工程力學(xué)課程建設(shè)的認(rèn)識與實(shí)踐

高士武 楊曉林 楊亞平 趙偉東 郭曉菊 萬朔

摘要：在大學(xué)一流本科教育、新工科建設(shè)、工程教育認(rèn)證的趨勢下，《工程力學(xué)》作為高等院校工科專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是學(xué)生入學(xué)后涉及工程實(shí)際較多的課程和學(xué)校工科專業(yè)重點(diǎn)建設(shè)的課程之一。文章結(jié)合我?！豆こ塘W(xué)》課程建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐探索，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)隊(duì)伍及教學(xué)方法與手段四個(gè)方面對建構(gòu)教與學(xué)進(jìn)程中工程力學(xué)課程建設(shè)進(jìn)行探索與思考。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)；課程建設(shè)；教學(xué)反思

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）30-0140-03

《工程力學(xué)》是我校材料科學(xué)與工程、有色（鋼鐵）冶金工程、新能源材料與器件、地質(zhì)工程、環(huán)境工程、給排水科學(xué)與工程、城鄉(xiāng)規(guī)劃、建筑工程等專業(yè)由基礎(chǔ)理論過渡到專業(yè)基礎(chǔ)的一門十分重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，從嚴(yán)密的邏輯思維系統(tǒng)中，提煉簡化和探究科學(xué)原理，是工科學(xué)生分析解決工程中的力學(xué)問題的重要基礎(chǔ)工具。

為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和進(jìn)步，創(chuàng)新理念在驅(qū)動，科技的魅力不斷在為人類造福。創(chuàng)新理念更新，推動所有學(xué)科在“與時(shí)俱進(jìn)”，符合世界人民的人心所向。力學(xué)這一學(xué)科的研究和教育也不例外。力學(xué)的概念、理論和實(shí)驗(yàn)也隨著生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步、科技不斷創(chuàng)新而有所變化，新的力學(xué)問題也隨之而來，讓人們不斷再學(xué)習(xí)、接受并拓展應(yīng)用空間。我國也啟動了新工科改革與建設(shè)。工程力學(xué)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)隊(duì)伍、教學(xué)方法與手段、教學(xué)思考等方面也應(yīng)做出適當(dāng)?shù)母母铩?/p>

一、優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)

《工程力學(xué)》課程教學(xué)面向我校材料科學(xué)與工程、有色（鋼鐵）冶金、新能源材料與器件、地質(zhì)工程、環(huán)境工程、給排水科學(xué)與工程、城鄉(xiāng)規(guī)劃、建筑工程等工科專業(yè)。工程力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生獲得一定的基礎(chǔ)力學(xué)知識，為專業(yè)課學(xué)習(xí)提供必要的理論基礎(chǔ)。通過課程教學(xué)，使學(xué)生掌握工程力學(xué)這門學(xué)科的基本理論和基本的計(jì)算方法，培養(yǎng)學(xué)生解決問題和分析問題的能力。這與國家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求不相匹配。因此，本課程將在課程原有教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，注重培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)分析思維和力學(xué)建模思維，為建立學(xué)生的批判性思維和研究型思維打下良好的基礎(chǔ)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新能力的提高。

二、改革教學(xué)內(nèi)容

依據(jù)各學(xué)科專業(yè)的人才培養(yǎng)體系，優(yōu)化本課程體系，構(gòu)建高水平課程平臺。結(jié)合一流本科教育[1]、工程教育認(rèn)證[3]和新工科[4]發(fā)展的要求以及地方高等院校的實(shí)際情況，在圍繞培養(yǎng)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)中尋求平衡點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和研究型思維。在課程體系和教學(xué)內(nèi)容方面，不斷進(jìn)行內(nèi)容的整合和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)性、實(shí)用性和前沿性的結(jié)合，設(shè)置合理的課程體系，強(qiáng)化實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)生的訓(xùn)練和培養(yǎng)。結(jié)合授課對象的專業(yè)特點(diǎn)及后續(xù)課程需求，不同專業(yè)側(cè)重點(diǎn)不同。土建類各專業(yè)加強(qiáng)靜力學(xué)部分、偏心壓縮及截面核心等知識點(diǎn)；機(jī)械類各專業(yè)加強(qiáng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)部分、彎扭組合等知識點(diǎn)；工程管理、環(huán)境等專業(yè)掌握靜力學(xué)、基本變形的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計(jì)算等知識點(diǎn)的基本概念、基本計(jì)算，使學(xué)生具備基本的工程力學(xué)素質(zhì)。

在力學(xué)教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生能夠在了解力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，將所學(xué)的數(shù)學(xué)知識應(yīng)用于力學(xué)分析和工程分析中去，能夠定性和定量地描述力學(xué)問題，并給出確切的數(shù)學(xué)表述。工程上的創(chuàng)造性元素包含著簡明的科學(xué)原理，要使學(xué)生能夠?qū)⒐こ虇栴}化解為相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型，深化對工程問題的理解。除在現(xiàn)有教學(xué)活動中介紹大量與工程力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的古典與現(xiàn)代的工程實(shí)例、工程災(zāi)難性事故的力學(xué)破壞分析，還開設(shè)了開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，從而開拓學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生對力學(xué)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的熱情和積極性。教學(xué)內(nèi)容的改革和創(chuàng)新需要探究深層內(nèi)涵：（1）對教材中某些不完善、不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的論述或表述加以糾正或完善。要超越現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容，并且要深入了解對于現(xiàn)有內(nèi)容有意義的內(nèi)容。（2）一般的工程力學(xué)中稱橫向變形與軸向變形的負(fù)值或絕對值為泊松比的定義，后來人們發(fā)現(xiàn)了“負(fù)泊松比”的材料，兩個(gè)定義不再一致。（3）關(guān)于確定橫截面上內(nèi)力的截面法。講授者一般采用老步驟，即：截開-取隔離體-寫平衡方程。沒有嘗試新的思路和方法，例如力系簡化的方法。（4）關(guān)于載荷集度、剪力、彎矩之間的微分關(guān)系，通常授課者限于根據(jù)微分關(guān)系確定剪力圖和彎矩圖的形狀，很少有人思考利用微分關(guān)系的反運(yùn)算——積分，確定梁上有分布載荷作用時(shí)，彎矩圖的極值點(diǎn)的位置以及極值點(diǎn)的彎矩?cái)?shù)值。

三、加強(qiáng)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)

目前，我校工程力學(xué)課程組教學(xué)隊(duì)伍由10人組成，教學(xué)隊(duì)伍中有4人赴國內(nèi)外高校交流學(xué)習(xí)，3人曾獲得中國力學(xué)學(xué)會優(yōu)秀教師，增強(qiáng)了教學(xué)與科研能力。該課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)具有良好的學(xué)歷結(jié)構(gòu)、學(xué)緣結(jié)構(gòu)和年齡結(jié)構(gòu)，是一支年輕化的團(tuán)隊(duì)，平均年齡36歲。主講教師多年從事工程力學(xué)及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)工作，具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)效果優(yōu)良。為了使教學(xué)隊(duì)伍的知識結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)更趨合理，教研室按計(jì)劃、有目的地培養(yǎng)或引進(jìn)中青年教師。課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)重視梯隊(duì)建設(shè)，培養(yǎng)年輕教師，目前教師中具有博士、碩士學(xué)位的占81.8%。對新開課的教師，教研室均組織課程組從教案、習(xí)題到講課等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合評定；對團(tuán)隊(duì)中其他成員均采用不定期地聽課及向?qū)W生問卷調(diào)查和評教等方式檢查其教學(xué)效果，并采用“傳、幫、帶”的方式，安排具有多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的老教師幫助青年教師盡快成長。同時(shí)按時(shí)召開教學(xué)研討活動，組織團(tuán)隊(duì)成員參加由中國力學(xué)學(xué)會和教育部高等學(xué)校力學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會負(fù)責(zé)的“中國力學(xué)大會”、“全國塑性力學(xué)大會”、“力學(xué)課程報(bào)告論壇”、“全國基礎(chǔ)力學(xué)青年教師講課比賽”、“高等學(xué)?；A(chǔ)力學(xué)課程骨干教師高級研修班”、“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”以及學(xué)校舉辦的“優(yōu)秀課程示范教學(xué)沙龍”、“混合式教學(xué)研討沙龍”等多種形式的學(xué)術(shù)交流活動，通過交流學(xué)習(xí)，青年教師在較短的時(shí)間內(nèi)都能承擔(dān)相關(guān)教學(xué)任務(wù)并取得了良好的教學(xué)效果。

課程建設(shè)是教學(xué)改革之本，課程教學(xué)是學(xué)生獲得知識、發(fā)展能力的重要途徑。一流的本科教育需要一流的課程教學(xué)；一流的課程教學(xué)需要一流的教學(xué)團(tuán)隊(duì)來保證。然而課程教學(xué)是幾代人連續(xù)接力、傳承的過程，沒有一個(gè)人能夠脫離前人的教學(xué)思想和教學(xué)方法，完成好個(gè)人的課程教學(xué)工作；個(gè)人的知識領(lǐng)域都是非常有限的，學(xué)術(shù)經(jīng)歷也是有限的。而課程教學(xué)要達(dá)到高水平，絕對不能限于課程本身，必須涉及很多相關(guān)的領(lǐng)域。比如，工程力學(xué)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題涉及土木、機(jī)械、航空、車輛、水利、地質(zhì)、化工等等諸多工程；隨著時(shí)代的進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，課程教學(xué)面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，進(jìn)入人工智能時(shí)代，我們的課程怎么教？教材怎么寫？課程教學(xué)怎么評價(jià)？這些問題更不是幾個(gè)人所能解決的，必須依靠團(tuán)隊(duì)。因此，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)的理念和機(jī)制[5-6]尤為重要。優(yōu)秀的教學(xué)團(tuán)隊(duì)需要做到以下三個(gè)方面：一是重視教學(xué)，就是要意識到這是一種擔(dān)當(dāng)、一種應(yīng)盡的責(zé)任——人才培養(yǎng)的責(zé)任，就是要肯于投入身心，就是要堅(jiān)持教學(xué)與科研結(jié)合，努力使自己成為教學(xué)水平與學(xué)術(shù)水平兼?zhèn)涞膬?yōu)秀教師；二是研究教學(xué)，就是要區(qū)別于照本宣科的教書先生，新時(shí)代的高等學(xué)校的教師的教學(xué)工作應(yīng)該是研究型的；三是做好教學(xué)，就是要提高課程的教學(xué)質(zhì)量，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，更重要的是通過有效的教學(xué)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

四、提升教學(xué)方法與手段

當(dāng)前信息化智能化的蓬勃發(fā)展為教育教學(xué)帶來重要的變革機(jī)遇[2]，翻轉(zhuǎn)課堂、慕課、微課堂已經(jīng)成為時(shí)下人們普遍采用的學(xué)習(xí)方式[7-8]；而“混合式學(xué)習(xí)[9]”也成為教育創(chuàng)新的一個(gè)熱點(diǎn)，它整合在線學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)的雙重體驗(yàn)。探索以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的新型教學(xué)組織形式，然而如何形成一個(gè)以學(xué)生為中心的教育體系，以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)本質(zhì)上是由兩個(gè)相關(guān)的理念組合而成——個(gè)性化學(xué)習(xí)和基于能力的學(xué)習(xí)。構(gòu)建以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)體系[10]的重要組成部分是學(xué)生養(yǎng)成了學(xué)習(xí)自主性、對自身進(jìn)步的歸屬感，以及指引學(xué)習(xí)的后續(xù)能力。我校工程力學(xué)課程組積極開展教學(xué)方法和手段的探索，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，實(shí)行啟發(fā)式和互動式教學(xué)方法，在培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)素質(zhì)的同時(shí)，注意充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識及能力；有效地、恰如其分地使用現(xiàn)代教育技術(shù)在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上，結(jié)合我校民族地區(qū)的實(shí)際情況，選用和編制了自己有特色的、實(shí)用性強(qiáng)的課堂教學(xué)電子教案和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)電子教案，以及網(wǎng)上的教學(xué)資源，同時(shí)注重發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)手段的優(yōu)點(diǎn)，使現(xiàn)代教育技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)過程緊密結(jié)合，注意引導(dǎo)學(xué)生思維。

五、教學(xué)思考

2000年以來，高等教育的本質(zhì)發(fā)生了巨大的改變。入學(xué)率的大幅提高使大學(xué)不僅在專業(yè)性質(zhì)而且在學(xué)生構(gòu)成方面都形成了多樣性。課堂教學(xué)必須契合多樣化的學(xué)生，但多樣化帶來的真正的問題還藏匿于大學(xué)和課程內(nèi)部。應(yīng)對多樣性的問題，主要就在于如何改進(jìn)教與學(xué)，我們教師如何認(rèn)識教學(xué)本身，如何依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)開展教學(xué)。有效的教學(xué)應(yīng)該是將教與學(xué)有機(jī)地聯(lián)系起來，為促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)、達(dá)到預(yù)期成效的途徑。這就需要關(guān)注學(xué)生的智力、學(xué)習(xí)方式和動機(jī)、學(xué)習(xí)環(huán)境等。

工程力學(xué)是材料、地質(zhì)、環(huán)境、建筑工程等工科類專業(yè)的重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，是后續(xù)有關(guān)專業(yè)課的基礎(chǔ)。本文以如何開展好工程力學(xué)課程建設(shè)為目標(biāo)，針對當(dāng)前課程建設(shè)的重點(diǎn)，分別從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)隊(duì)伍、教學(xué)方法與手段、教學(xué)思考等方面出發(fā)，提出了幾點(diǎn)建議。希望通過課程建設(shè)與研究使老師們不斷體會力學(xué)課程中所蘊(yùn)含的科學(xué)思想，幫助學(xué)生剖析工程問題，提煉力學(xué)模型，塑造工程思維，逐漸構(gòu)建與提升學(xué)生的科學(xué)精神和工程意識，為將來的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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