土木工程專業(yè)本科工程力學(xué)課程“3+3”雙主體教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐

毛佳佳，楊慶生，曹東興，雷 鈞

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

《中國(guó)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略》[1]明確指出工程力學(xué)是土木工程的支撐學(xué)科。作為土木類專業(yè)本科生的基礎(chǔ)必修課程，工程力學(xué)前接高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等公共基礎(chǔ)課程，后續(xù)結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)原理、建筑抗震設(shè)計(jì)及橋梁工程等專業(yè)核心課程。土木工程專業(yè)本科工程力學(xué)課程一般包括靜力學(xué)和材料力學(xué)兩部分內(nèi)容[2]，主要研究物體的平衡及構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，利用力學(xué)思維和方法，解決土木工程在勘察、設(shè)計(jì)和施工過程中涉及到的結(jié)構(gòu)平衡和變形等實(shí)際問題。工程力學(xué)是土木類專業(yè)本科生接觸到的第一門與專業(yè)相關(guān)的課程，承擔(dān)著承上啟下、從基礎(chǔ)向?qū)I(yè)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵性作用[3]。與公共基礎(chǔ)課程相比，工程力學(xué)的教學(xué)需要貼近實(shí)際工程案例，啟蒙學(xué)生的工程意識(shí)和工程分析思維；與專業(yè)核心課程相比，工程力學(xué)的教學(xué)需要注重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，牢固樹立學(xué)生質(zhì)量安全意識(shí)，筑牢學(xué)生能力根基。

北京工業(yè)大學(xué)的土木工程專業(yè)為國(guó)家一流專業(yè)和國(guó)家一流學(xué)科，作為本專業(yè)主要基礎(chǔ)課程的工程力學(xué)課程是國(guó)家首批一流課程和國(guó)家首批課程思政示范課程。近幾年，在土木工程本科專業(yè)工程力學(xué)課程教學(xué)中，以學(xué)生為中心，著力進(jìn)行了教師側(cè)的“科學(xué)研究、工程發(fā)展、名師講堂”和學(xué)生側(cè)的“實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、實(shí)際”的“3+3”雙主體教學(xué)模式的創(chuàng)新與實(shí)踐，取得良好的教學(xué)效果。

一 課程發(fā)展現(xiàn)狀

土木工程早期是通過吸取工程實(shí)踐中失敗的教訓(xùn)、總結(jié)成功的經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來的，直到17 世紀(jì)，以伽利略和牛頓為先導(dǎo)的近代力學(xué)開始形成，力學(xué)學(xué)科的發(fā)展和成熟，同土木工程實(shí)踐結(jié)合起來，才使土木工程逐漸從經(jīng)驗(yàn)發(fā)展成為科學(xué)。工程力學(xué)是通過構(gòu)建力學(xué)模型，利用力學(xué)思維和方法，解決土木工程在勘察、設(shè)計(jì)和施工過程中涉及的結(jié)構(gòu)構(gòu)件平衡和變形等實(shí)際問題。

新工業(yè)革命正加速進(jìn)行，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)已經(jīng)無法滿足新工科關(guān)于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，需要不斷探索新的教學(xué)方法，為國(guó)家培養(yǎng)德學(xué)兼修、德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)工程人才?？焖侔l(fā)展的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境正改變著當(dāng)代大學(xué)生的生活、學(xué)習(xí)和行為方式，大爆炸式的信息傳播模式改變了過去單一、枯燥的學(xué)習(xí)模式，為學(xué)生開拓視野、研究學(xué)習(xí)、獲取信息提供了更為廣闊的平臺(tái)，為了適應(yīng)新時(shí)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，引導(dǎo)新時(shí)代大學(xué)生樹立科學(xué)的價(jià)值觀，工程力學(xué)的教學(xué)也需要不斷與時(shí)俱進(jìn)，發(fā)展?jié)M足新時(shí)代背景下大學(xué)生需求的創(chuàng)新教學(xué)。

作為一門經(jīng)典的基礎(chǔ)力學(xué)課程，工程力學(xué)的一部分知識(shí)點(diǎn)或多或少在網(wǎng)絡(luò)上都能夠找到解答，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)無法獲得學(xué)生的青睞。但工程力學(xué)固有的工程科學(xué)屬性和求真的理性思維卻很難通過片段式的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)獲得，學(xué)生的能力也很難有系統(tǒng)性的訓(xùn)練和發(fā)展。工程力學(xué)的教學(xué)急需加強(qiáng)課程體系的整體性、趣味性和探索性，對(duì)學(xué)生進(jìn)行正確引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)生動(dòng)力，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和探索自然規(guī)律的核心，即理論與實(shí)際的緊密結(jié)合，科學(xué)與技術(shù)的緊密結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神，自主探索，重視合作與交流，實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授三位一體的教學(xué)目標(biāo)[4]。

二 精細(xì)化教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

新時(shí)代背景下的大學(xué)生思維敏捷、機(jī)智聰明、富有才識(shí)，他們看重個(gè)人興趣愛好，勇于表現(xiàn)自我，敢于突破，也更容易接受和融入新生事物，能夠?yàn)閯?chuàng)新教學(xué)的實(shí)施提供土壤。高校教師大都具備科學(xué)研究的能力，持續(xù)緊跟前沿科學(xué)技術(shù)，尤其是力學(xué)教師一直關(guān)注工程技術(shù)發(fā)展，利用力學(xué)基本知識(shí)和原理，圍繞工程中的需求和力學(xué)問題進(jìn)行科研探索，能夠?yàn)榻虒W(xué)創(chuàng)新的實(shí)施輸送養(yǎng)分。在當(dāng)前信息科技高速發(fā)展的時(shí)代，大量國(guó)家級(jí)精品課程在各類慕課和信息資源平臺(tái)上線，無數(shù)在線優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源成功突破了傳統(tǒng)授課對(duì)時(shí)間和地點(diǎn)的限制，能夠?yàn)榻虒W(xué)創(chuàng)新的實(shí)施提供時(shí)間和空間。

為了使工程力學(xué)教學(xué)適應(yīng)現(xiàn)代高速發(fā)展的土木工程，符合新時(shí)代大學(xué)生的成長(zhǎng)規(guī)律和需求，工程力學(xué)課程充分發(fā)揮以工程為背景，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以理論實(shí)踐為手段，以解決實(shí)際問題為目標(biāo)的課程性質(zhì)和課程優(yōu)勢(shì)。土木工程本科專業(yè)工程力學(xué)的課程教學(xué)通過“科學(xué)研究、工程發(fā)展、名師講堂”和“實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、實(shí)際”的“3+3”雙主體教學(xué)模式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐，重塑教學(xué)內(nèi)容，完善能力為先的教學(xué)過程評(píng)價(jià)體系，提升教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)建知識(shí)-能力-價(jià)值三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的課程育人教學(xué)體系，如圖1 所示。

圖1 工程力學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新整體思路

學(xué)生作為教學(xué)對(duì)象和主體，體現(xiàn)以學(xué)生為本的思想是教學(xué)設(shè)計(jì)的核心。將課程內(nèi)容分解為線上探索、課堂講解及課后研討三個(gè)部分，最大限度提高學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過程中的參與度。在課前，嚴(yán)格挑選與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的、具有趣味性的名師講堂、報(bào)道和圖文，形成課前推送，通過雨課堂發(fā)送給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生思考；課中，將知識(shí)化繁為簡(jiǎn)，借助雨課堂就重點(diǎn)、難點(diǎn)問題進(jìn)行詳細(xì)地講解和討論，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式的知識(shí)傳播，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式；課后，聯(lián)系理論知識(shí)和工程發(fā)展設(shè)計(jì)拓展類課題，組織學(xué)生以分組的形式進(jìn)行課外實(shí)踐，統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)“課前+課中+課后”階梯式學(xué)習(xí)任務(wù)，讓傳統(tǒng)力學(xué)知識(shí)和科學(xué)精神以學(xué)生樂于接受的方式，活躍在課堂和學(xué)生的日常生活中。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)課程體系的整體性、趣味性和探索性，充分訓(xùn)練學(xué)生用力學(xué)思維、科學(xué)方法分析復(fù)雜工程問題的理性思維習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)的價(jià)值觀，強(qiáng)化學(xué)生的工程倫理教育，新時(shí)代背景下工程力學(xué)的課程教學(xué)更需要關(guān)注課外實(shí)踐和自主創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課外實(shí)踐，關(guān)注工程發(fā)展，提升專業(yè)自信。在緒論的課程教學(xué)中聯(lián)系力學(xué)和土木工程發(fā)展史，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)生動(dòng)力，在學(xué)生心中厚植家國(guó)情懷；在靜力學(xué)的課程教學(xué)中強(qiáng)調(diào)啟發(fā)性，培養(yǎng)學(xué)生思維；在材料力學(xué)的課程教學(xué)中依托工程實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生責(zé)任意識(shí)；鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行以基礎(chǔ)理論為核心，向科學(xué)研究和工程實(shí)際進(jìn)行無邊界延伸的自主創(chuàng)新，并定期組織自主創(chuàng)新活動(dòng)和答辯會(huì)。同時(shí)，完善以能力為先的教學(xué)評(píng)價(jià)體系，加大探究性、創(chuàng)新性、綜合性內(nèi)容所占比重。

三 “3+3”雙主體教學(xué)模式的實(shí)踐

結(jié)合土木工程專業(yè)本科生的培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生掌握工程力學(xué)基礎(chǔ)理論框架后，通過學(xué)習(xí)后續(xù)結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、基礎(chǔ)工程、土木工程材料、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、工程施工及管理等專業(yè)核心課程，最終需要解決實(shí)際土木工程問題。作為土木工程的支撐學(xué)科，工程力學(xué)以工程為背景，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以理論實(shí)踐為手段，以解決實(shí)際問題為目標(biāo)。為最大限度激發(fā)學(xué)生的內(nèi)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，充分發(fā)揮教師緊跟前沿科技和工程技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，利用新時(shí)代背景下的信息資源，“3+3”雙主體教學(xué)模式從教師主體出發(fā)，主導(dǎo)“科學(xué)研究、工程發(fā)展、名師講堂”相融合的新型課堂，助力傳統(tǒng)力學(xué)破圈而出，為傳統(tǒng)教學(xué)“增負(fù)”，讓課程知識(shí)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生主體“實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、實(shí)際”的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（一）案例一：緒論教學(xué)提問題增興趣

以科學(xué)研究、工程發(fā)展和名師講堂為主，輔以實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐和實(shí)際，緒論的課程教學(xué)需要教會(huì)學(xué)生工程力學(xué)是什么、學(xué)什么、為什么學(xué)、怎么學(xué)等這類激發(fā)學(xué)生內(nèi)生學(xué)習(xí)動(dòng)力的關(guān)鍵問題。如圖2 所示，課前，通過雨課堂給學(xué)生推送力學(xué)知名專家及工程力學(xué)教學(xué)名師的講座、視頻和文獻(xiàn)，將學(xué)生帶入力學(xué)學(xué)科和工程發(fā)展的科學(xué)發(fā)展長(zhǎng)河中[5-8]，引發(fā)學(xué)生思考；課中，利用雨課堂給學(xué)生發(fā)送類似“沒有力學(xué)，工程項(xiàng)目是否能夠完成”“先有實(shí)驗(yàn)，還是先有理論”“你認(rèn)為的工程力學(xué)是什么”等這類開放性問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)生動(dòng)力，并對(duì)基于力學(xué)而發(fā)展壯大的土木工程實(shí)例作介紹；課后，圍繞世界材料發(fā)展、世界和我國(guó)橋梁發(fā)展、我國(guó)各地建筑特色等科學(xué)研究和工程發(fā)展設(shè)計(jì)相關(guān)專題，按小組給學(xué)生布置課外實(shí)踐活動(dòng)，幫助學(xué)生感受力學(xué)在工程發(fā)展中的地位，增強(qiáng)學(xué)生的文化自信和專業(yè)自信。

圖2 緒論教學(xué)思路和案例

（二）案例二：靜力學(xué)教學(xué)循原理建思維

靜力學(xué)研究剛體的平衡問題，其基本理論是人類在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中積累起來的關(guān)于力的基本公理。實(shí)際上，這些基本公理和平衡問題在中學(xué)物理中有所提及，學(xué)生只是缺乏系統(tǒng)性的歸納和訓(xùn)練。在靜力學(xué)教學(xué)中則主要以設(shè)置“課前+課中+課后”階梯式學(xué)習(xí)任務(wù)為主，課前，通過雨課堂給學(xué)生推送高中物理涉及力學(xué)知識(shí)的教學(xué)視頻，幫助學(xué)生激活高中物理中零星出現(xiàn)過的力學(xué)概念和知識(shí)；課中，不再照本宣科地介紹靜力學(xué)基本公理，而是通過土木工程實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生理解力的基本概念，區(qū)分剛體和變形體的概念，就重難點(diǎn)問題進(jìn)行詳細(xì)講解，與學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，掌握學(xué)生的理解程度，引導(dǎo)學(xué)生自己總結(jié)靜力學(xué)基本公理，幫助學(xué)生形成力學(xué)思維；課后，借助雨課堂，針對(duì)學(xué)生易錯(cuò)的課后題發(fā)起雙匿名形式的相互批閱，形成自主糾錯(cuò)的學(xué)習(xí)氛圍，啟發(fā)學(xué)生邏輯有序的分析思路和以目標(biāo)為導(dǎo)向的解題過程，養(yǎng)成科學(xué)習(xí)慣。

（三）案例三：材料力學(xué)教學(xué)重方法拓實(shí)踐

以實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐和實(shí)際為主，輔以科學(xué)研究、工程發(fā)展和名師講堂，材料力學(xué)的課堂教學(xué)以靜力學(xué)為基礎(chǔ)，幫助學(xué)生深入理解剛體和變形體的區(qū)別和聯(lián)系，在基本假設(shè)的前提下，研究構(gòu)件在外力作用下變形與破壞的基本規(guī)律，解決實(shí)際工程問題，培養(yǎng)學(xué)生責(zé)任意識(shí)。針對(duì)每一種基本變形配以專門的土木工程項(xiàng)目主題作為課前推送，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課中，拒絕填鴨式教育，針對(duì)具體的變形情況，采用實(shí)驗(yàn)先行，通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，聯(lián)系基本假設(shè)，思考本質(zhì)問題，形成理論，繼而解決實(shí)際工程問題。由于實(shí)際工程應(yīng)用還需考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理之間的矛盾，充分降低材料消耗、減輕重量、節(jié)省資金，設(shè)計(jì)課外實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生將理論結(jié)果與工程實(shí)際相聯(lián)系，形成理論分析和工程應(yīng)用的正反饋。

材料力學(xué)涉及抽象思維和數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，例如超靜定結(jié)構(gòu)的求解，學(xué)生容易出現(xiàn)畏難和煩躁情緒，此時(shí)需要借助科學(xué)研究手段，將學(xué)生難以理解的理論結(jié)果進(jìn)行模擬和仿真，可視化知識(shí)點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生自信心。面對(duì)一些看似有害的力學(xué)現(xiàn)象，例如壓桿失穩(wěn)問題，不僅說明如何避免該現(xiàn)象的發(fā)生，還聯(lián)系最新的科學(xué)研究成果，說明對(duì)失穩(wěn)問題的合理利用，養(yǎng)成學(xué)生辯證的思維。

經(jīng)過課程的學(xué)習(xí)、課上實(shí)驗(yàn)的練習(xí)以及課外實(shí)踐的拓展，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)具體工程結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境和幾何特征，提出影響結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力的因素，通過理論計(jì)算、有限元模擬以及實(shí)驗(yàn)分析，說明該因素對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，提出解決方案；或者自主設(shè)計(jì)滿足安全要求、使用要求及經(jīng)濟(jì)要求的簡(jiǎn)單工程結(jié)構(gòu)，例如橋梁、房屋、起重機(jī)等。

四 “3+3”雙主體教學(xué)模式的教學(xué)評(píng)價(jià)體系與實(shí)施效果

課程考核是檢驗(yàn)教學(xué)效果的重要方法之一，也是教師提高教學(xué)方法、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要依據(jù)。由表1 可知，“3+3”雙主體教學(xué)模式的教學(xué)評(píng)價(jià)以能力為先，保留傳統(tǒng)課程中學(xué)生能夠接受的、足以考察學(xué)生對(duì)知識(shí)理解程度的傳統(tǒng)考試形式；在不脫離教學(xué)內(nèi)容的前提下，設(shè)置能夠體現(xiàn)學(xué)生工程意識(shí)、工程分析思維、質(zhì)量意識(shí)等高階能力的考核方式，包括課程學(xué)習(xí)、課程實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)踐；單獨(dú)設(shè)置創(chuàng)意物化評(píng)價(jià)模塊，對(duì)學(xué)生，從而實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造-能力培養(yǎng)-知識(shí)傳授三位一體的教學(xué)目標(biāo)，幫助教師迭代教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的課程教學(xué)。

表1 “3+3”雙主體教學(xué)模式的評(píng)價(jià)體系

五 結(jié)束語

經(jīng)過近幾年的探索與實(shí)踐，學(xué)生全程參與式“3+3”雙主體教學(xué)模式成功獲得了學(xué)生、后續(xù)課程教師及學(xué)校的肯定，幫助學(xué)生在“枯燥”的學(xué)習(xí)當(dāng)中找到了快樂，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)生動(dòng)力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)了學(xué)生利用簡(jiǎn)單的力學(xué)模型和理性思維解決復(fù)雜工程問題的能力。在學(xué)生培養(yǎng)全過程中，學(xué)生普遍表示，工程力學(xué)中的理論與實(shí)際相結(jié)合的思想能夠啟蒙其工程意識(shí)和工程分析思維，對(duì)工程問題的分析樹立了質(zhì)量安全意識(shí)，培養(yǎng)了其科學(xué)素養(yǎng)。