新工科建设背景下“理论力学”教学普适性探索

田荣燕，严李强，刘宁波

（西藏大学 工学院，西藏 拉萨 850000）

“新工科”是在不断变化的国际国内经济社会发展进程中提出的我国工程教育改革方向。新工科建设是针对我国工程技术发展在教育领域的适时调整而提出的指导性方针政策。“新”的内涵和外延根据各学校、各专业的发展而呈现不同的特征。社会发展对传统产业的改造以及高新技术的运用，需要对传统专业进行改造，提出较为普适性的改革措施[1]。普适性措施强调通识教育与专业教育课程的有机结合，建立综合课程教学模块[2]和更完善的教学体系，培养更宽泛的工科人才。在课程建设方面，重点突出现代工程专业的实践教育环节，体现工程主体，鼓励学生在实践中发现问题、积累经验[3]，能够让学生自主学习和自我学习。

西藏是我国少数民族聚居的地区之一，目前西藏的教育水平与全国平均水平相比仍有较大差距。在师资和学生基础较差的情况下，如何提升工科教育水平，培养更多、更优秀的人才服务于西藏社会经济建设，是目前西藏高等教育的重要任务。为适应全国新工科建设进程，寻求较为普适的本土高等教育发展模式，对一般性的课程建设进行探索是有必要的。本文以工科基础课程“理论力学”教学为研究对象，将课程内容与新工科建设密切联系，为传统课程的教学找到较为广泛适用的教学模式和方法。

1 传统“理论力学”教学存在的问题

“理论力学”是学生进行专业学习中接触到的第一门力学相关课程，课程的教学内容较多，除基础力学知识体系的构建外，在专题教学部分的拉格朗日方程、碰撞和振动基础等内容需要更多的数学和物理基础知识储备，教学内容多而枯燥。用传统的教学方法讲授“理论力学”课程，学生的学习积极性不高，有些学生还会产生厌学情绪。根据对2017级土木工程班级学习“理论力学”课程情况的调查，只有 6%的学生表示很好地掌握了该门课程，而认为掌握得“较不好”和“不好”的学生占调查样本的70%（见图1）。出现这种情况的原因在于：

（1）“理论力学”教材中的一些概念缺乏新的表述，学生在学习中难于理解与高中阶段学习的力学知识的不同点，对相关知识点感觉似熟悉，但又没有掌握；

（2）解题思路与步骤的固化，缺乏一定的变通，因而无法达到教学的要求；

（3）学习中缺少与实践的应用联系，根据一项调查显示，绝大多数学生将学习的重心放在应对考试上，思维得不到发散，学习面狭窄；

（4）专业教师的力学“功底”不强，不适应教学的多样性与实践性[4]，仍沿用传统教学方式，缺乏教学方法的变化，使教学过程变得枯燥。

图12017级土木工程班学习“理论力学”课程情况

2 对传统教学方法的改进探讨

课程教学的目的是帮助学生建立起本学科的知识体系，并将所学知识运用于实际生活和工作中。要达到这样的目的，完全依靠教师的课堂讲解是很难达到的，需要让学生在学习过程中掌握充分的主动性，教师则需要充分调动学生在学习上的主观能动性。以土木工程专业的教学为例，针对目前“理论力学”教学过程中存在的相关问题，可以从以下几方面入手来提高学生的学习积极性。

（1）根据土木工程专业的后续课程内容，以够用为原则，结合专业特点适当减少授课内容。将“理论力学”课程三大板块教学内容调整为：①静力学部分，包括静力学基本定理及受力分析、平面力学、空间力学及重心；②运动学部分，主要介绍点的运动学分析方法、刚体的简单运动及平面运动分析并简单介绍点的合成运动；③动力学部分对后续课程的作用较大，教学难度也较大，以专业够用的原则主要讲授质点动力学微分方程、达朗贝尔原理和虚位移原理[5]。通过对“理论力学”基础知识化繁为简地讲解，可以让学生构建工科专业学习中必需的力学体系，调动多数学生的学习积极性。

（2）增加教学的逻辑性，提高学生的认可度，利用新的视角和方法来理解力学中的相关问题[6]。从调动学生的学习积极性和参与度出发，通过学生自学、研讨和科学研究3种学习方式，让学生在实践中认知学习并不断地内化学习，提高学习水平和知识掌握水平，也激励任课教师不断提高个人知识水平和业务能力[7]。这种教学方式的强度较大，可以设计适合不同水平的教学内容，注重知识逻辑性的疏导。“理论力学”的逻辑性较强，在课堂教学中可以采用比较-分类、归纳-演绎、分析-综合等方法将教学知识点进行划分，提高学生的学习效率[8]。

（3）良好的教学情景和互动环节是提高课堂气氛的重要途径。增加小组讨论环节，在设定的讨论课题中，充分激发学生参与课堂讨论的积极性和学习兴趣，培养学生独立思考的能力，达到主动学习的状态[9]。通过分层教学，把因材施教提高到可操作水平，使学生都能在原有基础上提高一步，以适应素质教育的要求，达到教学最优化，全面提高教学质量。

（4）改革考核模式，提高学生在课堂学习中的区分度。注重对学生学习过程的考核，减少期末集中考试在学生成绩评定中的权重[10]。通过对课程教学过程中各个环节的考查，提高学生学习的持续性。将学生实验、实践、课堂讨论、课后讨论和期末考核成绩按照一定的权重纳入成绩评定，有利于学生不断调整学习态度，提高学生的自我学习能力和学习自觉性。

（5）以赛促学、以学促用，开展学科竞赛，让学生在竞争中寻求力学知识的实际应用。学科竞赛可以让优秀的学生更愿意花费时间探究知识的实际应用。将与课程内容知识相关的比赛融入教学体系之中，通过比赛机制促进和激发学生的学习热情、创新意识与探索精神，增加学生运用知识的能力。

3 新工科人才培养的普适性教学模式探讨

对常规教学方式进行调整，可以在一定程度上提高学生学习“理论力学”的效率。面对工科新的发展需求，学生在全面掌握课程体系的基础上，需要增加所学知识的广度和宽度，寻求多学科交叉融合，让学生有更多调整和发展的空间，在教学内容、教学手段和方式方法上应寻求更多、更有效的措施。从常规教学方式转变为新工科人才培养需求的教学方式包括 5个方面（见图2），需在这5方面进行改进。

图2 新工科人才培养需求的教学模式

3.1 增强知识体系的完整性，合理运用数学工具

分析“理论力学”知识结构，建立适用于土木工程专业的知识结构体系。将虚位移和达能贝尔原理的相关内容提前学习，以加深学生的印象，对后续课程的学习有所助益[11]。在课程选择方面，采用哈尔滨工程大学的由浅入深的教学内容安排，使教学思路清晰、逻辑性强。但在教学过程中，需注意提高学生的自我学习能力。

教学中选择适当的数学工具，可以使学生在后续课程的学习中掌握更多、更全面的知识。构建基本理论模块、数学工具模块和工程拓展模块，简单的数学计算可以采用矩阵，相对复杂的计算可以采用Matlab和 Mathematica工具来完成。通过数学模块的教学，可以尽量快地让学生通过矢量、矩阵和微积分的方法求解理论力学问题[12]。在静力学中，力系的简化、空间力系的平衡、力矩的计算等都可以用矢量进行；在运动学中，点的速度合成定理、加速度合成定理都可用矢量进行推导。运用数学计算软件和图形软件可以使很多力学问题得到更直观的描述，也更便于理解。计算机强大的计算和绘图功能可以将相对复杂的解题过程变得生动[13]。

3.2 理论教学与实验项目相结合

通过购买模拟实验的动画软件、成套的实验装置及自主设计制造等方式，构建“理论力学”相关实验体系。通过专业软件的虚拟仿真实验教学，让学生参与学习的自由度更大，是较为理想的辅助方式[14]。结合学生学习需求，有选择性地开展相关实验项目，同时设计一定数量的开放实验项目，让学生自主参与并完成实验设计，达到研讨性教学的目的，也增强学生对“理论力学”相关知识点的直观认识[15]。在实验项目设定中，注重增强实验教学的开放性、综合性和设计性[16]，利用学科竞赛的环节让学生将所学知识进行综合运用。

3.3 翻转课堂与网络课程、信息化互动相结合

课前、课中和课后对相关知识点进行巩固学习和反复学习，通过线上线/下教学资源及互动，完成翻转课堂教学。教学资源可以利用中国大学MOOC、学堂在线等开设的课程进行学习。学生可以通过 QQ、微信等平台进行讨论。学生成绩评定最好的方式是能够记录学习的全过程。对学生参与网络互动学习给出成绩并纳入学生学习的总成绩，可以在一定程度上提高学生学习的主动性[17]。

随着智能科技的发展，学生通过传统的课堂教学所建立起的“理论力学”知识体系，已不能满足自我学习、自主学习和的创新意识的培养。通过海量的电子教学资源、生动的模拟实验教学和自主设计实验产生结果差异性的探究，可以对学生综合素质的提升产生积极影响，也是一种值得推广的教学方式。

3.4 课程教育与实践相结合

教学内容与工程实践脱节是工科类专业课程目前存在的课堂教学通病。力学与实践相结合可以较好地让学生掌握理论知识，而力学与生活相结合则可以让学生对力学理论知识体系的建立有更大的兴趣。利用校企合作搭建学生实践活动平台，在仿真教学方面采用模型教学，以动态形式展示工程结构的建造、安装等过程，将实物与理论分析简化模型相结合，相对静止的力学过程与动态的实践操作相结合，让学生充分感受实践中理论力学运用于实践相辅相成的过程[15]。例如塔吊的修建和使用、自行车的行驶等都可用“理论力学”的相关知识进行分析，在分析过程中明确力学知识的具体应用；航天器上天，飞机飞行等案例分析可以在理论建立上更直观更生动[18]。应明确“实践-理论-实践”的知识体系建立也是工科专业相关课程体系建立的重要方法。

3.5 采用研究型教学模式

对于开放性课程内容，采用研究型模式进行教学，例如讨论吊车起吊重物发生倾覆及如何防止倾覆的力学问题。研究型课程教学与传统教学方式相比，由强调认知结果到重视对知识的运用[19]，让学生明确是什么、为什么和用到什么地方及如何运用相关知识点。将这种方法贯穿于教学始终，注重让学生充分理解和掌握“理论力学”的实践-理论-实践研究型教学模式。在教学过程中强调以学生为主体、以教师为主导，从学生实际水平出发，兼顾学生的兴趣和成长特点，充分发挥学生的自主性、能动性和创造性[20]。

4 结语

在新工科建设的背景下，有效利用现代教学手段，保持基础教学的根本，在基础教学中又注重新的教学模式应用，为传统教学的新发展提供可以相互借鉴、较为普适性的教学模式。在不同高校基础学科教学方面的比较中，教育水平较高地区的高校对于基础教学更严格，在专业教学上，甚至在研究相关课题中，学生的自我学习和调整能力也是比较好的。现代化教学手段在层次化教学中表现出了更多的优势。