以力學(xué)競賽促進力學(xué)課程教學(xué)改革探討

王敏容 鐘志恒

摘 要：文章以周培源力學(xué)競賽和結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽為契機，探討以競賽促進“力學(xué)”課程的教學(xué)改革思路。分析了力學(xué)競賽中存在的問題，提出了以提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，結(jié)合工程實例，訓(xùn)練學(xué)生的力學(xué)建模能力，運用多種教學(xué)方法，加強學(xué)生對力學(xué)基本原理的理解和綜合問題的訓(xùn)練，以競賽為依托培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，實現(xiàn)“力學(xué)”課程教學(xué)改革措施。

關(guān)鍵詞：力學(xué)課程；教學(xué)模式；教學(xué)改革；力學(xué)競賽

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）06-0022-02

學(xué)生參與的力學(xué)競賽主要是全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽和中南地區(qū)高校土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽，均為每兩年舉辦一次。至今，周培源力學(xué)競賽已成功舉辦了十一屆，結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽已成功舉辦了六屆，越來越多的學(xué)校和學(xué)生都加入到了力學(xué)競賽中，取得了良好的成績。參加力學(xué)競賽，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力，而且能提高教師的教學(xué)水平，促進力學(xué)課程的教學(xué)改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。本文結(jié)合近兩屆學(xué)生參加力學(xué)競賽的比賽情況，總結(jié)學(xué)生參加力學(xué)競賽中存在的問題，思考力學(xué)課程教學(xué)改革的方向，以力學(xué)競賽促進力學(xué)教學(xué)改革，以期望提升力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的工程綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

一、力學(xué)競賽現(xiàn)狀

第六屆到第十屆的全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽試題不是學(xué)生常接觸的習(xí)題內(nèi)容，充滿著趣味性、綜合性和創(chuàng)新性，以考查學(xué)生的綜合分析能力和創(chuàng)新能力為主[1]。競賽題目不同于習(xí)題中的已知條件求未知問題，而是以趣味性的魔術(shù)、雜技、生活等故事引出力學(xué)問題或現(xiàn)象，已知條件隱藏在故事之中，需要學(xué)生讀懂題后建立力學(xué)模型；題目求解需要綜合運用多個知識點，一道題求解需要理論力學(xué)結(jié)合材料力學(xué)的知識，考慮多種因素，采用多種方式求解。雖然試題考查的都是力學(xué)的基本知識點，但各地的競賽成績并不理想，獲獎的學(xué)生試卷分?jǐn)?shù)都低于預(yù)期的分?jǐn)?shù)[2]。第十一屆的周培源力學(xué)競賽試題由兩部分組成，第一部分是基礎(chǔ)題，和平常學(xué)生的練習(xí)題類似；第二部分是提高題，和前幾屆的競賽題目相似，綜合性和靈活性較強。以廣東賽區(qū)為例，基礎(chǔ)題的得分率高于提高題，其中146人的基礎(chǔ)題和提升題都能得分，224人僅能基礎(chǔ)題得分而提高題得分為0，雖然最高分較往屆有所提高，但平均分基本和前幾屆持平。結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽試題與學(xué)生平時學(xué)習(xí)考試的題目類似，競賽試題平均分遠高于周培源力學(xué)競賽，學(xué)生對靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力普遍掌握得較好，對綜合運用力法、位移法、力矩分配法等計算超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力掌握較差。

二、由競賽反映出力學(xué)教學(xué)中存在的問題

力學(xué)競賽的成績不僅反映出了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度和綜合運用能力，也反映出了基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)效果中存在的問題。

（一）基礎(chǔ)知識不牢固

參與力學(xué)競賽的學(xué)生大多數(shù)是經(jīng)過學(xué)校選拔或?qū)αW(xué)有興趣的學(xué)生，以大三學(xué)生居多，他們已學(xué)過了理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程，但在力學(xué)競賽輔導(dǎo)中仍表現(xiàn)出力學(xué)原理不清晰，基礎(chǔ)知識不牢固的現(xiàn)象。第十一屆的周培源力學(xué)競賽試題基礎(chǔ)題有25%學(xué)生得分低于5分，綜合起來對靜力學(xué)空間力系、摩擦、動力學(xué)定理的運用，強度理論以及組合變形掌握較差。

（二）力學(xué)建模能力較弱

周培源力學(xué)競賽中的綜合題，需要學(xué)生先自己分析題目、建模、簡化后再處理復(fù)雜問題，多數(shù)學(xué)生都無從下手分析，不能讀懂題意。學(xué)生們習(xí)慣了根據(jù)教材例題和習(xí)題中給定的模型求解，而將實際問題簡化為力學(xué)模型分析的能力較為薄弱。結(jié)構(gòu)力學(xué)的競賽題更接近作業(yè)題，學(xué)生的得分率高于周培源力學(xué)競賽。力學(xué)課程中，給定模型的習(xí)題練習(xí)較多，問題分析太少，學(xué)生分析問題、解決問題的能力不足[3]。

（三）綜合運用能力較差

周培源力學(xué)競賽和結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽中的綜合題都需要學(xué)生準(zhǔn)確判斷知識點、綜合運用多種知識、快速計算各個問題，對學(xué)生的綜合運用能力要求較高，這類題型在整個試卷中得分是較低的。目前在力學(xué)課程教學(xué)中，學(xué)生接受綜合題的訓(xùn)練太少，將各種知識綜合運用的能力較差。

三、以競賽促進力學(xué)課程教學(xué)改革

以競賽為契機，針對競賽反映出來的問題，以賽促教，改革教學(xué)方法，加強學(xué)生分析問題、解決問題和綜合運用問題的訓(xùn)練，創(chuàng)新學(xué)生的思維能力，提升教學(xué)效果。

（一）結(jié)合工程實例訓(xùn)練學(xué)生力學(xué)建模能力

力學(xué)來源于生活和工程實例，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)緊密結(jié)合工程實例，突出學(xué)生的專業(yè)工程背景。以工程實例提出問題，讓學(xué)生帶著問題思考，學(xué)會建立力學(xué)模型分析問題，利用力學(xué)知識解決問題。即在課堂教學(xué)中按照“實例—理論—實例”的原則，以典型的工程事故引出本次課需要講解的知識點，理論知識講授完畢后要求學(xué)生再結(jié)合工程實例分析事故原因及改進措施，讓力學(xué)知識從工程中來再回到工程中解決工程問題[4]。并結(jié)合專業(yè)課中的橋梁、廠房、高層等構(gòu)造，要求學(xué)生建立相應(yīng)的力學(xué)模型，且能正確地將約束和荷載簡化作用于力學(xué)模型上。通過將專業(yè)課程和力學(xué)課程相銜接，學(xué)生理解了力學(xué)課程與專業(yè)課的關(guān)聯(lián)，也為學(xué)生更好地學(xué)習(xí)專業(yè)課做鋪墊。

（二）多種教學(xué)方法相結(jié)合

課程教學(xué)采用基于問題的學(xué)習(xí)和基于項目的學(xué)習(xí)、探究式教學(xué)方式，以工程中的“項目”或“問題”這一類真實復(fù)雜的問題為核心，引導(dǎo)學(xué)生思考討論，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)生的力學(xué)分析能力和綜合應(yīng)用能力。

（三）加強力學(xué)基本原理理解

在綜合題中，很多學(xué)生找不到入手點，不能正確選擇合適的公式進行分析，其根源就是對力學(xué)的基本原理理解不透徹。力學(xué)課程教學(xué)中，學(xué)生對理論公式的推導(dǎo)普遍不感興趣，很多教師在講解中也是簡要說明推導(dǎo)過程，學(xué)生對公式的基本假設(shè)、思路都不清晰，相應(yīng)也就不會對這類知識進行舉一反三的運用。如彎曲切應(yīng)力公式的推導(dǎo)思路在周培源力學(xué)競賽中作為?？键c，但遇到類似題目時很多學(xué)生還是不能正確分析。在課程教學(xué)中，將基本原理、公式推導(dǎo)重點和難點等采用MOOC、微視頻等形式，讓學(xué)生課前預(yù)習(xí)，并將公式的推導(dǎo)作為課后的練習(xí)以加深學(xué)生的理解。在力學(xué)競賽培訓(xùn)中，則需要注重學(xué)生對基本原理的理解，并要求學(xué)生自己對基本原理總結(jié)和梳理，找出相關(guān)知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，理清原理的適用條件以及能解決的相關(guān)問題。

（四）加強綜合問題的訓(xùn)練

力學(xué)競賽培訓(xùn)中，教師對歷年考試綜合題進行逐層剖析，引導(dǎo)學(xué)生采用“分過程—找知識點—后綜合”的思路來分析問題[5]。先把要求解的問題分為幾個過程，后尋找每個過程所需要的相應(yīng)知識點并建立對應(yīng)的力學(xué)模型，最后綜合每個過程所需要的力學(xué)數(shù)學(xué)模型來尋求最終的答案[6]。練習(xí)中，要求學(xué)生按照這種思維方式來思考和分析問題，并對每道題進行總結(jié)。經(jīng)過一段時間的訓(xùn)練，讓學(xué)生養(yǎng)成這種思維方式，習(xí)慣求解綜合問題。結(jié)構(gòu)力學(xué)競賽輔導(dǎo)中，注重綜合訓(xùn)練學(xué)生靈活運用所學(xué)知識快速解題的能力，如靈活運用疊加法，不求出內(nèi)力直接畫出靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖，綜合運用力法、位移法、力矩分配法等快速繪制超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖等。

（五）以競賽加強創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)

建立以課程教學(xué)為基礎(chǔ)，以競賽項目為載體，以能力訓(xùn)練為手段的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。結(jié)合國家、省、校三級力學(xué)競賽和結(jié)構(gòu)模型比賽，鼓勵學(xué)生積極參與比賽，感受比賽的樂趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的興趣。結(jié)構(gòu)模型大賽，學(xué)生需要利用所學(xué)的力學(xué)知識設(shè)計模型方案，并撰寫結(jié)構(gòu)模型設(shè)計說明書。模型的設(shè)計需要學(xué)生綜合利用材料的力學(xué)性質(zhì)結(jié)合受力狀態(tài)建模，說明書的編寫充分體現(xiàn)學(xué)生力學(xué)建模、力學(xué)分析與計算的能力，是對力學(xué)知識的最好展現(xiàn)，也培養(yǎng)了學(xué)生的工程應(yīng)用、分析和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)論

力學(xué)競賽不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對力學(xué)課程的教學(xué)改革也有重要的促進作用。從力學(xué)競賽中反映出來的問題入手，以提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，結(jié)合工程實例訓(xùn)練學(xué)生的力學(xué)建模能力，多種教學(xué)方法相結(jié)合提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，加強對力學(xué)基本原理的理解和綜合問題的訓(xùn)練，以競賽為契機培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。今后筆者將繼續(xù)以力學(xué)競賽促進課程教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的綜合能力。

參考文獻：

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[2]趙玉萍.芻議基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)的改革——透過力學(xué)大賽看基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，（1）.

[3]趙麗霞，劉丹丹.基于周培源力學(xué)競賽的基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)方法的思考[J].亞太教育，2015，（8）.

[4]劉志勇.混凝土結(jié)構(gòu)課程四位一體探究式教學(xué)法改革與實踐[J].高等建筑教育，2016，（1）.

[5]張速.基于全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽材料力學(xué)新教學(xué)模式的實踐[J].淮北師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，（2）.

[6]劉安中，張速.幾種邏輯方法在力學(xué)競賽輔導(dǎo)中的應(yīng)用[J].力學(xué)與實踐，2012，（3）.