模式的構(gòu)思與實踐[J].力學(xué)與實踐,2010(3):126-127.

G642.0

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1671-489X(2016)02-0117-03

*項目來源：山東省高等學(xué)校教學(xué)改革重點項目“面向工程教育專業(yè)認證的地方高校機械類專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革與實踐”（基金編號：2012047）。

作者：王明祿，齊魯工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院講師，研究方向為功能梯度材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；許崇海、魏高峰、周泉，齊魯工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院（250353）。