三本院校力学教学改革思考

杨立斌

摘要：力学教学在工程教育中占有举足轻重的地位，工程师的力学素养对于他的事业有重要影响。本文首先叙述了当前力学本科教育，尤其是三本院校中所面临的挑战，然后指出力学教学改革的目标应当以力学知识的学习和提高学生解决实际工程问题的能力培养为目的。最后，本文从教材建设、教学方式转变、计算力学成果引入、教学实验、教师素质提高等方面阐述一些提升力学教学果效的思路。

关键词：力学教育；教学改革；力学素养；能力培养

一、引言

在工程类学科中，力学在工科的知识结构中占有举足轻重的地位。在普通高等学校力学基础课程教学情况调研报告中记录比较了国内外大学力学基础课程在几个典型专业所占的比例。以机械、土木、航空等专业为例，国外的知名大学相关的力学类课程设置占到专业总学分的10%以上，而我国的相应专业的基础课程所占比例通常都达不到10%，有的专业甚至不到5%。可以说，国内相关专业的力学基础课程设置的比重是低于国外相关专业的。如何在教学时数较少的情况下提高教学质量，提升学生学习力学学科的兴趣及实际解决问题的能力，是工科院校力学教学改革的重点，也是培养面向未来，有创新能力的工程技术人员，提升我国制造业整体水平的重要因素。而学时少与提高教学质量的矛盾，对于基础知识相对较为薄弱的三本院校、高职院校来说，就更为突出。

二、当前力学教学的挑战

近些年，由于高校的办学规模迅速扩大，高等教育的教学质量也成为社会关注的问题。力学教育因其重要性在教学改革中有独特的地位。21世纪，“力学+计算机”将成为工程设计的主要手段。力学教学从传统上说，主要是教师课堂讲授知识，学生听课做笔记，而教师主要靠布置课后作业、课后答疑等方式来加强教学效果。长远来看，这种教学方式仍然会在力学教育中占据主要地位。但由于高校的办学条件以及学生的学习环境、心态以前有明显不一样，这也使得提高力学学科的教学质量面临一些实际的困难，现归纳一下，大体有如下几点。

1.学生的要求与传统力学教育模式的冲突。传统力学教学重点关注的是学科体系的完整性、逻辑的严密性、结构的严谨性等，这就不可避免地在教学中较多地进行力学理论知识的传授。但理论知识比较抽象，学生学习相对困难，尤其某些力学学科需要用到一些微积分的知识，这些对于基础较弱的三本、高职院校的学生来说，难度偏大。另一方面，过多地讲授理论知识，力学的实践环节较为薄弱，学生缺少对工程问题的真实体验，难以培养起运用力学知识解决实际工程问题的能力。长此以往，学生就会认为力学不过是些枯燥的公式推导，从而失去学习力学的兴趣。例如，笔者在讲授“流体”力学时，就有学生提出，能否不讲公式推导，只讲相关力学知识的应用。这个建议虽然难以全盘实施，但对于讲授力学的教师来说，未尝不是一个值得注意的教学侧重点。

2.力学教学方法。传统的力学教学方法以教师讲授为主，学生被灌输力学的理论知识，而力学教材往往也是采用简化的力学理论模型，但对于为何采用简化模型？如何简化？简化后的意义等等问题，较少叙述。这使得学生在学习时，缺少研究式、启发式的学习气氛，所学到的是有关的力学知识，但解决问题的思路却常常没有学会，难以把所学的力学知识与随后要学习的专业问题联系起来，使得力学的学习与专业知识学习出现脱节。

3.教学实验条件。这些年高校扩招，由于经费有限，加上重视不够，使得力学实验室的建设速度严重落后于学生的扩招速度。工科的力学实验内容被大幅缩减，实验条件严重不足。现有的力学课程也以辅助教学为主，主要是验证有关的力学理论，缺少工程性与设计性的实验内容。学生在实验课时主要是旁观，缺少实际操作的机会，因而兴趣有限，使得力学实验设置的目的很难达到。因为学校扩招，使得师生比例低，力学课通常采用大班授课方式，虽然能够满足教学要求，但师生的交流的机会减少。教师也很难对单独每个学生的学习状况进行跟踪和指导。

4.学生的考评方式。长期以来，力学教育的考评主要是靠期末的考试来测试学生的实际水平。考试以笔试为主，考试内容通常是上课所讲述的力学知识以及相应的力学解题过程。学生为了应付考试，就需要花费大量的时间来记忆力学公式和教学笔记。客观上，这种方式可以促进学生对力学理论知识的掌握，但是否有利于培养学生解决工程实际问题的能力，就无法肯定了。

三、力学教学改革的目的

力学教育改革常常被谈论，但改革的目标是什么？这是需要首先明确的问题，显然我们不能为改革而改革。但对于力学改革而言，应当是力学知识与运用力学知识解决实际工程问题能力的培养并重的。力学知识的学习是基础，实际解决问题的能力的培养是目标，两者不应偏废。理想的力学教育模式中应当是知识学习与能力培养并重，以达到互相促进的目的。目前的教育模式过多关注知识的传递，对于能力的培养较少顾及。以笔者在英国学习研究的体会，也感受到这种解决实际问题能力的缺乏，在经历了一些西式的训练和学习后，这种能力才逐步建立起来。

目前在三本院校中有一些悲观情绪，认为能够在三本院校中能够成功地把力学知识讲清楚，让学生掌握就算不错了，至于能力的培养，就不要奢求了。诚然，有一个扎实的力学知识基础，对于能力的培养是很有利的，但解决实际问题的能力，并不要求相关的技术人员有全备的知识体系。以英国的大学本科教育为例，一般只有三年，所学的力学科目、学时数都会少于我国的本科学生。笔者在英国求学期间也发现，通常英国的本科学生的力学知识并不算多，但英国培养的工程师的质量在国际上还是得到公认的。英国的教育表明，在较少的学时的情况下培养出一批高素质的、有解决实际问题能力的工程师是完全有可能的，而如何把能力培养的方针贯穿到整个教学过程中去是相当重要的。

四、力学教育的几点思考

如何在力学教育中加强能力的培养，如何在三本、高职院校中培养出一批有创新能力的合格工程师，可以考虑从以下几方面努力。

1.教材的建设。一本好的力学教材对于保证好的教学质量是很重要的。目前国内的力学教材已经出版了不少，但适用于应用型人才培养的优秀教材并不多见。衡量一本教材的好坏不应该以其包含力学知识的多少来衡量，而主要以是否把问题讲明白、讲透彻，通俗易懂，深入浅出为原则。笔者在英国求学期间，接触到西方的一些经典教材，这些教材对于那些学生不太容易明白，或者容易搞混的地方，常常花费很多笔墨，尽量讲得清楚明白。虽然是英文教材，也让人很有收获。读者有一种感受：这些国外经典教材的作者似乎生怕读者不能搞懂，总是尽量把问题说清楚。这种出书的态度是让人敬佩的，也是值得国内出书人学习的。

2.教学方式的转变。一名力学教师如果单纯采用“填鸭式”的教学，恐怕是难以让学生满意，也难以有好的教学效果。在力学教育中，力学建模的能力的培养是极重要的，这就需要教师在教学过程中有意识地加强学生在这方面的训练。一方面可以尽量采用高质量的教学课件，以强化学生从抽象模型联系具体模型，以及从具体模型到抽象模型的抽象化思维的训练。另一方面，教师在讲课时可考虑多采用“提问+对话”及“问题+讨论”等启发式的教学方法加强课堂上的互动，活跃课堂气氛，提高学生的兴趣。

3.引入计算力学成果。二十一世纪的工程设计的主要模式就是“力学+计算机”。在力学教学的过程中，适当引入一些计算力学的教学成果是完全必要的。目前在力学教学中，比如工程力学、材料力学等课程，力学模型的建立、应力和变形分析都是采用手工方式，所采用的分析方法一般是理论解析法。这些分析模型通常有一定的简化，而实际的工程问题所研究的几何对象，所受载荷和约束条件通常都较复杂，难于用理论分析的方法求解。这样，学生在面对实际工程问题时难以下手，会有力学学习与实际应用脱节的感觉。而借助计算机，力学上的一些概念，如应力、应变、位移等可以借助数值、曲线和图像进行直观地表达出来，而且借助于有限元分析，一些较为复杂的工程问题也可以求解，所得的结果直观、明白，可以有效地帮助学生理解力学上的基本概念，巩固所学知识。而且可以提高学生兴趣，增强学生解决实际工程问题的能力。

对于计算力学方面的教育与训练，某些人可能认为计算力学的有关知识要求较高，并不适合在本科阶段学习。诚然，计算力学的某些方面的知识，如有限元的数学原理、数值分析等对学生的数学基础有一定的要求，但掌握一两种数值模拟软件并不需要高深的数学、力学知识。英国的机械工程专业的本科只有三年学制，有限元及模型建立方面的实用知识却学得不少。而据著名的金属成形分析软件Deform的创始人吴慰祖先生（W.T.Wu）介绍，美国很多Deform软件的使用人员都是高中毕业生。由此可见，某些工程分析软件的使用门槛其实是不高的，若能加以选择、使用，对促进力学教学改革是大有益处的。目前计算机技术发展很快，在普通的个人电脑上运行有限元程序已经很普遍。因此，选择一两种合适的软件平台，在本科学生当中开展有限元等数值分析建模技术的课程与培训是完全可行的。

4.力学实验的改革。力学实验目前是以验证性的实验为主，学生对此兴趣有限。教师可以考虑增加设计性实验、综合性实验来满足不同学习程度的学生要求。尤其可以鼓励学生学习使用有限元、有限体积分析软件，对有关实验内容进行几何建模，确定边界条件并分析计算结果。这在某种程度上以数值模拟实验代替实际的实验操作，可以避免学生在实验时以看为主，并可加深对所学知识的理解。总之，计算机建模与力学知识的结合是一个发展方向，各个院校在进行工程实验室建设时，应当大力创造条件，为学生营造良好的软、硬件环境。

对学有余力，希望进一步深造的学生，应在本科学生中实行导师制，鼓励学生早进实验室，参与教师以及企业课题的研发工作。

5.教师素质的提高。一名任课教师本身的素养对他的教学效果是有重要的影响。教师的素质至少包含两方面的内容：一方面教师需要有对工作、学生高度的责任感，对学生有爱心和耐心，力求诲人不倦，爱人如己。另一方面教师也需要提高自身的力学素养，积极参加相关的科研和进修项目，加深对力学知识及概念的理解，提高解决工程实际问题的能力。

五、结束语

力学教育的重要性对于培养工程人才是毋庸置疑的。如何提升力学教育的质量，培养满足未来社会发展要求，能肩挑重担的工程师，单靠教师和学校的努力是不够的，需要整个社会的努力，营造一种积极、上进、正面的文化，以利于人才的培养。

参考文献：

1.非力学专业力学基础课程教学指导分委员会，《普通高等学校力学基础课程教学情况调研报告（3）：国内外力学课程比较及调研建议》

2.崔玉红、亢一澜、罗纪生，《科学素质和人文素质教育的发展对力学专业课的影响》《天津大学学报》（社会科学版），2002，（4）

3.曲艳东、郭鹏飞、贾艳东等，《工程类专业力学教育与工程师培养》，中国电力教育，2011，（8）

4.单辉祖、谢传锋，《工程力学（静力学与材料力学）总序》，高等教育出版社，2004

【责编 张景贤】