新工科視域下基礎(chǔ)力學(xué)課程改革與實(shí)踐探索

陳 凱，黃 丹，檀秋芬，彭 佩

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽 蕪湖 241003）

隨著新經(jīng)濟(jì)、新技術(shù)、新業(yè)態(tài)的出現(xiàn)，新工科建設(shè)的重要地位日益凸顯，為工程教育改革指明了新的發(fā)展方向。新工科不僅重視實(shí)踐創(chuàng)新能力，強(qiáng)調(diào)解決復(fù)雜建筑工程問題的能力，更注重具備在國際工程競爭中脫穎而出的能力?；A(chǔ)力學(xué)與工程緊密聯(lián)系，是一門基礎(chǔ)工程應(yīng)用學(xué)科。其基本理論在建筑、交通等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，很多工程問題都需要基礎(chǔ)力學(xué)知識。現(xiàn)有基礎(chǔ)力學(xué)課程的教材，教學(xué)內(nèi)容、方法和考核方式很難符合新工科人才培養(yǎng)的要求。為了適應(yīng)新工科建設(shè)，需要對基礎(chǔ)力學(xué)課程進(jìn)行改革。目前，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的相關(guān)研究：馬宏偉[1]等人以力學(xué)思維為基礎(chǔ)，重構(gòu)力學(xué)課程體系以及提出創(chuàng)新型人才儲(chǔ)備的建議和思考；宋征[2]結(jié)合第十四屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽資料進(jìn)行剖析，建立力學(xué)課程三階段的教學(xué)設(shè)計(jì)；王士龍[3]和姚軒[4]等人通過優(yōu)化教學(xué)模式，完善考核方式，設(shè)計(jì)教學(xué)案例，提升課程的改革成效。本文結(jié)合新時(shí)代工程建設(shè)發(fā)展的方向，以蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院的基礎(chǔ)力學(xué)課程為例，探究新工科視域下高職院校基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)改革，為提高學(xué)生的基礎(chǔ)學(xué)科知識素養(yǎng)和培養(yǎng)實(shí)踐能力積累經(jīng)驗(yàn)。

1 基礎(chǔ)力學(xué)課程的現(xiàn)狀

基礎(chǔ)力學(xué)課程是高職院校建筑土木類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程之前必須研習(xí)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。基礎(chǔ)力學(xué)知識可以進(jìn)一步提高學(xué)生在實(shí)際工程項(xiàng)目上的力學(xué)分析能力和用力學(xué)知識解決問題的能力。該課程由受力分析、力系簡化、平衡方程、軸向拉壓，扭轉(zhuǎn)，平面彎曲，壓桿穩(wěn)定，組合變形等內(nèi)容組成。課程要求理解構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等問題，掌握構(gòu)件的承載能力分析和計(jì)算。當(dāng)前，基礎(chǔ)力學(xué)課程學(xué)時(shí)少，內(nèi)容比較抽象，缺少工程案例，以面授為主，教學(xué)模式單一，以期末考試?yán)碚撝R為的主課程考核方式不利于學(xué)生創(chuàng)新思維、個(gè)性化、適應(yīng)未來競爭能力的培養(yǎng)。并且高職院校在校生的數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科知識掌握不夠扎實(shí)，很多學(xué)生反映很難理解物理方程、幾何方程和靜力學(xué)方程等知識點(diǎn)。加之學(xué)生的惰性，遇難容易放棄，對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生恐懼情緒，造成力學(xué)課程開展艱難、學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳。顯然，基于課程現(xiàn)狀的分析可知，基礎(chǔ)力學(xué)課程已不能滿足新工科建設(shè)對理論、工程、創(chuàng)新的要求。

2 新工科視域下基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐探索

基礎(chǔ)力學(xué)作為工科工程專業(yè)傳統(tǒng)的課程之一，其知識體系基本固定，隨著新工科的興起，基礎(chǔ)力學(xué)需在原有知識體系上與時(shí)俱進(jìn)，穩(wěn)步改革。對于以技術(shù)技能為目標(biāo)的基礎(chǔ)課程，更要與其他課程進(jìn)行交叉融合，借助編程語言和有限元計(jì)算課程實(shí)現(xiàn)學(xué)生技術(shù)技能的提升?；A(chǔ)力學(xué)課程的重要任務(wù)之一就是培養(yǎng)出能勝任工程建設(shè)的優(yōu)秀技術(shù)技能人才。因此，教師需要明確教學(xué)理念，教學(xué)理念猶如一盞燈，指引師生前進(jìn)的方向；好的理念需要好的傳播媒介，優(yōu)秀的教材有利于學(xué)生理解比較復(fù)雜的工程力學(xué)問題。教師和學(xué)生作為兩個(gè)重要的參與方，在力學(xué)課程實(shí)踐中扮演著重要的角色，靈活、高效和高質(zhì)量的教學(xué)模式是關(guān)鍵的因素之一，良好的教學(xué)模式能幫助教師輕松完成教學(xué)活動(dòng)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)自我知識的消化吸收。日常生活、建筑生產(chǎn)相關(guān)的力學(xué)知識案例能豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)生活，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)自我創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，符合新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)的要求。有效的教學(xué)實(shí)踐探索離不開合理評價(jià)和時(shí)間的檢驗(yàn)，經(jīng)過檢驗(yàn)的改革探索模式才是適應(yīng)于新工科建設(shè)的正確改革模式，值得院校、師生采用和推廣。

3 新工科視域下基礎(chǔ)力學(xué)課程改革的實(shí)施措施

3.1 強(qiáng)化新工科視域下基礎(chǔ)力學(xué)改革的教學(xué)理念

在基礎(chǔ)力學(xué)的實(shí)踐和認(rèn)知中構(gòu)建正確的學(xué)習(xí)理念是取得良好學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵，為了更好地開展基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)，結(jié)合基礎(chǔ)力學(xué)課程特點(diǎn)和作者的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以“知行統(tǒng)一、工程應(yīng)用、自我適應(yīng)”為教學(xué)理念，結(jié)合多元化的教學(xué)模式，進(jìn)行多樣化的教學(xué)設(shè)計(jì)?！爸薪y(tǒng)一”強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識和實(shí)踐能力培養(yǎng)相結(jié)合，基于理論實(shí)踐統(tǒng)一的規(guī)律，把握基礎(chǔ)力學(xué)知識點(diǎn)，開展項(xiàng)目案例教學(xué)，于實(shí)訓(xùn)實(shí)操中掌握基礎(chǔ)力學(xué)的概念知識?！肮こ虘?yīng)用”突出基礎(chǔ)力學(xué)課程學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)，培養(yǎng)解決復(fù)雜多變工程問題的能力，深刻認(rèn)識工程活動(dòng)規(guī)律，把握工程發(fā)展趨勢和方向，在價(jià)值和精神上給予引導(dǎo)，最終建造出偉大而經(jīng)典的工程?！白晕疫m應(yīng)”表明基礎(chǔ)力學(xué)課程具有自主性、個(gè)性化的特點(diǎn)，學(xué)生在加強(qiáng)自我消化吸收的同時(shí)，應(yīng)將自身能力的適應(yīng)狀態(tài)融入課程的學(xué)習(xí)中，更加突出適應(yīng)多變的社會(huì)。在教師教和學(xué)生學(xué)的活動(dòng)中，要發(fā)揮出理念價(jià)值引導(dǎo)和精神驅(qū)動(dòng)的作用，在規(guī)定的培養(yǎng)目標(biāo)中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率教學(xué)。

3.2 加強(qiáng)新工科視域下基礎(chǔ)力學(xué)的教材建設(shè)

教材改革是職業(yè)教育“三教”改革的重要組成部分。教材建設(shè)要符合職業(yè)技術(shù)技能人才成長規(guī)律和學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)的職業(yè)教育理念，適應(yīng)項(xiàng)目學(xué)習(xí)、案例學(xué)習(xí)、模塊化學(xué)習(xí)等不同學(xué)習(xí)方式的要求，同時(shí)要充分反映建筑工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新進(jìn)展，及時(shí)吸收比較成熟的工程新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范?；A(chǔ)力學(xué)教材貫徹“知行統(tǒng)一、工程應(yīng)用、自我適應(yīng)”的教學(xué)理念。根據(jù)培養(yǎng)創(chuàng)新型職業(yè)技術(shù)技能人才的目標(biāo)對基礎(chǔ)力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行增加、刪減、更新?；A(chǔ)力學(xué)教材經(jīng)歷了多次修訂不斷完善。新編基礎(chǔ)力學(xué)教材將教材內(nèi)容以模塊形式編排，各模塊具有相對獨(dú)立的工作任務(wù)又相互聯(lián)系。每一課程模塊按照教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求，以引例、理論知識、例題、工程案例、習(xí)題和實(shí)訓(xùn)題目的順序編排。增加了引例、工程案例、課程思政，教學(xué)內(nèi)容和延伸閱讀材料以視頻、圖片、文字等形式呈現(xiàn)，并附有課件等配套的數(shù)字資源，能實(shí)現(xiàn)可讀、可視、可聽。針對基礎(chǔ)力學(xué)知識的重難點(diǎn)，根據(jù)需要選擇教學(xué)視頻、動(dòng)畫、虛擬仿真的一種或多種形式來進(jìn)行展示。每種形式將時(shí)間控制在6~8 分鐘，以便學(xué)生集中注意力完成重難點(diǎn)知識的學(xué)習(xí)。許多素材源于工程實(shí)例，從中提取力學(xué)概念，便于學(xué)生理實(shí)結(jié)合。努力做到結(jié)構(gòu)科學(xué)，案例生動(dòng)，深入淺出，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。教材中編排了一些簡化的工程案例實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇適合自己的項(xiàng)目開展訓(xùn)練。基礎(chǔ)力學(xué)的教材還需要通過教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)持續(xù)改進(jìn)、完善。

3.3 確立新工科視域下基礎(chǔ)力學(xué)的“三主、三助”教學(xué)模式

新工科建設(shè)對教學(xué)模式提出了新的要求，明確以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)靈活的學(xué)習(xí)方式，以有效應(yīng)對未來工程的不確定性。通過探索新工科視域下的基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)改革，以求夯實(shí)學(xué)生的能力素養(yǎng)，并提高創(chuàng)新能力，進(jìn)而建立并完善一種有效、高質(zhì)量的“三主、三助”基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)模式。該模式分為主要課堂、主講教師、主動(dòng)學(xué)習(xí)三個(gè)主要條件；輔助課堂、助講老師、協(xié)助學(xué)習(xí)三個(gè)不可或缺的助攻手段。主要課堂是傳統(tǒng)課堂經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化、信息化手段升級后的新課堂；主講教師為長期從事教學(xué)、主持參與多項(xiàng)力學(xué)相關(guān)教科研、指導(dǎo)學(xué)生取得優(yōu)異力學(xué)競賽成績的教師；主動(dòng)學(xué)習(xí)是指學(xué)生積極主動(dòng)地參與基礎(chǔ)力學(xué)的學(xué)習(xí)。為了彌補(bǔ)“三主”條件的苛刻性，基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)引入輔助課堂、助講老師、協(xié)助學(xué)習(xí)。輔助課堂是主要課堂的補(bǔ)充，包括力學(xué)導(dǎo)論課堂、力學(xué)興趣課堂、力學(xué)實(shí)訓(xùn)課堂、力學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂。助講老師主要指力學(xué)試驗(yàn)員、校外設(shè)計(jì)人員、資深專家等具有力學(xué)背景的人員。根據(jù)二八定律，80%的學(xué)生不會(huì)選擇主動(dòng)學(xué)習(xí)，因此需要老師、同學(xué)、輔導(dǎo)員等協(xié)助80%的學(xué)生融入基礎(chǔ)力學(xué)的學(xué)習(xí)中，完成自己的學(xué)習(xí)任務(wù)?！叭?、三助”教學(xué)模式要根據(jù)具體年級、學(xué)生、教師的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以滿足新工科建設(shè)的要求。

3.4 豐富新工科視域下基礎(chǔ)力學(xué)的教學(xué)案例

結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，利用教學(xué)案例能更好地闡述基礎(chǔ)力學(xué)問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生的參與性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。豐富的教學(xué)案例可以幫助學(xué)生掌握基礎(chǔ)力學(xué)知識，有利于形成工程技術(shù)型人才的力學(xué)思維。結(jié)合某設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的輸電塔資料，學(xué)生要完成輸電塔的設(shè)計(jì)和制作，需要借助基礎(chǔ)力學(xué)的理論知識，熟悉拉（壓）力、剪力、扭矩、彎矩內(nèi)力之間的組合，做出一個(gè)能承受自重、導(dǎo)地線荷載、風(fēng)荷載、冰荷載等多種荷載作用的輸電塔，一系列問題伴隨而來：如何確定結(jié)構(gòu)形式？如何確定截面的尺寸？節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如何處理？如何驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否為最優(yōu)？所有陌生的問題都需要學(xué)生自我克服，教師對學(xué)生提出的解決方案不做評價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試，激發(fā)學(xué)生豐富的想象力。輸電塔的結(jié)構(gòu)形式可以根據(jù)輸電塔的受力特點(diǎn)確定，其材料一般為鋼材，截面形式為角鋼，一般選取輸電塔的截面、形狀設(shè)計(jì)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。因?qū)嶋H問題比基礎(chǔ)力學(xué)課程教材上內(nèi)容復(fù)雜，如果采用書本介紹的方法很難求解出，學(xué)生喪失信心，所以有必要讓學(xué)生接觸解決實(shí)際工程設(shè)計(jì)的一些仿真軟件如：ABAQUS、SAP2000、Midas civil等。容易導(dǎo)致學(xué)生優(yōu)化設(shè)計(jì)變量時(shí)可以用上述軟件來驗(yàn)證自己的設(shè)想，同時(shí)提醒學(xué)生實(shí)際情況和模型模擬之間的差別。通過選取實(shí)際工程案例讓學(xué)生提前接觸未來的工作內(nèi)容，有利于學(xué)生快速適應(yīng)未來工作，在學(xué)習(xí)中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提高自己的競爭力。

3.5 完善新工科視域下基礎(chǔ)力學(xué)的考核評價(jià)方式

傳統(tǒng)的考核方式一般由期末考試和平時(shí)成績兩部分組成，期末考試側(cè)重于基礎(chǔ)力學(xué)的理論知識，而平時(shí)成績側(cè)重于學(xué)生的作業(yè)、考勤、課程表現(xiàn)的考核。新工科背景下必須落實(shí)能力測試、實(shí)踐創(chuàng)新、持續(xù)改進(jìn)的考核方式。由二八定律可知，約20%的學(xué)生會(huì)主動(dòng)學(xué)習(xí)并能在期末測試和平時(shí)表現(xiàn)中取得優(yōu)異的成績。而剩余80%的學(xué)生在成績?nèi)〉没蚰芰μ嵘矫孢€不理想。為培養(yǎng)學(xué)生的自主性、創(chuàng)新性和協(xié)同性，增添期末考試試卷內(nèi)容的選做題，提高平時(shí)成績占比并加入項(xiàng)目訓(xùn)練、工程實(shí)踐等環(huán)節(jié)成績，將力學(xué)競賽、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽、數(shù)學(xué)建模、科研項(xiàng)目等成績作為加分項(xiàng)目納入學(xué)生總評成績。靈活多樣的考核可以更加全面地評價(jià)學(xué)生，實(shí)現(xiàn)高水平高質(zhì)量的育人目標(biāo)。

4 結(jié)語

為了培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)的新工科人才，提升基礎(chǔ)力學(xué)課程建設(shè)的質(zhì)量，學(xué)校在基礎(chǔ)力學(xué)課程建設(shè)中開展了教學(xué)理念、教材建設(shè)、教學(xué)模式、教學(xué)案例和考核方式等一系列改革與實(shí)踐探索。近年來，經(jīng)過不懈努力，建筑力學(xué)教材獲“十四五”首批職業(yè)教育國家規(guī)劃教材，多名教師獲得省級優(yōu)秀力學(xué)指導(dǎo)教師稱號，70 余名學(xué)生獲得省級三等獎(jiǎng)以上的獎(jiǎng)勵(lì)，同時(shí)，建筑力學(xué)課程相關(guān)的課程也獲得校級和省級示范課。通過社會(huì)企業(yè)的反饋了解到基礎(chǔ)力學(xué)知識扎實(shí)的學(xué)生開展工程項(xiàng)目活動(dòng)比較順利，更能勝任復(fù)雜的工程項(xiàng)目。