工程教育認證背景下土木工程專業(yè)力學課程群建設(shè)研究

于海豐，劉衛(wèi)然，馬康，康麗華

（河北科技大學 建筑工程學院，河北石家莊 050018）

1 課程群建設(shè)背景

工程教育專業(yè)認證的核心理念是以學生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向（OBE）和持續(xù)改進。國內(nèi)土木工程專業(yè)從1994年開始推行認證制度[1]，截至2021年1月，全國共有110所高校的土木工程專業(yè)通過工程教育認證。河北科技大學土木工程專業(yè)面向全國12個省、市、自治區(qū)投放招生計劃，生源量充足，生源結(jié)構(gòu)合理。本專業(yè)在各省最低錄取分數(shù)超過省控線80分以上，并且呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的勢態(tài)。

三門力學課程（理論力學、材料力學、結(jié)構(gòu)力學）是土木工程專業(yè)傳統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，以講授力系平衡、運動及動力學、建立桿件的強度/剛度/穩(wěn)定性、求解靜定/超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力、解決結(jié)構(gòu)動力學問題等為主，其課程培養(yǎng)目標達成度高低直接影響后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)抗震等土木工程專業(yè)課程教學效果。

目前，很多學者基于工程教育認證背景對土木工程專業(yè)力學課程改革進行了研究，如王義平[2]，汪大洋[3]、張賢才[4]、冷捷[5]等，但研究多集中于宏觀層面，將三門力學課程集合起來尚比較少見。因此，為更好促進專業(yè)發(fā)展，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，基于工程教育認證背景，河北科技大學土木工程專業(yè)圍繞傳統(tǒng)三門力學課程教學改革開展了探索性工作。

2 存在的問題

2.1 課程體系龐大，內(nèi)容多

從結(jié)構(gòu)構(gòu)件角度上講，三門課程主要對應(yīng)桿系結(jié)構(gòu)；從研究對象上講，涉及剛體和變形體；從內(nèi)容邏輯上講，理論力學以解決剛體構(gòu)件靜力平衡問題為主，材料力學主要是針對單根桿件小變形彈性構(gòu)件，求解其內(nèi)力、應(yīng)力以及應(yīng)變之間的關(guān)系，進而進行桿件強度、剛度、穩(wěn)定性驗算，結(jié)構(gòu)力學主要研究桿件結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律和受力性能，并利用力學原理研究在外力和其他外界因素作用下各類結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。從前后順序上講，理論力學、材料力學、結(jié)構(gòu)力學分別在第2、3、4學期開設(shè)，以體現(xiàn)教學內(nèi)容前后邏輯順序?？梢哉f三者既密不可分，又有內(nèi)容上的區(qū)別。以河北科技大學為例，2020年三門課程總學分12分，總學時192課時，涉及33章，共計162小節(jié)內(nèi)容，授課內(nèi)容量大，重點、難點知識點多。

2.2 部分授課內(nèi)容重復(fù)

在傳統(tǒng)的以課堂講授為主的授課模式下，為保證授課內(nèi)容前后的銜接性、提升學生知識接受程度，會出現(xiàn)部分授課內(nèi)容重復(fù)現(xiàn)象。以河北科技大學土木工程專業(yè)教改前的實際情況為例，三門課程之間部分重復(fù)講授內(nèi)容見表1，相關(guān)學時在20課時左右，約占三門課程總學時的10%。除表1外，三門課程部分內(nèi)容也與其他專業(yè)課程相關(guān)內(nèi)容重復(fù)，如理論力學和建筑結(jié)構(gòu)抗震均講授達朗貝爾原理、材料力學中的壓桿穩(wěn)定內(nèi)容與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理中受壓構(gòu)件中講授內(nèi)容重復(fù)等。

2.3 課程理論性強，實踐內(nèi)容少

三門力學課程均以理論為主，涉及概念、名詞數(shù)量龐大，如剛體/變形體、彈性/彈塑性、靜定/超靜定等，如不輔以工程背景或者工程實踐，較為晦澀難懂，在傳統(tǒng)的“教師教、學生學”的以教師為主體的教學模式下，學生缺乏學習的主動性和積極性，教學效果較差。

表1 部分重復(fù)講授內(nèi)容

課程實踐內(nèi)容較少，理論力學和結(jié)構(gòu)力學基本沒有實驗課時，材料力學也僅有低碳鋼與鑄鐵的拉伸實驗、低碳鋼與鑄鐵的壓縮實驗、梁彎曲正應(yīng)力實驗6個實驗學時，在總的教學計劃中占比非常少。且實驗?zāi)昴曛貜?fù)，實驗方案和實驗操作流程可以從網(wǎng)上找到標準化教程，甚至可以找到標準化答案，學生普遍缺乏新鮮感，導(dǎo)致學生對實驗重要性認識度不高，實驗教學效果不佳。

3 教學改革建議

基于工程教育認證的背景，將教學理念由“教師為中心”向“學生為中心”轉(zhuǎn)變，以學生的學習效果、用人單位滿意度為主線，針對傳統(tǒng)三門力學課程教學過程中存在的問題，以及基礎(chǔ)課程學時壓縮的教學現(xiàn)狀，河北科技大學土木工程專業(yè)對三門力學課程進行了教學改革實踐，建立了力學課程群，邀請行業(yè)企業(yè)專家參與，重新修訂了教學大綱，從課程內(nèi)容、教學方法、教學實踐等多環(huán)節(jié)進行課程改革，措施如下：

3.1 教學內(nèi)容方面

針對課時量壓縮的現(xiàn)狀，將課程內(nèi)容整合，壓縮部分重復(fù)課堂講授內(nèi)容，具體見表1。為提高學生學習的積極性，將大量的工程案例引入教學，形成案例庫，部分案例如表2所示。為了不降低教學效果，從教學方法上實現(xiàn)課時/課堂講授內(nèi)容壓縮，實際教學內(nèi)容不壓縮且多樣化，教學效果不減弱。

結(jié)合河北科技大學土木工程專業(yè)培養(yǎng)目標定位和人才培養(yǎng)要求，針對12條畢業(yè)要求對應(yīng)的31個分指標點，逐個知識點梳理，制定詳細的課程目標，將教學內(nèi)容模塊化，分為基本知識模塊、能力提升模塊和綜合運用模塊，以結(jié)構(gòu)力學為例，三個模塊的基本概況見表3。

表2 部分典型工程案例

表3 結(jié)構(gòu)力學知識模塊劃分

3.2 教學方法方面

與其他很多學校[4,6-7]類似，河北科技大學土木工程專業(yè)采取多媒體、板書、虛擬仿真教學等多種教學方法，但又有所創(chuàng)新，具體為：（1）多媒體除了包含傳統(tǒng)的PPT課件之外，將梳理出來的重復(fù)授課內(nèi)容制作了課程視頻，在第二次講授相關(guān)內(nèi)容之前，將課程視頻發(fā)給學生，由學生提前線上復(fù)習并進行線上測試，線下授課時教師僅將這部分內(nèi)容中的重點部分略加復(fù)習，節(jié)省了學時。（2）為了培養(yǎng)學生的自學能力、綜合分析及處理問題的能力，將每章重點知識點梳理，安排學生課后自學，觀看學習通里面的教學視頻，并完成適當?shù)木毩曨}，課上進行翻轉(zhuǎn)。（3）課堂講授時強調(diào)課程教學目標，引導(dǎo)學生明確每章節(jié)的學習目標和任務(wù)。針對力學課程理論較多的特點，除課件、視頻外，對基本公式的推導(dǎo)仍使用板書進行講解，增強教學過程中學生的參與感。（4）對部分難以直觀理解、工程案例也不好體現(xiàn)的知識點，如材料力學中的應(yīng)力集中現(xiàn)象、壓桿失穩(wěn)等內(nèi)容，增加虛擬仿真內(nèi)容，將應(yīng)力應(yīng)變的變化、壓桿失穩(wěn)過程等通過有限元模型直觀顯示，將復(fù)雜內(nèi)容簡單化，既提高學生學習的興趣，也降低了教學難度。

3.3 課程思政方面

將思政元素“潤物細無聲”融入教學全過程，圍繞“專業(yè)知識”+“思政元素”開展教學，把握思政元素和課程知識之間的結(jié)合點，基于力學課程的特點，主要從以下三個方面挖掘思政元素：（1）培養(yǎng)民族自豪感、責任感，堅定“四個自信”，根據(jù)每章教學內(nèi)容，介紹在相關(guān)領(lǐng)域取得重要成就的中國科學家，如錢偉長、錢學森等，使學生樹立為國奉獻和報效祖國的家國情懷。（2）培養(yǎng)唯物主義辯證法思維，透過表面現(xiàn)象看本質(zhì)。以材料力學中各種基本變形時應(yīng)力計算公式推導(dǎo)為例，從基于實驗現(xiàn)象的假定（平截面假定等）著手，通過邏輯推理（幾何關(guān)系、物理方面、平衡條件）得出規(guī)律性公式，對各公式進行分析還可發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力均通過截面的幾何特征（如截面面積、面積矩、慣性矩、極慣性矩等）和內(nèi)力建立邏輯關(guān)系，符合唯物主義辯證法中普遍性寓于特殊性的規(guī)律，將紛繁復(fù)雜的各種基本變形時應(yīng)力計算公式簡單化、概念化，多個公式用同一方式理解分析。（3）培養(yǎng)學生大國工匠精神。我國古代的趙州橋、山西應(yīng)縣木塔，現(xiàn)代的鳥巢、水立方等諸多馳名中外的建筑結(jié)構(gòu)都凝結(jié)了我國土木人的辛勤汗水，見證了中國土木行業(yè)的發(fā)展，土木工程行業(yè)的良好發(fā)展需要一批批的土木人踐行吃苦耐勞的優(yōu)良作風、傳承精益求精的工匠精神，以此引導(dǎo)學生從現(xiàn)在起養(yǎng)成良好的職業(yè)道德。

3.4 課程實踐方面

加大實驗設(shè)備購置力度，對原有設(shè)備更新升級。實驗前，教師布置實驗題目，由學生自行制定實驗方案并與指導(dǎo)教師討論。方案通過后，在實驗教師監(jiān)督下（主要是保證安全），學生自行熟悉實驗儀器并進行實驗，相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析（增加有限元對比部分內(nèi)容）、實驗報告撰寫等均由學生自行完成，在提升學生參與度的同時，提高了學生的實踐動手能力。

將力學相關(guān)學科競賽，如大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽（國家級、省級、校級）、力學競賽（校級）等引入實踐教學環(huán)節(jié)，鼓勵學生參加各類力學競賽，并折算實驗學時，與可選實驗項目互換，既提高了學生參與競賽的熱情，也增加了學生力學知識的綜合運用能力，提高了學生的創(chuàng)新能力，開闊了學生的學術(shù)視野。

4 結(jié)語

三門力學課程是土木工程專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，力學課程群的建設(shè)，涉及理論教學、實踐教學、思政元素、教師隊伍等多個方面。以河北科技大學土木工程專業(yè)為例，探索了力學課程群建設(shè)思路，在教學改革中，實現(xiàn)了教學內(nèi)容的整合和模塊化、教學方法升級和多樣化、思政元素“潤物細無聲”融入教學全過程、課程實踐環(huán)節(jié)多樣化，增強了學生學習的主動性、積極性、動手能力和專業(yè)認同感，實現(xiàn)了教學效果的有效提升。但我們也意識到，教學改革工作是一項長期且自我修正的過程，需要我們持續(xù)探索和實踐。