土木工程專業(yè)力學課程群的整合和優(yōu)化探討★

金春花 徐小麗

(南通大學交通與土木工程學院，江蘇南通 226019)

力學是土木工程專業(yè)面向工程設計和應用的重要技術(shù)基礎課程，是架設基礎課程到專業(yè)課程的一個橋梁，尤其對于結(jié)構(gòu)強度工程師而言，力學是根基。當前隨著專業(yè)培養(yǎng)計劃的不斷修訂，力學課程的學時一再被壓縮，而后續(xù)專業(yè)課對力學基礎知識的要求卻不降反升，應用型人才、復合型人才、“現(xiàn)場工程師”等新型人才需求對力學的教學不斷提出更高的要求。因此，土木工程專業(yè)的力學教學迫切需要進行整合和優(yōu)化，從課程群的角度建立新的力學知識體系，從而適應新形勢下的人才培養(yǎng)目標。

1 整合教學內(nèi)容，建立模塊化大體系

課程群不同于課程建設的一個重要標志是課程內(nèi)容和課程體系的改革［1］，它講究系統(tǒng)性，在力學課程群建設中，教學內(nèi)容的整合是第一步。近年來，模塊化的呼聲越來越高是由它的優(yōu)越性決定的。在重組知識點時，刪除課程間的重復內(nèi)容，不強求單門課程內(nèi)容的完整性，而是面向全局，面向工程實踐，打破原有的壁壘，融合重塑全新的知識模塊，在夯實基礎的同時強調(diào)知識的應用性。模塊化的知識結(jié)構(gòu)既可以單列又可以融合，符合當前的形勢和需求。土木工程專業(yè)的力學課程主要指理論力學、材料力學和結(jié)構(gòu)力學(俗稱三大力學)。力學課程群的建設主要就是圍繞這三門課的教學展開。在內(nèi)容的整合時，主要有以下關(guān)鍵幾點:

1)理論力學教學中，靜力學部分是土木專業(yè)學習的重點，特別是物系的受力分析和約束反力的求解直接服務于后續(xù)材料力學和結(jié)構(gòu)力學課程，所以需要重點講解。而在后續(xù)梁的強度、剛度和穩(wěn)定性學習中就可以簡單提及，不再占用學時進行重復教學;在力和力矩的概念學習時，由于高中和大學物理中已經(jīng)學過，所以就可以直接用，而把有限的學時放到力偶和空間力矩等新的知識點上去;對于平面簡單桁架部分，早期課程基本用不到，所以可以直接放到后續(xù)的結(jié)構(gòu)力學進行詳細講解。對于運動學部分，可以略去已經(jīng)在大學物理學過的簡單運動計算，只對常用的公式進行簡單回顧，而將學時重點放在點的合成運動和剛體的簡單運動這兩部分，并加深擴寬，引入經(jīng)典工程實例進行重點講授。動力學部分的動量定理、動量矩定理和動能定理在大學物理中也作為重點知識學習過，所以簡單提及公式及運用的注意事項，而把重心放到知識的運用上，結(jié)合案例進行講解對提高學生現(xiàn)場應用能力和綜合分析解決問題的能力大有益處。2)材料力學教學中，主要任務是解決材料的剛度、強度和穩(wěn)定性計算問題。因此，教學中圍繞這一主線展開，并以拉伸和壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲為四大基本模塊依次講授，并注重模塊間的共性和差異，打牢基礎知識，然后再講解組合變形。其中利用積分法求梁的撓曲線方程部分，可以略去高等數(shù)學計算部分，并把單位載荷法的知識移到后續(xù)結(jié)構(gòu)力學進行重點講授。超靜定結(jié)構(gòu)求解、剛架內(nèi)力圖繪制以及能量法的應用等知識也都是材料力學和結(jié)構(gòu)力學的重合部分，也是后續(xù)結(jié)構(gòu)力學的主要學習任務，所以在材料力學學習中可以刪減，而把有限的學時放到實驗中去，培養(yǎng)動手能力，提升實驗實踐能力。3)結(jié)構(gòu)力學教學中，由于對理論力學靜力學部分(特別是支座反力的求解)以及材料力學的內(nèi)力圖的繪制(特別是梁的內(nèi)力圖的繪制)依賴性很強，所以該部分內(nèi)容仍需要反復練習，進一步提高解題速度。但同時需要刪除一些理論性強，學時占用較多的章節(jié)，例如虛功原理的證明。此外，基于學時限制，對于一些較復雜的結(jié)構(gòu)(例如拱、組合結(jié)構(gòu)、間接荷載作用下的結(jié)構(gòu)等)則需要進行刪減，弱化筆算教學而利用各類現(xiàn)有軟件，代之以電算進行。例如結(jié)構(gòu)力學求解器和PKPM軟件等。這和“卓越工程師”培養(yǎng)的理念也相符合。

2 改革實驗體系，培養(yǎng)大局觀念

將三大力學的內(nèi)容從力學課程群的角度進行重新洗牌整合的過程中，修訂教學大綱是核心環(huán)節(jié)。從以往的教學大綱來看，實驗實踐教學環(huán)節(jié)相對較少。例如材料力學的實驗是課內(nèi)實驗，并不單獨成課，實驗課成績納入平時成績進行考核，使學生忽視了實驗環(huán)節(jié)的重要性。此外，內(nèi)容也基本是驗證性的演示實驗，例如學生能夠親自操作的彎曲正應力實驗也只是進行加載和讀數(shù)操作，對于應變片的布局和黏貼操作由多功能實驗臺取代，雖然節(jié)省學時，但對于獨立思考和獨立研究能力的培養(yǎng)不利，缺乏大局觀念。因此，針對當前力學教學中缺乏獨立思考和實踐操作的現(xiàn)狀，以及中國力學學會開展多年的力學實驗競賽要求，我們借鑒國內(nèi)知名高校的做法，把實驗分為三個層次［2］。具體如圖1所示。

圖1 實驗教學層次圖

基礎實驗層次的實驗主要包括金屬材料的力學性能實驗(拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)性能)、彎曲正應力實驗、彎扭組合變形實驗?；A知識一定要保證是力學教師們的共識，這部分實驗主要在于奠定力學實驗知識與能力基礎，在教學中要求不折不扣保證學時、場地和實際操作質(zhì)量。

綜合研究型實驗重在能力、素質(zhì)與個性能力的培養(yǎng)。實驗性質(zhì)也由驗證性向綜合探索型轉(zhuǎn)變。綜合實驗往往是多門課程的交叉和融合，學生自由組隊，自我管理，綜合所學知識解決實際問題，例如薄壁復合梁實驗。內(nèi)容可以是以往的競賽題也可以是老師自主命題。整個實驗從內(nèi)容、方案到報告設計全都由學生自主完成，這給學生們提供了一個很好的獨立思考和創(chuàng)新的機會。試點改革的成效非常好，一掃以往程式化的教學模式，受到同學們的一致好評。

第三個層次就是創(chuàng)新、創(chuàng)造意識和能力的培養(yǎng)。這就需要結(jié)合力學教師的科研課題進行。三大力學均學完后，可以刪選出一部分優(yōu)秀的同學進入老師的課題，不管是大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目還是結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽都需要有前期練習的過程，參與其中才會迸發(fā)出新的想法和靈感，這對教師也是一種教學相長，不斷提升的途徑。實踐證明，很多立志考研的同學都是由此收獲自信和綜合能力，漸漸打開科研之門的。

3 改革考核方式，確?？沙掷m(xù)性

教學改革與創(chuàng)新模式最終都需要一個約束機制或是公平公正的考核評價方式。要求既保證學生均能參與其中，也能保證教學的初心，保質(zhì)保量的圓滿完成教學任務，還要具有可持續(xù)性。

本次力學課程群的考核評價主要從兩個方面進行:一是期末考試，在常規(guī)試題外設計一個綜合已學知識的力學附加試題，通常會抽掉一部分以往作為已知的條件，要求學生自己設計并建模，給出強度和剛度等分析的思路，在注重定量計算的同時要求給出部分定性的判斷。既可以培養(yǎng)學生的綜合和創(chuàng)新能力，也為力學競賽的選拔給出了參考。二是平時成績，除了平時課堂互動、單元測驗、作業(yè)以及考勤外，基礎實驗考核單列，實行一票否決制，提高基礎實驗的地位。此外還加入綜合實驗部分的考核，把小組最終的平均得分作為組內(nèi)每一位同學的平均得分，計入平時成績之中。期末閉卷考試的成績和平時成績的比例設置在7∶3，多方位考核學生的學習成效，杜絕僅靠一張考卷定高下的弊端。

力學課程群的建設，涉及到理論和實踐的方方面面，是土木工程專業(yè)學生專業(yè)學習的根本。整合三大力學的知識點，優(yōu)化各個教學模塊，并注重彼此間的聯(lián)系是首要任務;保證基礎實驗，開辟豐富多彩的綜合創(chuàng)新實驗是新時代復合型人才的要求;公平公正的考核回歸高等教育的初心。通過力學課程群的改革，對本校力學學科的發(fā)展也大有益處。