工程教育背景下高校基础力学课程的教改探索*

◆王明禄 许崇海 魏高峰 周泉

工程教育背景下高校基础力学课程的教改探索*

◆王明禄 许崇海 魏高峰 周泉

为使基础力学课程更适于应用型人才培养的教学模式，基于当前高校基础力学教学的实际情况，结合教学经验和体会，分析总结基础力学教学中存在的问题，阐述在基础力学课程教学中实施工程教育的可行性，提出工程教育背景下基础力学课程的改革措施。

基础力学；工程教育；教学改革

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.117

1 前言

基础力学课程是高校各工科专业的专业基础课，是研究工程中普遍存在的各类结构和构件的受力、运动和变形等现象的学科，一般包括理论力学、材料力学、工程力学和结构力学等。该课程可以培养学生逻辑思维能力以及利用所学理论知识解决实际问题的能力。由于历史原因，我国高校所讲授基础力学课程的内容大多由苏联引进，虽然近年来根据我国实际做了较大改进，但还有部分教材内容比较陈旧抽象、重理论轻实践，部分教师的教学方法还采用落后的灌输式教学，不注重与工程实践相结合，使得课堂气氛沉闷甚至枯燥无味，降低了学生的学习积极性，进而影响后续专业课程的学习。

如何克服基础力学教学环节中与工程教育培养目标不相符的内容，如何体现工程教育的思想，如何树立工程认知的思维，如何培养工程实践的能力，是整个工程教育培养计划中亟待解决的问题。本文根据当前高校基础力学教学的实际情况，通过问卷调查的手段，结合自身教学经验和体会，分析总结基础力学教学中存在的几个问题，进而阐述在基础力学课程教学中实施工程教育的可行性，提出工程教育背景下基础力学课程进行改革的有效措施。

2 现行基础力学教学中存在的问题

课堂教学内容乏味基础力学课程的特点决定了其教学过程中存在大量的公式推导和习题训练等环节，如果教师经验不足或不注意与工程实践相结合，容易使学生产生畏惧心理或感觉枯燥，进而影响对课程的学习效果。为此，对齐鲁工业大学机械设计制造及其自动化专业理论力学和材料力学的课堂教学进行问卷调查，结果显示，65%的学生认为基础力学课公式多、理论性强，学习有一定难度；有25%的学生认为该课程难度一般，只要多花点儿时间就可以学好该课程；仅有10%的学生认为该课程内容较简单。调查结果显示，多数学生对公式推导和部分习题感觉吃力，仅有少数学生对公式推导和习题讲解过程能够理解透彻。

之所以产生上述问题，是因为基础力学课程需要一定的数学、物理基础和较好的逻辑思维能力，容易使学生感觉到基础力学课程有一定的难度，如果教师引导不利或学习方法不当，容易使得学生产生畏惧心理甚至抵触情绪，最终影响基础力学课程的学习效果。

实验教学模式古板以齐鲁工业大学为例，目前该校开设基础力学的各专业中，只有机械设计制造及其自动化专业和过程装备工程及其自动化专业的材料力学开设8个学时的实验，而材料成型及其自动化和汽车服务工程等专业的工程力学则不开设实验。由于学生多、任课教师和实验设备不足等原因，该课程实验教学均是验证型实验，即教师讲解实验原理、操作步骤和注意事项等，然后示范操作，学生按照教师的示范再操作一次，甚至只让学生观摩而不动手操作。这种实验教学模式较为古板，在实验课堂中学生只能被动接受，很难产生师生互动，限制了学生主观能动性的充分发挥，使教学内容与工程实践产生脱节，与提高学生工程素养的教学目标不相符。

教学内容与工程实践脱节目前，不少高校都在缩减专业基础课程的学时。以齐鲁工业大学为例，机械设计制造及其自动化专业的理论力学由原来的80学时减为56学时，材料力学由原来的72学时减为64学时（含8学时实验），其他专业（如汽车服务工程和材料成型及其自动化等专业）的基础力学开出学时则更少，但是考虑到后续课程和学生考研等需求，需要讲授的内容基本没减少。为了完成教学计划，教师在课堂教学中仅能讲授教材内的基本理论知识，无法开展与工程实践相关的教学环节，更谈不上满足工程教育的教学要求。

课程考核方式不合理我国高校各专业的基础力学课程多数采用传统的考核方式，期末总评成绩由期末考试的卷面成绩和平时成绩各占一定比例计算得出。由于学生多、教师少和教室紧张等原因，多数基础力学课程为多个班级合堂上课，任课教师很难掌握每个学生平时的学习表现，所谓的平时成绩也仅能包括考勤、作业或小测验等。这就使得部分学生上课仅仅是为了应付考勤，而不注意听讲，同时作业抄袭的现象也比较严重。为了应付考试，部分学生选择考前突击复习，甚至作弊。因此，这种传统的考核方式容易造成学生只为应付考试，不注重平时的课堂学习和知识积累，使得学生对知识的掌握不系统，无法自如地将所学知识用到工程问题实践中。

3 基础力学课程教学中实施工程教育的可行性

掌握扎实的工程基础应用知识是工程教育模式的基础与核心[1]。由于科学技术的发展速度很快，工程应用领域里许多看似深奥的技术很快就会被新兴的技术所取代，只有专业基础知识掌握扎实的人才可以通过不断学习适应不断发展的科学技术。因此，基础力学作为工科的一门专业基础课，在其教学过程中实施工程教育是十分重要的。在基础力学课程教学中实施工程教育，有助于实现培养计划所规定的教学目标，这一点从基础力学课程的课程属性及其在课程体系中所处的位置都可以得以体现。如果基础力学课程没有学好，后续专业课程的学习就会变得更为困难，并且会影响将来的职业发展和提高。

基础力学的相关理论知识均来自于工程实践，学生所学的知识和培养的能力更需要在实践中检验[2]。因此，基础力学课程中的实践环节对于培养学生的实践和创新能力十分重要。专业基础课中的基础理论知识是对最共性和最基本的专业知识的总结，如果对其掌握不够牢固或理解不够透彻，就不能灵活解决千变万化的实际问题。要想灵活应对各种实际工作中的问题，必须在基础力学教学中关注工程实践。为此，只有精心设计基础力学课程的教学过程，使其熟练掌握工程基础应用知识，才可以实现对学生实践和创新能力的培养，进而构建系统的专业技能。

4 基础力学教学改革的措施

教学内容的项目化设计基础力学课程改革可以考虑从教学内容的项目化设计着手，而教学内容的项目化设计要充分结合工程能力指标进行，因为工程教育的理念更加突出教学案例的基础性和前沿性，更加注重学生实践能力及创新能力的培养，更加注重教学内容与工程背景的结合。如在讲授理论力学中桁架结构的相关知识时，讲授完基本理论知识后，可让学生从身边的工程实例中寻找桁架应用的实例，引导学生分析、简化、建立并求解结构的力学模型，对结果予以分析，并以此为基础制作实验模型，对计算结果进行实验验证。

项目化设计还可以考虑在课程最后设立综合大作业，给出或让学生从工程中寻找一个实际的机构或结构，引导和帮助学生建立该机构工作时的力学模型并对其进行求解，将求解结果与实际情况进行对比，让学生分析理论计算与实际情况存在差别的原因。通过基础力学教学内容的项目化设计，可以加深学生对其教学内容的理解与掌握，进而实现工程教育相应的能力指标要求。

利用学生的关注点进行创新能力的培养在基础力学的课堂教学过程中，可将学生的最新关注点与基础力学的教学内容相结合，激发学生兴趣，拉近师生距离，活跃课堂气氛，进而引导学生发现问题、分析问题和解决问题。如在讲授每一章节知识后，可将时下学生所关心的新闻事件与教学内容相结合，由学生与教师沟通并选定相关主题，在课堂上对自己所选问题的力学原理和解决办法进行介绍，让学生学会如何将所学基础理论知识综合应用于工程实践中。此举可提高学生的表达与沟通能力，也为学生创造一个轻松的课堂氛围，进而实现工程教育中创新性思维和团队协作能力的培养目标。

工程技术问题都是客观存在的，不能随意对其假设或猜测[3]。在处理工程技术问题时，必须将理论知识和实践经验相结合，分析问题的本质并提出解决办法。基础力学课程的内容由简单到复杂，知识结构详尽且系统。其中从静力学中的基本公理到材料力学中的基本变形，再到弹性力学的能量原理都是在科学的推理、计算和实验验证下得出的结果。如在材料力学的研究范围内分析小变形、弹性杆件的安全问题时，根据材料力学相关理论，从外力分析到内力计算，再到应力和变形，最后解决杆件的强度、刚度和稳定性等安全问题。这一分析过程既训练学生的数学运算能力，又培养学生的逻辑推理能力，使学生养成良好的工程语言表达能力，并逐步掌握在工程实践中发现、分析和解决问题的能力。基础力学课程中的这些训练是工程能力指标最基本的体现。

另外，在基础力学课程的教学中，可通过引导学生发展想象能力，训练其逻辑思维能力[4]。如在讲解完杆件拉压强度的问题之后，改变相应的已知条件，如外力大小、杆件材料、杆件尺寸形状等，或者让学生思考在工程实践中得到上述哪些条件时会遇到障碍，引导他们思考分析并最终解决问题。如果学生遇到困难，就帮助其分析并找出遇到困难的原因。这种以锻炼学生形象思维为目的教学，能够增强和锻炼学生逻辑思维能力及解决实际问题的能力。

课堂表现形式的多样化设计基于对学生问卷调查的结果，针对基础力学课程理论性强和公式推导难度大的特点，教师在讲解理论知识时应注重引入易引起学生兴趣的工程案例，增强知识的趣味性和实用性。如在讲授疲劳失效这一节时，可通过引入货车司机因超载而引发事故的案例，分析汽车主轴产生失效的原因，讲解相关理论知识。利用这样一个例子引出本节的内容，能够更好地吸引学生的注意力和活跃课堂气氛，用理论知识合理解释工程实践中遇到的疲劳失效问题。不仅加深学生对理论知识的理解，而且培养学生学以致用的能力。工程实践中很多实例都可以利用基础力学的理论加以解释，在课堂教学中应注意利用该方法引导学生分析归纳并总结提炼自己的想法，培养他们解决实际问题的能力，实现工程教育的教学目标。

基础力学课程教学的表现形式除课堂讲授外，还可以设计专题讨论会的环节。如根据基础力学课程的知识点提供几个讨论主题，要求学生利用图书馆或互联网等资源，查阅资料，制作汇报材料，鼓励学生课堂上讲解并交流讨论。通过这种讨论可以激发学生的学习积极性，将传统的单向知识传授扩展至基于问题解决的师生互动学习，进而培养学生的交流沟通能力和团队协作能力。

试行灵活的实验教学模式教学环节不应该只以教师为主体，而应该是师生互动的教学过程[5]。在专业人才培养方案中将基础力学课程中的实验类别从验证型修改为设计型，对于设计型实验，教师仅给出实验的预期目的，让学生设计实验的思路，经与教师讨论方案可行后，通过查阅资料学习实验设备的操作方法，自己动手进行实验。实验过程中如若遇到问题，及时找老师或同学共同商讨解决问题的办法，引导学生独立分析实验数据和规范，撰写实验报告。这种实验方式可使学生由被动变主动，提高学生在实践中运用所学知识的能力，实现工程教育的教学目的。

对于高年级学生，可以根据不同的专业，开设相应的力学综合开放实验环节，只要学生有好的想法且思路是可行，或教师引导学生发现好的力学课题，由学生设计解决方案，然后利用实验室现有设备和软件解决问题。指导学生利用现有教学资源和实验室资源，参加各种力学竞赛，鼓励学生撰写小论文，培养学生的科研能力和创新意识。

改革课程考评方式课程考评是教学过程的重要组成部分，不能简单理解为传统的书面考试，可由多种形式组成。根据基础力学课程的特点，其考评内容可由力学软件应用（占10%）、力学模型制作（占20%）、分组报告会（占10%）、实验报告撰写（占10%）、平时作业及试卷考核（占50%）等组成。评价形式可采用学生自评、学生互评和教师评价等形式，重点考察学生在各个环节中所起的作用及所负责项目的完成情况，以及与其他学生协作能力等指标。这种考核方式可以避免传统考试的各种弊端，促进学生的学习积极性，使学生对课程学习产生浓厚兴趣，提高对基础理论的理解和掌握。通过几个不同阶段的教学实践环节，使学生感到基础力学课程的重要性，对后续专业课程的学习产生帮助，进而提高学生的实践能力和创新能力。

5 结语

为了解决目前基础力学教学中存在的问题，使其适应工程教育的人才培养目标，培养学生解决实际工程问题的能力，在教学过程中要有意识地培养学生的工程素养。基础力学课程的教学改革正是基于应用型人才培养的一次尝试。课程改革需要反复的探索和实践，课题组将继续开展并深化基础力学课程的教学改革，使其利于应用型人才培养模式目的实现。

[1]车金如,齐晖,马永郑,等.基于CDIO理念的TM-CDIO理论力学教学改革的探索[J].宁波工程学院学报,2013,25(2):74-78.

[2]杨开云,白新理,刘云,等.理论力学课程教学改革与实践[J].华北水利水电学院学报,2008,24(3):104-106.

[3]吴立军,王瑞金.面向应用型人才培养的理论力学改革与实践[J].浙江科技学院学报,2008,20(2):133-136.

[4]杨亚平,沈海宁.土木工程专业理论力学教学改革刍议[J].高教论坛,2009(3):95-96.

[5]李为虎.一种工科理论力学教学模式的构思与实践[J].力学与实践,2010(3):126-127.

G642.0

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1671-489X(2016)02-0117-03

*项目来源：山东省高等学校教学改革重点项目“面向工程教育专业认证的地方高校机械类专业人才培养模式改革与实践”（基金编号：2012047）。

作者：王明禄，齐鲁工业大学机械与汽车工程学院讲师，研究方向为功能梯度材料结构的力学性能；许崇海、魏高峰、周泉，齐鲁工业大学机械与汽车工程学院（250353）。