以大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽為導(dǎo)向的工科力學(xué)課程教學(xué)的思考1)

宋 征

(三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北宜昌443002)

在工科的專業(yè)課程體系中，力學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻。力學(xué)基礎(chǔ)概念和其特有分析方法的掌握是決定專業(yè)設(shè)計(jì)類課程的關(guān)鍵，基于此原因，諸多高校教師對(duì)基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)進(jìn)行了一系列的改革和探索[1-3]，雖取得了一定的效果，但依然未能在廣泛范圍內(nèi)解決基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)推進(jìn)難的問(wèn)題。大多數(shù)學(xué)生，特別是基礎(chǔ)較差的學(xué)生，對(duì)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)甚至達(dá)到了“聞風(fēng)喪膽” 的程度，各類現(xiàn)代教學(xué)手段、新的教學(xué)理念以及逼迫性學(xué)習(xí)等方式似乎對(duì)于現(xiàn)階段學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力的刺激收效甚微，如何有效地推進(jìn)基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)，是現(xiàn)階段高校工科教學(xué)亟待解決的問(wèn)題。

筆者結(jié)合近8 年獨(dú)立學(xué)院基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)經(jīng)歷總結(jié)發(fā)現(xiàn)，造成學(xué)生對(duì)力學(xué)課程普遍的恐懼感，已經(jīng)從自身基礎(chǔ)差、不勤奮和課程枯燥難度大等原因上升到課程定位不明確、專業(yè)知識(shí)離散和發(fā)自內(nèi)心的排斥性問(wèn)題。糾其原因，不外乎態(tài)度、動(dòng)力和激情三個(gè)方面，不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)動(dòng)力和學(xué)習(xí)激情影響課程學(xué)習(xí)的好壞，教師的職業(yè)態(tài)度、傳授的動(dòng)力和上課的激情更是影響一門課程甚至是一個(gè)專業(yè)課程體系的效果。

各類新的教學(xué)方法和教學(xué)手段對(duì)課程的影響具有一定的局限性，不僅有地域、時(shí)間、學(xué)生層次、教學(xué)條件等的局限性，更有專業(yè)課程體系的局限性。如前幾年盛行的翻轉(zhuǎn)課題、慕課等，到疫情期間大規(guī)模的各類在線學(xué)習(xí)平臺(tái)等，將課程的主體逐步由教師轉(zhuǎn)化為學(xué)生，大部分學(xué)習(xí)主動(dòng)性差的學(xué)生使得課程效果往往達(dá)不到預(yù)期；此外，很多教師將專業(yè)分析軟件融入教學(xué)[4-5]，雖然能夠幫助學(xué)生直觀地理解和學(xué)習(xí)，但大部分情況下學(xué)生力學(xué)課程學(xué)習(xí)時(shí)是缺乏專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備的，特別是對(duì)于層次不高的院校學(xué)生，基本是知其然不知其所以然。由此可見，有效的力學(xué)課程教學(xué)不僅要融入新的教學(xué)手段和方法，更要從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，結(jié)合實(shí)踐實(shí)驗(yàn)、考研專業(yè)課和學(xué)科競(jìng)賽等方面，充分明確基礎(chǔ)力學(xué)課程在專業(yè)課程體系中的定位，分層次激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和激情，在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中逐步有效地推進(jìn)課程的教學(xué)。

本文在2020 年秋季學(xué)期的分析基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽賽題的研究，從競(jìng)賽角度剖析了基礎(chǔ)力學(xué)課程的實(shí)際應(yīng)用性，思考以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽為導(dǎo)向的工科力學(xué)課程的教學(xué)，以促進(jìn)基礎(chǔ)力學(xué)課程有效的教學(xué)體系的建設(shè)。

1 基礎(chǔ)力學(xué)課程競(jìng)賽應(yīng)用性剖析

荀子曾說(shuō)過(guò)：“不聞不若聞之，聞之不若見之”，捷克教育家夸美紐斯在《大教學(xué)論》中也提到了直觀性原則，可見直觀性的教學(xué)比抽象化的教學(xué)更具有效果。力學(xué)課程自身的性質(zhì)決定了其抽象性和理論性的特點(diǎn)，而很多實(shí)際問(wèn)題的解決方式，卻掩蓋了力學(xué)的重要作用，因此，力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用在課程教學(xué)中顯得尤為重要。

較為簡(jiǎn)單的方法是將實(shí)際工程和科研項(xiàng)目融入課程[6-7]，筆者經(jīng)過(guò)多年對(duì)所在學(xué)院學(xué)生的課程引導(dǎo)和對(duì)競(jìng)賽的指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，絕大部分工科學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的喜好程度遠(yuǎn)甚于其他形式，一是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的直觀性強(qiáng)，其次是模型制作到加載的整個(gè)過(guò)程讓學(xué)生具有較高的參與度和成就感。由此，本文以第十四屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽賽題為例，對(duì)基礎(chǔ)力學(xué)課程的實(shí)際應(yīng)用性進(jìn)行剖析。

1.1 第十四屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽賽題簡(jiǎn)介

2020 年3 月31 日，全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽組委會(huì)發(fā)布了第十四屆賽題，以承受豎向靜力和移動(dòng)載荷的橋梁結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)對(duì)象。結(jié)構(gòu)模型制作指定為給定參考力學(xué)指標(biāo)的竹材，采用2 次豎向靜載和1 次動(dòng)載的三級(jí)加載方式，其加載如圖1 ～圖3所示[8]。

1.2 力學(xué)課程應(yīng)用性剖析

工科的力學(xué)課程體系中，三大力學(xué)(理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué))占有十分重要的位置，也是工科教學(xué)的重點(diǎn)，學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的理解程度是和本身數(shù)學(xué)及力學(xué)基礎(chǔ)有最為直接的關(guān)系。以本次賽題為例，模型制作和分析過(guò)程幾乎囊括了三大力學(xué)的大部分重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)，也是促進(jìn)學(xué)生力學(xué)課程實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)較好的例子，其課程應(yīng)用性剖析如表1 所示。

2 以大賽為導(dǎo)向的力學(xué)課程教學(xué)思考

2.1 現(xiàn)階段力學(xué)課程教學(xué)存在的問(wèn)題

以筆者所在學(xué)院土木水電學(xué)部為例，水利水電工程、土木工程、道路橋梁與渡河工程、工程管理和工程造價(jià)5 個(gè)本科作為工程建設(shè)類集群專業(yè)均要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)力學(xué)，總結(jié)近些年力學(xué)的教學(xué)情況，存在如下幾個(gè)同類院校均具有的問(wèn)題：

(1) 師資條件和硬件條件的不足

相比較諸多省部屬高校而言，獨(dú)立學(xué)院和民辦高校大多存在師資和硬件問(wèn)題，筆者所在學(xué)部講授力學(xué)課程的自有教師僅有4 人，除了承擔(dān)所有專業(yè)的力學(xué)課程外，還需要承擔(dān)其他專業(yè)課程的講授，課程教學(xué)壓力大，課程所需要的各類軟件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等均不足，多數(shù)情況下依然采取傳統(tǒng)的教學(xué)模式，課程內(nèi)容的推進(jìn)艱難。

圖1 第十四屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽模型軸側(cè)示意圖[8]

圖2 加載平面圖示意圖[8] (單位：mm)

圖3 加載立面示意圖[8] (單位：mm)

表1 賽題中力學(xué)課程的應(yīng)用性剖析

(2) 學(xué)生的基礎(chǔ)和主動(dòng)性較差

學(xué)生的基礎(chǔ)較差和懶散性是高校教育中一個(gè)最主要的問(wèn)題，課程學(xué)習(xí)的目的性缺失、課程在專業(yè)系統(tǒng)中的定位不明確、以及所需的導(dǎo)前課程內(nèi)容的遺忘，均是造成前文所述的力學(xué)學(xué)習(xí)恐懼感的原因。除了研究生專業(yè)考試需求、參加競(jìng)賽獲獎(jiǎng)等目的性和興趣性較強(qiáng)的時(shí)間段，其他時(shí)候?qū)W生均是以應(yīng)付考核考試為主，主動(dòng)性較差也導(dǎo)致其學(xué)習(xí)問(wèn)題的堆積，加之外界一系列的誘惑因素，久而久之會(huì)造成內(nèi)心的反感，甚至是放棄學(xué)習(xí)。

(3) 教師團(tuán)隊(duì)協(xié)作較差

現(xiàn)階段高校教師的考核政策是不利于教師形成團(tuán)隊(duì)效應(yīng)的，如論文、教科研項(xiàng)目、競(jìng)賽指導(dǎo)等均過(guò)于凸出負(fù)責(zé)人的作用，降低了其他教師的主動(dòng)性和積極性，逐漸造成教學(xué)改革和課程改革的困難。

2.2 以大賽為導(dǎo)向的教學(xué)思考

基于上述存在的問(wèn)題，本文試圖以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽為驅(qū)動(dòng)，以指導(dǎo)競(jìng)賽調(diào)動(dòng)教師授課的協(xié)作性和主動(dòng)性，以興趣促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，強(qiáng)化推進(jìn)基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)。

(1) 課程興趣和學(xué)習(xí)目的的引導(dǎo)

力學(xué)課程開設(shè)初期需要有效的興趣引導(dǎo)，以競(jìng)賽獲獎(jiǎng)案例、學(xué)分置換、課程加分、就業(yè)優(yōu)勢(shì)等方面促進(jìn)學(xué)生的興趣，同時(shí)借助賽題的實(shí)際應(yīng)用剖析內(nèi)容強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性，達(dá)到學(xué)以致用解決實(shí)際問(wèn)題的引導(dǎo)目的。

(2) 明確課程性質(zhì)及定位

力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中要不斷地強(qiáng)調(diào)課程的性質(zhì)和定位，需要授課教師充分理解力學(xué)課程體系的特點(diǎn)和以競(jìng)賽為導(dǎo)向的課程應(yīng)用性剖析，明確課程內(nèi)容、需求的導(dǎo)前課程、后續(xù)的銜接課程等，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行所授課程的教學(xué)設(shè)計(jì)。

(3) 剖析賽題內(nèi)容聯(lián)動(dòng)課程教學(xué)

在引導(dǎo)學(xué)生興趣和明確課程性質(zhì)及定位的基礎(chǔ)上，以賽題為背景，剖析完成競(jìng)賽所需要的力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，形成多類子課題融入課程授課內(nèi)容，聯(lián)動(dòng)三大力學(xué)的教學(xué)過(guò)程，促使學(xué)生逐步完成競(jìng)賽的同時(shí)串聯(lián)并掌握力學(xué)課程內(nèi)容。

(4) 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容鞏固

結(jié)合專業(yè)課程設(shè)計(jì)中的力學(xué)計(jì)算內(nèi)容，將競(jìng)賽模型作為研究對(duì)象布置課題，在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中重新鞏固相關(guān)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，將學(xué)生形成的不同分析過(guò)程和結(jié)論的成果進(jìn)行對(duì)比，為競(jìng)賽優(yōu)選方案做準(zhǔn)備。

(5) 畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)課程的強(qiáng)化

在本科階段學(xué)習(xí)的后期，畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)課程的目的是強(qiáng)化專業(yè)知識(shí)體系和專業(yè)技能，對(duì)于獨(dú)立學(xué)院層次的學(xué)生來(lái)說(shuō)，不需要把課題做的十分高端精致，甚至是采用諸如數(shù)值分析、數(shù)值模擬等未學(xué)過(guò)的內(nèi)容來(lái)提升本科畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的“檔次”，同樣可以采用賽題內(nèi)容作為對(duì)象，讓學(xué)生從課題分析、力學(xué)模型抽象、力學(xué)計(jì)算、軟件建模、實(shí)物模型制作等方面展開，在強(qiáng)化專業(yè)知識(shí)體系的同時(shí)，再次強(qiáng)化力學(xué)課程內(nèi)容。

開課前引導(dǎo)、課程教學(xué)中學(xué)習(xí)和課程結(jié)束后鞏固強(qiáng)化的三階段教學(xué)設(shè)計(jì)是多數(shù)課程常用的方式，但如何達(dá)到切實(shí)可行的效應(yīng)，則是對(duì)授課教師的考驗(yàn)和要求，其中開課前的興趣引導(dǎo)和課程結(jié)束后的鞏固強(qiáng)化是課程教學(xué)效果和連續(xù)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以大賽賽題為導(dǎo)向的課程三階段教學(xué)設(shè)計(jì)如圖4 所示。

其核心思想為：以賽題內(nèi)容為中心，將所需基礎(chǔ)力學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)融入到相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)，通過(guò)前期引導(dǎo)、中期教學(xué)和后期鞏固三個(gè)階段的教學(xué)過(guò)程，建立有效的基礎(chǔ)力學(xué)課程體系，突破傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)興趣小、涉及課程少、實(shí)踐應(yīng)用不明顯的局限，達(dá)到從教師講授為主到學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)為主的教學(xué)目的。

2.3 教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)踐效果

結(jié)合上述設(shè)計(jì)的三階段教學(xué)形式，在本次疫情期間的線上教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了初步嘗試。教學(xué)初期，將賽題內(nèi)容分解融入到認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)講座、學(xué)科概論和基礎(chǔ)力學(xué)的第一課，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣進(jìn)行開課前的引導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)力學(xué)的定位、性質(zhì)和目的；按照表1 設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，在基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行剖析，建立力學(xué)模型并優(yōu)化，分析和訓(xùn)練賽題的力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，以設(shè)計(jì)競(jìng)賽方案的形式進(jìn)行第二階段的課程教學(xué)；在基礎(chǔ)力學(xué)課內(nèi)實(shí)踐和專業(yè)課程中分析賽題材料的力學(xué)屬性、在結(jié)構(gòu)類課程設(shè)計(jì)中進(jìn)行賽題模型的力學(xué)計(jì)算、在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)設(shè)置相關(guān)課題進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，以論證競(jìng)賽方案的形式進(jìn)行第三階段的強(qiáng)化訓(xùn)練。傳統(tǒng)教學(xué)和三階段教學(xué)方法力學(xué)課程體系對(duì)比如圖5 所示。

圖4 三階段教學(xué)設(shè)計(jì)示意圖

圖5 傳統(tǒng)教學(xué)與三階段教學(xué)課程體系對(duì)比

通過(guò)近一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，各專業(yè)基礎(chǔ)力學(xué)的教學(xué)情況取得了一定的成效，以工程造價(jià)專業(yè)為例，通過(guò)前期引導(dǎo)和教學(xué)中賽題的融入，提高學(xué)生興趣的同時(shí)，強(qiáng)化鞏固了力學(xué)基礎(chǔ)概念和知識(shí)點(diǎn)，同專業(yè)基礎(chǔ)力學(xué)摸底測(cè)驗(yàn)卷面平均分由去年的67.98 提升至今年的71.49，平均分?jǐn)?shù)提高了3.51%，與此同時(shí)，在各專業(yè)課程體系中的試驗(yàn)類課程、軟件類課程和課程實(shí)踐等環(huán)節(jié)均引入賽題相關(guān)內(nèi)容，再次強(qiáng)化訓(xùn)練基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

力學(xué)作為工科的基礎(chǔ)課程，其教學(xué)在專業(yè)課程體系中是極其重要的，如何消除學(xué)生學(xué)習(xí)的恐懼心理和有效推進(jìn)力學(xué)課程的教學(xué)，是現(xiàn)階段高校工科教育的關(guān)鍵問(wèn)題之一，本文思考了以全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽作為背景資料，對(duì)第十四屆賽題進(jìn)行了力學(xué)課程實(shí)際應(yīng)用性剖析，初步建立了以大賽為導(dǎo)向的三階段力學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)，并在疫情期間基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)踐，達(dá)到了良好的效果，下一階段筆者將進(jìn)一步研究三階段的教學(xué)內(nèi)容，并在疫情結(jié)束后逐步推進(jìn)和完善工科力學(xué)課程體系，促進(jìn)學(xué)院力學(xué)課程效應(yīng)推進(jìn)的同時(shí)，也為其他專業(yè)課程的建設(shè)提供一定的參考。