《工程力学》教学改革历程对地方应用型本科院校《工程力学》教学改革的启示

张永生 赵广臣 李建国

山西工程技术学院

1 前言

2 《工程力学》教学改革历程

《工程力学》教学改革大体可以分为三个阶段，这三个阶段在不同的学校发生的时间不一定相同，每个阶段的时间长度也各不相同，但基本都经历了这三个阶段。

2.1 第一阶段

课程改革把“培养现成的专家”作为高等学校本科的培养目标，[1]教学所依据的理论是俄国赫尔巴特学派的教学理论。这个阶段力学课程的教学有以下特点：教学目的是传授和学习系统的力学基础知识和基本技能；教学模式以语言呈现的讲授加习题强化为主；[2]教学内容沿袭苏联教材的系统、完整、理论性强的特点；[3]很多院校的力学实验室条件简陋导致只能开设较少的实验项目。这个阶段的力学教学培养了大批基础扎实、理论素养较高的力学人才，但由于缺乏工程教育和训练，学生在工作岗位上不能充分发挥其力学素养。[4]始于1988年的全国周培源力学竞赛，旨在促进高等学校力学基础课程的改革与建设，增进青年学生学习力学的兴趣，培养分析、解决实际问题的能力。力学竞赛促进了学生将力学基础知识和实践紧密结合。[5]从这个角度看，全国周培源力学竞赛应该是基础力学教学改革的有益组成部分。

2.2 第二阶段

随着素质教育、创新能力的培养、学生个性发展和因材施教等教育观念深入人心[6]，广大教师积极探索与教学观念相适应的教学内容和课程体系。“面向21世纪课程教材”就是这段教学改革的重要成果之一，教材都配有电子课件用于多媒体教学，极大地提高了教学效率。从事力学教育教学的教师在这个阶段也做了相应工作，上海交通大学洪嘉振教授提出了工科理论力学教学“一个基础、两个支柱与三个培养”的新模式。清华大学范钦珊教授删去了偏难偏深的内容，不追求冗长的理论推导与烦琐的数字运算，同时注重加强工程概念，引入了大量涉及广泛领域的工程实例，以及与工程有关的例题和习题，另外还安排了新材料的材料力学内容以开阔学生的视野。北京航空航天大学谢传锋教授的《动力学》体现的模块式设课的特点，通过一些实例介绍了计算机仿真在力学中的应用。一些教学团队还建设了网上共享精品课程，实现了线上教学模式。第二阶段的力学教学与第一阶段相比有以下特点：无论是教学内容中的数值计算还是教学手段中的课件制作，都突出了计算机的应用；主要是通过对教学体系、内容的革新促进素质和能力的培养[7]，在通过改革教学方法培养高素质创新性人才方面也作了探索实践[8]；教学方法仍然以教师讲授为主，主要原因是面向的学生仍然是具有较高自觉性和听讲能力[2]；开始利用互联网发展线上教学；各院校力学实验条件逐步改善，开设了基本的验证性力学实验。值得注意的是从第六届周培源力学竞赛开始，增加了团体赛的环节，强调了实验、研究和动手制作的重要性，考查学生处理实际问题的能力。

2.3 第三阶段

随着我国高等教育规模的不断扩大，生源结构发生了变化，同时电子信息技术在教育教学中普及应用。在课时大幅减少的情况下，如果仍然沿用以前的教学内容和方法，相当数量的学生课堂表现差，学习效果差。在这种情形下，“学生主体，教师主导”、“素质教育”的教学理念和建构主义理论受到重视。为了提高教学效果，一些教师在教学方法上做了有益尝试。文献[9]是通过采用案例教学法活跃课堂氛围，使学生的注意力更加集中，教学取得了良好的效果。文献[10]在信息化环境下实施了翻转课堂，学生多方面能力得到锻炼，但不能保证每个学生都能得到锻炼机会。文献[11]采用“项目引导，任务驱动”的教学模式，整合教学内容，实现“教、学、做”一体化，并注重过程考核，增强了学生的学习自觉性，效果良好。文献[12]基于超星泛雅平台开展了材料力学的线上线下混合型课程，集视频讲授、互动、作业、讨论、过程考核于一体。第三阶段的力学教学有以下特点：教学方法充分体现了“学生主体”的教学理念，注重学生素质教育；教学手段向互联网+发展，充分迎合了信息化时代学生的特点；开发虚拟实验平台，实现线上线下相结合的实验课堂。

3 《工程力学》教改历程思考及启示

3.1 教学内容方面

从《工程力学》教改历程可以看到，教学内容由重理论向重应用过渡，实验课时逐步增加。这有两方面的原因：一是相比《工程力学》的基础性，其应用性越来越被重视，学习力学理论最终目的是为了应用于生产实际，所以在教材中编排了很多应用力学原理的工程问题，来拓宽学生的视野，增强学生应用意识和能力；二是对应用和实验可以加深对力学理论的理解，因为应用和实验包含更多的感性认识成分，有感性认识的基础，更容易上升到理性认识。另外，教学内容进一步精减，主要是一些专业的力学需求和学时偏少。

地方应用型高校《工程力学》教学更加重视应用，学生数理基础和直接认识理论的能力偏弱，学时也偏少，所以更应该坚持精简内容、重应用、重实验的原则。具体措施应该针对不同专业调查其力学知识需求和应用场景，教学内容模块化，工程应用场景化。对不同的专业的《工程力学》教学只安排与其后续课程紧密相关的内容模块和应用场景，并且去掉烦琐的理论推导。这样安排不仅让学生学会了力学知识，而且学会了力学知识在本专业的应用，还与学生的学习能力和课时是相适应的，在笔者所教班级取得较好地教学效果。

之前的实验课基本是安排在理论课后对力学理论进行验证，缺乏吸引力和挑战性，也不符合由感性到理性的科学认知过程，尤其是对于地方应用型院校学生，直接上升到理性认识方面的能力是缺乏的。所以考虑把原来验证性的实验安排在相应理论课的前面进行授课，这样学生的学习积极性大大提高，对之后的理论学习促进效果明显。在整门课程结束后安排一门设计性的实验选修课来拔高部分学生的理论应用能力，使理论学习得到升华，这也符合学生群体能力分布规律。实验选修课内容可以从周培源力学竞赛的历届的实验题目中选取，考虑到对于地方应用型本科院校的学生难度稍大，可以在实验现场根据学生表现做适当提示。

需要意识到依托于信息化的虚拟实验只能作为现场实验的有益补充，起到预习实验或弥补设备不足的作用，绝不可能完全替代现场实验。虚拟实验只是程序代码的选择性执行，不会发生实验错误、仪器故障、实验误差等，而这些对于提高学生的实验素养是至关重要的。

3.2 教学方法方面

由《工程力学》教学改革的历程可以看出，讲授法因为其传授知识简捷而高效一直被当作主要教学方法使用，能将《工程力学》大量的教学内容在有限的学时内传授给学生。如果学生有较强的数理基础和学习自觉性，使用讲授法可以取得很好地教学效果。地方应用型本科院校《工程力学》学时比以前有很大压缩，但是必要的教学内容还是比较多的，从这个角度来说，在教学中较多地使用讲授法是有必要，尤其是一些认知难度较大的内容还是应该以讲授法为主。比如应力状态分析、强度理论、压杆稳定理论。

为了避免车牌图片倾斜对之后的扫描以及识别操作造成影响，需要对车牌图片进行角度矫正。由于车牌边框会对字符分割产生或多或少的影响，去掉车牌边框，进一步缩小分割的范围，可以提高分割的成功率。

从《工程力学》教改历程可以看到，案例法得到了重视，这是因为讲授法不利于学生能力的培养，容易抑制学生的独立性、主动性和创造性。学生单纯听教师讲授的认知过程，很多认识节点间的过度障碍都是教师代为完成，学生越来来依赖教师。这种缺乏自主思维获得的知识是不牢固的，应用知识解决实际问题就更谈不上了。应用型本科院校培养目标是培养高素质的应用型技术人才，主动地、创造性地应用知识解决生产中的问题就是高素质的体现。为了培养学生的应用能力，必须采用新的教学方法，比如案例法、讨论法、启发法、演示法等有利于促使学生思考的方法。

任何一种教学方法都不是万能的，都有其适用范围和条件。教学方法的选取应该灵活把握，根据教学内容的特点和学生的特点选择一种或者多种方法的组合进行教学才能取得良好的教学效果。笔者在教学过程中通过“开放案例引导、学生讨论互助、教师适时讲授”的复合教学法，明显要好于单一教学法。

3.3 课堂模式和考核

从《工程力学》教改历程可以看到，翻转课堂与混合课堂逐渐受到重视。翻转课堂的实质是教学观念改变导致的学习流程的改变，之前的教学“信息传递”在课堂由教师讲授传递给学生容易遮盖思维障碍，“吸收内化”在课下无教师辅导情况下进行容易卡壳失败。对于应用型本科院校的学生在学习《工程力学》时，这种情况表现尤为突出。翻转课堂对学习过程进行重构。“信息传递”是学生在课前进行的；“吸收内化”是在课堂上通过互动来完成的，教师能够在课堂上给予有效地辅导，同学之间的相互交流更有助于促进学生知识的吸收内化过程。所以翻转课堂非常适合地方应用型本科院校《工程力学》教学，结合上文，采用复合教学法与翻转课堂结合是和很好地改革措施，笔者的教学实践地证明了这一点。

线上线下混合型课堂就是信息化背景下的翻转课堂，通过基于互联网的APP线上资源功能开展了课前“信息传递”。师生线上交流，消除疑问。用APP 可以智能地统计学生平时的学习活跃度和参与度作为过程考核的依据。这是一个潮流和趋势，尤其是对于地方应用型院校的学生，这样的混合型课堂可以极大地提高学生的学习自觉性。

基于互联网APP 进行过程考核，主要是侧重于考核陈述性的和程序性内容的学习过程和效果。比如视频资源的学习情况、概念公式的学习情况都会被类似“学情统计”功能智能统计，原理应用过程考核可以通过“测验作业”功能进行统计。

但是对于策略性知识的过程考核，这类APP 是无法进行统计的。创造思维策略知识往往是因时、因人、因内容而异的一个解决问题的推理过程，难以程式化和学科化。之前的《工程力学》教学改革并没有重视策略性知识的学习和考核，但对于培养高素质应用型人才又至关重要。笔者在教学过程中通过“开放案例引导，教师适时启发，学生组内讨论”的复合课堂模式来促进学生学习策略性知识，根据课堂的表现来考核其策略性知识的掌握情况。

4 结语

通过分析《工程力学》教学改革历程的特点，在教学内容、教学方法、课堂模式及考核方面给出其对地方应用型本科院校《工程力学》教学改革的启示。本文在教学实践中做了相应的改革，教学效果证明这些启示是非常有益的。随着广大力学教育工作者对力学课程教学改革认识和实践的深入，一定可以提出更加先进的教改理念和更加有效地改革措施。