新工科背景下“基礎(chǔ)力學(xué)”課程教學(xué)方法探索

賀云 李曉麗 薛慧君 杜娟

摘?要：在新工科背景下，新工科教學(xué)建設(shè)實現(xiàn)是工科類專業(yè)教育的必然導(dǎo)向，為新時代高等教育教學(xué)改革奠定了堅實的基礎(chǔ)?！盎A(chǔ)力學(xué)”作為工科類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在教學(xué)過程中應(yīng)貫徹新工科建設(shè)思路，探索適應(yīng)新形勢下的教學(xué)模式。該文從新工科實施背景出發(fā)，分析現(xiàn)階段農(nóng)林院?！盎A(chǔ)力學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的主要問題，探究新工科深度融合背景下“基礎(chǔ)力學(xué)”課程的教育教學(xué)模式，對推動我國工科類專業(yè)教育發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：新工科；基礎(chǔ)力學(xué)；農(nóng)林院校；教學(xué)模式

一、概述

教育部圍繞推動高等工程教育改革舉辦了相關(guān)研討會，形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，為我國的高等工程教育改革指明了方向。2017年2月，教育部發(fā)布的《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》中強(qiáng)調(diào)，新工科研究和實踐要圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系開展。新工科建設(shè)是全局考量，是在新科技、產(chǎn)業(yè)革命和新經(jīng)濟(jì)背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，是今后我國工程教育發(fā)展的新思維和新方式［12］。相比于傳統(tǒng)工科教育，新工科在強(qiáng)調(diào)人才培養(yǎng)的新模式和教育教學(xué)的新質(zhì)量的基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實用性、延續(xù)性、交叉性以及綜合性，要求新工科人才具備更強(qiáng)的實踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力［3］。為了探索我國工科人才的培養(yǎng)模式，我國于2016年6月成為《華盛頓協(xié)議》的正式會員國。加入《華盛頓協(xié)議》是促進(jìn)中國工程類人才培養(yǎng)邁入國際標(biāo)準(zhǔn)、提高工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措，對中國工程技術(shù)領(lǐng)域具有國際競爭力有著重要意義［4］。

“基礎(chǔ)力學(xué)”課程是農(nóng)林院校土木工程、農(nóng)業(yè)水利工程、水利水電工程、交通工程、道路橋梁與渡河工程、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、材料科學(xué)與工程、新能源科學(xué)與工程等諸多工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有非常強(qiáng)的理論性與實踐性。同時力學(xué)也是現(xiàn)代工程應(yīng)用技術(shù)的堅實基礎(chǔ)，是基礎(chǔ)學(xué)科與應(yīng)用學(xué)科相結(jié)合的復(fù)合型學(xué)科，作為應(yīng)用學(xué)科解決相關(guān)專業(yè)的力學(xué)工具，是工科類人才今后從事相關(guān)研究及工作的基礎(chǔ)，同時也是新時代建設(shè)新工科的重要抓手。因此，在新工科背景下對“基礎(chǔ)力學(xué)”課程進(jìn)行教育教學(xué)改革具有鮮明的時代及實踐意義［5］。

本文以農(nóng)林院校為例對“基礎(chǔ)力學(xué)”課程教學(xué)進(jìn)行探索、改革與實踐，旨在新工科背景下進(jìn)一步提高“基礎(chǔ)力學(xué)”課程教學(xué)質(zhì)量，夯實學(xué)生“基礎(chǔ)力學(xué)”理論知識素養(yǎng)，同時探索新的課程教學(xué)方式能充分發(fā)揮學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的中心作用，實現(xiàn)以學(xué)生為中心，盡可能充分地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、積極性和創(chuàng)造性的目標(biāo)。

二、“基礎(chǔ)力學(xué)”課程的教育教學(xué)現(xiàn)狀

（一）“基礎(chǔ)力學(xué)”課程的設(shè)置情況

“基礎(chǔ)力學(xué)”課程是各工程類專業(yè)理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。先學(xué)習(xí)“高等數(shù)學(xué)”“普通物理學(xué)”等課程，具備利用高等數(shù)學(xué)知識中微積分、矢量初步分析、微分方程的理論及應(yīng)用，普通物理中力學(xué)的基本原理等基礎(chǔ)知識。其基本概念和基本理論是土木、水利、機(jī)械、交通、材料類工程專業(yè)的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“彈性力學(xué)”“土力學(xué)”“水力學(xué)”等專業(yè)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)，是支撐鋼筋混凝土、橋梁工程、水工結(jié)構(gòu)、交通運(yùn)輸?shù)群罄m(xù)專業(yè)課程應(yīng)用、設(shè)計等的力學(xué)基礎(chǔ)［6］。

“基礎(chǔ)力學(xué)”課程是由公共基礎(chǔ)課過渡到工程實踐類課程的專業(yè)基礎(chǔ)課，使學(xué)生初步學(xué)會應(yīng)用力學(xué)的理論方法分析并解決一些簡單的工程實際問題；為學(xué)習(xí)有關(guān)的后繼專業(yè)課程打好必要的基礎(chǔ)，并為將來學(xué)習(xí)和掌握新的科學(xué)技術(shù)知識創(chuàng)造條件，結(jié)合本課程的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式、邏輯思維和辯證唯物主義世界觀等多方面能力。

“理論力學(xué)”課程的主要內(nèi)容即靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的基本理論、方法及應(yīng)用。掌握該課程的點(diǎn)和剛體力學(xué)的靜力學(xué)平衡條件、點(diǎn)和剛體基本運(yùn)動、合成運(yùn)動、動力學(xué)基本定律的基本理論和方法［7］。“材料力學(xué)”課程的內(nèi)容有軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲、應(yīng)力狀態(tài)及強(qiáng)度理論、組合變形等基本理論和方法，掌握基本力學(xué)原理在解題中的準(zhǔn)確應(yīng)用。“工程力學(xué)”課程是理論力學(xué)靜力學(xué)和材料力學(xué)內(nèi)容的結(jié)合。以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的具體情況，課程適用于土木工程、農(nóng)業(yè)水利工程、水利水電工程、農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、新能源科學(xué)與工程、車輛工程、材料科學(xué)與工程、家具設(shè)計、木材科學(xué)與工程等專業(yè)的農(nóng)林院校本科學(xué)生。

通過“基礎(chǔ)力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，了解課程在今后專業(yè)課學(xué)習(xí)中的作用，積累必要的力學(xué)基礎(chǔ)知識，通過課程學(xué)習(xí)具備比較熟練的力學(xué)計算能力，并具有一定的力學(xué)分析能力。

（二）“基礎(chǔ)力學(xué)”課程教育教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題

1.理論講授與實際工程聯(lián)系不緊密

雖然“基礎(chǔ)力學(xué)”課程是工科專業(yè)的基本課程，但其教學(xué)內(nèi)容滯后，知識體系過于煩瑣，偏向于理論推導(dǎo)，無法適應(yīng)科技的發(fā)展步伐，也不能緊隨計算機(jī)的快速發(fā)展和其在各行業(yè)的普遍使用，這并不能滿足現(xiàn)代的、高質(zhì)量的人才培養(yǎng)需求。此外，工科“基礎(chǔ)力學(xué)”課程對理論的深入解釋較多，對實際工程應(yīng)用的研究明顯不足，特別是缺乏將實際問題轉(zhuǎn)化為力學(xué)模型這一重要步驟。在教學(xué)過程中，過于注重理論知識的教導(dǎo)，而忽視了實際技能和方法的培養(yǎng)，因此學(xué)生的實際應(yīng)用能力難以提高。

2.學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性不足

一方面，教育教學(xué)改革持續(xù)深化，導(dǎo)致“基礎(chǔ)力學(xué)”的課程時長持續(xù)縮減，同時教學(xué)進(jìn)度中的課程布置過于緊密，難以為學(xué)生提供額外學(xué)習(xí)的空閑時間，這使得絕大多數(shù)學(xué)生沒有充足的時間把握“基礎(chǔ)力學(xué)”的知識點(diǎn)，從側(cè)面反映了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性不夠。另一方面，力學(xué)專業(yè)的“基礎(chǔ)力學(xué)”對數(shù)學(xué)知識要求高，不適合非專業(yè)力學(xué)學(xué)生的學(xué)習(xí)；而有很多非力學(xué)專業(yè)的“基礎(chǔ)力學(xué)”，涉及的力學(xué)內(nèi)容較多，由于大部分處于地方的農(nóng)林院校，學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)普遍較為薄弱，因此在教學(xué)過程中學(xué)生反應(yīng)難度太大，許多內(nèi)容接受程度有限。在“基礎(chǔ)力學(xué)”課程的日常教學(xué)中，要盡可能地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

三、新工科背景下“基礎(chǔ)力學(xué)”課程教學(xué)探索

“基礎(chǔ)力學(xué)”是工科學(xué)生的基礎(chǔ)教育核心課程，學(xué)習(xí)期間處于由基礎(chǔ)理論課向?qū)I(yè)課過渡的階段。目前在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力、工程意識、解決實際問題的能力等方面存在不足，不能很好地支撐培養(yǎng)“新工科”提出的具有工程實踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型人才目標(biāo)。

（一）打基礎(chǔ)、重實踐

針對地方農(nóng)林院校工科學(xué)生以“應(yīng)用為主”的特點(diǎn)，盡量減少數(shù)理推導(dǎo)及論證，加強(qiáng)分析方法及思路的講授；著重于學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)方法及應(yīng)用能力的培養(yǎng)，力求在潛移默化中得到提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)及創(chuàng)新能力?；谛鹿た票尘?，可以從課堂教學(xué)、實踐教學(xué)以及課程考核等方面，對“基礎(chǔ)力學(xué)”教學(xué)方法進(jìn)行改革探索，新工科背景下“基礎(chǔ)力學(xué)”課程教學(xué)方法示意圖見圖1。

從教學(xué)方法出發(fā)，加強(qiáng)“基礎(chǔ)力學(xué)”課程的關(guān)鍵銜接，重實踐，少理論推導(dǎo)，在每一章內(nèi)容編排上，先介紹工程背景及問題提出，再介紹模型簡化，引出基本原理及方法，然后綜合應(yīng)用，最后是研究結(jié)論及討論等開放性教學(xué)素材。實現(xiàn)學(xué)時少、內(nèi)容新、效果好、授之以漁的應(yīng)用型復(fù)合人才培養(yǎng)總體目標(biāo)。

特殊設(shè)計教學(xué)環(huán)境，將學(xué)生進(jìn)行分組，在課前線上學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生在課堂上開展充分討論，并且將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分割，既要考慮到夯實基礎(chǔ)，也要有難度進(jìn)階，有一定的挑戰(zhàn)性，經(jīng)過小組的合作能夠順利解決問題。將部分課堂教學(xué)時間交給學(xué)生，并為學(xué)生做好優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的選取工作。學(xué)生完成在線的學(xué)習(xí)后，利用課堂部分時間共同探討拔高性問題。課堂探討內(nèi)容主要來源于專業(yè)課及生活中的力學(xué)問題，不僅有助于提高興趣，通過解決趣味力學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生工程意識及解決實際問題的能力。

在前期已形成的基于長江·雨課堂等智慧教學(xué)工具的輕度混合式教學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行深度混合式教學(xué)，同時開展互聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)。為優(yōu)化教學(xué)模式，構(gòu)建了一個全方位的教學(xué)系統(tǒng)，涵蓋課前、課中、課后學(xué)習(xí)。也就是將教學(xué)時間從課中延伸到課前和課后，同時將學(xué)習(xí)空間從教室擴(kuò)大到寢室和其他可能的學(xué)習(xí)場所。教學(xué)資源不僅限于教科書，還拓展到了包括線上線下各種媒體和資源的范圍內(nèi)。所有這些擴(kuò)展都是從學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和能力出發(fā)，旨在提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（二）促進(jìn)以學(xué)生為中心的課程教學(xué)改革

為了滿足當(dāng)前高等院校教學(xué)的實際需求，運(yùn)用新的教學(xué)理念，教學(xué)內(nèi)容注重與工程實際應(yīng)用相結(jié)合，易學(xué)、易懂、易記，采取模塊式、導(dǎo)圖式編法、啟發(fā)式教法，著重培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)知識的分析能力及綜合應(yīng)用能力，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維意識。從人才培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，深入研究知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)的教學(xué)培養(yǎng)模式，打造優(yōu)秀的師資團(tuán)隊，促進(jìn)以學(xué)生為中心的課程教學(xué)改革，導(dǎo)圖如圖2所示。

在教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，結(jié)合“基礎(chǔ)力學(xué)”實驗，有效運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段開展線上線下靈活多樣的教學(xué)方式，科學(xué)地應(yīng)用雨課堂、網(wǎng)絡(luò)平臺等先進(jìn)教學(xué)模式，提升教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

增加國內(nèi)外“基礎(chǔ)力學(xué)”及力學(xué)結(jié)構(gòu)系列課程教改新成果，充分利用信息技術(shù)和影像素材及優(yōu)質(zhì)理論力學(xué)教學(xué)資源，通過二維碼識別獲得更多信息及知識；重點(diǎn)突出總體思路、基本理論及基本方法應(yīng)用。對于內(nèi)容較抽象或者實踐性較強(qiáng)或者行業(yè)發(fā)展動態(tài)等信息量較大的內(nèi)容，力求做到由淺入深，提高學(xué)生理解能力。重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用力學(xué)知識解決工作中實際問題的能力，初步具有力學(xué)學(xué)習(xí)的能力，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，為其職業(yè)生涯發(fā)展和終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（三）增加工程實例教學(xué)內(nèi)容

增加我國先進(jìn)的工程建設(shè)、機(jī)械制造案例，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和愛國情懷。課程力求做到內(nèi)容精煉，由淺入深，便于自學(xué)，并特別重視反映現(xiàn)代水利工程、土木工程、農(nóng)業(yè)工程的特點(diǎn)，以培養(yǎng)和造就“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)、廣適應(yīng)”的復(fù)合型應(yīng)用人才為宗旨，在講授“基礎(chǔ)力學(xué)”基本概念、基本原理和基本方法的基礎(chǔ)上，力求實現(xiàn)在體系上和內(nèi)容上的更新，為學(xué)生今后繼續(xù)學(xué)習(xí)和掌握新方法、新技術(shù)提供必要的“基礎(chǔ)力學(xué)”基礎(chǔ)知識，也為學(xué)生的獨(dú)立思考留有空間，以利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

“基礎(chǔ)力學(xué)”是工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，通過力學(xué)模型建立，讓學(xué)生掌握分析力學(xué)問題由淺入深，從點(diǎn)到面。從具體的教學(xué)內(nèi)容上看，理論力學(xué)可以由點(diǎn)的矢量法延伸至衛(wèi)星發(fā)射定位，進(jìn)而引入我國航空航天成就，樹立民族自豪感和責(zé)任意識。根據(jù)剛體平移引申至汽車的運(yùn)動，引入近年我國新能源汽車發(fā)展及彎道超車，提高對力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。從動力學(xué)基本定理中進(jìn)一步了解力學(xué)奠基人牛頓，分享力學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家們的經(jīng)驗。生活中力學(xué)無處不在，花滑動作各異影響加速減速、齒輪的設(shè)計對剛體的轉(zhuǎn)動慣量的影響，培養(yǎng)學(xué)生對力學(xué)知識的探索。材料力學(xué)可以從工程實例出發(fā)，結(jié)合力學(xué)知識豐富課程內(nèi)容，例如，現(xiàn)澆混凝土房屋、大型橋梁、大型體育場鋼架、鋼木組合桁架、起重機(jī)吊裝重物、鉚接頭中的鉚釘或螺栓、水輪發(fā)電機(jī)的主軸、房屋建筑中的大梁等。

對于農(nóng)林院校的工科專業(yè)“基礎(chǔ)力學(xué)”課程，使廣大農(nóng)林院校工科類教師能夠更加準(zhǔn)確地了解新時期“基礎(chǔ)力學(xué)”課程的任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)，能夠準(zhǔn)確掌握新版大綱所規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，能夠?qū)φn程教學(xué)質(zhì)量的提高起到保障作用。

結(jié)語

推動新型工科教育建設(shè)是工科專業(yè)教育的必然趨勢，為新時代高等教育教學(xué)改革打下了堅實的基礎(chǔ)。作為工科專業(yè)基礎(chǔ)課程的一部分，“基礎(chǔ)力學(xué)”在當(dāng)前的課程教育教學(xué)模式下需要進(jìn)一步深入研究專業(yè)認(rèn)證理念，積極尋找新工科背景下的教育教學(xué)新模式。基于專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求，指導(dǎo)學(xué)生在掌握專業(yè)技術(shù)能力的同時，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程實踐能力。進(jìn)一步將工程實踐的內(nèi)容貫穿在整個教學(xué)過程中，使“基礎(chǔ)力學(xué)”課程成為工科學(xué)生培養(yǎng)過程中的關(guān)鍵部分，對于推動土木、水利、機(jī)械等行業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

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基金項目：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目（KTJX202309；KTJX202307）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（201902198004）

作者簡介：賀云（1989—?），男，漢族，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，博士，講師，研究方向為基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)改革；李曉麗（1969—?），女，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，教授，研究方向為基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)改革及一流課程建設(shè)；薛慧君（1989—?），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，博士，講師，研究方向為土木工程教學(xué)改革；杜娟（1988—?），女，漢族，山東泰安人，博士，講師，研究方向為統(tǒng)計學(xué)教學(xué)改革。