浅谈大数据时代土木工程专业本科理论力学课程教学改革

陈磊磊，程茹荟

(信阳师范学院，河南 信阳 464000)

科学技术的发展和互联网的普及给大数据的发展提供了良好的环境[1],数据本身没有价值，但如果将获取的所有信息进行大数据分析和应用，就会产生无限的价值。当前社会对于能够适应大数据时代发展的现代化科技人才需求量较大，急需具有大数据思维、能够利用大数据分析处理问题的人才。在本科教育中，课程是培养人才的主要途径，所以大数据时代的课程改革是十分必要的，理论力学课程也不例外。

理论力学是基础力学学科，学习该课程可以为材料力学、结构力学、弹塑性力学的学习打下坚实的基础，同时该课程本身的严密性和强大的逻辑性也可以锻炼学生的科学素养。所以学好理论力学这门课程是每个学生必须达到的目标。但是在木工程专业理论力学课程教学实践的过程中还存在许多问题，在某种程度上没有很好的把握大数据时代的契机，所以大数据时代理论力学课程的教学改革势在必行。

1 《理论力学》课程教学现状以及存在的问题

教学课程的三大主体是课堂、教师和学生，课堂是教学活动的载体，教师在课堂中起到引导作用[2]，学生是课堂的主体，三者必须相互协同，充分发挥各自的作用才能保证教学的顺利实施。

通过对2018级土木工程专业两个教学班理论力学课程的学习情况进行调查，制出了相关统计图如(图1)所示。其中只有8%的学生表示对理论力学很感兴趣，掌握的“很好”，50%的学生表示掌握的“不太好”和“不好”。

图1 2018级土木工程专业理论力学课程学习情况

针对上述调查结果，将从课程教学、教师、学生以及课程最后的考核方式四个方面查找问题，为后续的教学改革提供依据。

1.1 课程教学存在的问题

理论力学课程共72学时，18周，除去考试2周，共64学时。其中每周前三节为教师讲授，第四节为习题课。理论力学课程理论性较强，公式推导过程繁琐，三节课均为教师讲授，使得学生失去了很多自主思考的空间，也没有足够的时间来引入与课程相关的最新科研成果和学术动态，课时分配不合理。另外，教学课程理论与实践联系不够紧密[3]。课本上大多内容都是抽象简化的示意图，这对于没有实践经验的学生理解较为困难和抽象，没有很好的将理论和实践相结合。

1.2 学生方面存在的问题

理论力学课程安排在学生入学的第一学年，大多数学生对高等数学、大学物理课程的相关知识掌握不够牢靠，基础不够扎实，可能会因为一个简单的数学公式不理解就渐渐失去了学习的兴趣。每次涉及到公式推导，很多学生就会失去耐心，甚至产生畏难心理。另一方面，大多数学生缺乏主动性，只是在课上时间听老师授课，课前的预习和课后的练习反馈做得不到位，对知识的不熟悉，理解不够，应用相关知识去解决问题较为困难。

1.3 教师方面存在的问题

教师在教学过程中，教学模式单一，通常采取“PPT+板书”的教学方法，满堂灌，没有意识到教学环节中学生的主体地位，导致学生经常被动的接受知识，没有发挥学生的主观能动性，与提高学生的工程素养的目标不符。

1.4 考核方式存在的问题

课程的考核方式为期末考试、平时成绩占总成绩的70%、30%。期末成绩的大比重导致了学生不注重平时知识的积累，临近期末考试突击复习，临时抱佛教只为应付期末考试的现象较为常见。同时，无法综合全面的反应学生的真实学习情况，教师也无法根据学生的学习情况适时的调整自己的教学方法。

2 《理论力学》教学改革的必要性

2.1 大数据时代高校教学改革的需要

教育部“高等学校教育质量与教学改革工程”提倡深化教学改革，全面提高高等教育质量，它与"卓越工程师培养教育计划"相配合[4]，对增强工程人才的核心竞争力具有指导意义。在大数据时代背景下，《理论力学》的教学改革不仅是课程改革的需要，也是高等学校教学改革的必然性需求。

2.2 大数据时代培养高质量的工程人才的需要

随着大数据时代的悄然到来，各行各业的竞争日益激烈，社会迫切需要大量的高层次、高质量的数据人才投身国家的振兴战略中去，尤其是工程领域，对人才质量的要求越来越高。《理论力学》课程作为工程相关专业的基础力学课程，也应该以此为目标，借助其课程严谨性、逻辑性和科学性等特点，着重培养学生的工程素养，提高学生的分析问题、解决问题的能力，为国家的建设输送高质量的现代化科技人才。

2.3 大数据时代课程自身重要性和发展的需要

《理论力学》这门课作为土木工程专业的三大力学之一，是学好后续课程的基础，其地位的重要性决定了对其进行改革的必要性。完善教学改革也是课程自身发展的需要，发展促进改革，改革需要发展。只有这样，才能够提高学生学习的积极性，培养其各方面的综合能力，进一步促进教师教学能力的提升，提高课程的教学质量。

3 《理论力学》课程教学改革措施

要注意的是，教学改革的实施者是教师，实施的对象是课堂、学生、教师本身和教学中存在的其他问题，教师必须针对每个改革对象实施相应的措施。以下将从四个方面进行改进(图2)。

图2 大数据时代下理论力学课程教学改革措施的几个方面

3.1 合理分配课时，理论联系实际

将之前的每周前三节教师讲授，第四节习题课改为前两节为教师讲授，第三节为复习讨论习题课，最后一节为课外拓展。调整课时之后，原本三节讲授课被压缩为两节。这种情况下就需要教师根据大纲需求，有些内容精讲，有些内容就可以一带而过。采用多媒体教学充分利用课堂时间，信息量大的特点刚好弥补了教师授课时间压缩的情况。例如一些复杂的图形可以用多媒体来呈现，不仅减少了手工作图的时间，也使得呈现给学生的图形更加直观形象易于理解。第三节课留给学生。教师需要适当的引导学生复习讨论的内容，还可以给出一些与本节课内容相关的典型例题，让学生讨论作答，复习巩固知识点，这样也避免了一部分同学只是听懂不会应用的现象产生。加上适当的随堂小练习，学生从学习，到自主思考，再到应用所学知识解决问题的过程都有参与，这样学到的东西才真正是自己内化的理解。最后充分利用第四节课，结合大数据的时代背景和该课程领域的发展现状，通过媒体等多种形式向学生展示一些理论力学近期的学术会议和科技前沿，尽早培养学生的科研触觉和思想，调动学生学习的积极性。

针对该课程理论与实践脱节的问题，教师可利用多媒体教学给学生展示一些和本节课主要内容相关的工程实例，通过视频、照片等形式清晰展示工地现场，给学生身临其境的感觉。同时也让学生在学习课程内容之前就清楚的认识到，所学的内容可以如何应用到工程实际中，增强学生理论联系实际的能力。

3.2 因材施教，注重全过程学习

在授课之前，教师可利用大数据简单分析每个学生的学习情况，分析其产生差异的相关性原因，尽可能做到因材施教。充分了解学生的基础水平，对高等数学、大学物理等课程的掌握情况，根据学生的实际情况做必要的知识补充，以改善后续课程的学习效果。针对部分学生存在畏难心理的问题，教师可在第三节课开展随堂小练习。合理设置练习题目的难易程度，在练习的过程中教师可适当的引导学生，让学生尝试亲自动手去解决问题，在学生独立完成之后教师可对题目进行详细的讲解。同时善于借助语言的魅力，多鼓励学生，再难的问题都是靠人一步一步解出来的，培养学生的自信心。

另外，大数据时代下衍生的各类线上课程和数据平台为学生课外的学习提供了十分便捷的途径。教师可以筛选出符合该课程教学目标的网络课程和课件资料供学生课前预习，学生预习的成果大大提高了听课的效率。同时布置线上的习题供学生课后巩固练习，并按照规定的时间提交给老师作业结果。既监督了学生课后的巩固练习，也符合大数据时代下的人才培养策略。

3.3 合理选择教学方法，提高自身专业素质

教师需要合理选择教学方法，比如采用启发式教学，多问学生为什么，在讲解某个例题时，备好设问方案，对解题思路设置一系列问题，环环相扣，由教师设问引导，学生主动参与思考问题，师生之间形成了良好的互动，一改之前满堂灌的传统教学方法，提高了学生的主观能动性。

教师作为传道授业的解惑人，不仅需要在教学方法上做调整，还需要从深度和广度两个方面，努力提高自身的专业水平。一方面要加强本专业理论课程的学科研究，归纳总结教学方法，生成最适合本专业学生学习的教学经验。另一方面，教师应借助大数据时代背景，广泛学习大数据给理论力学领域带来的宝贵资源。大数据分析是人工智能的基础，机器学习作为人工智能的核心，其神经网络算法在力学中有广泛的应用[5]。针对实际工程问题中存在的大量非线性力学现象，利用神经网络的非线性映射能力，可以在结构优化问题中得到比一般方法更精确的解。另外，大数据分析还是一门研究不确定性的技术，传统的力学中我们研究的通常是连续的或是小数据分析，得到的是确切的结果。当数据足够多的时候，对数据进行全方位、多维度的分析就可能发现之前没有发现过的规律，促进学科的发展和变革。与此同时，教师才能够将自己的所学所悟更好的传授给学生，让学生更好的了解大数据时代带来的机遇和挑战，从而提升自己的能力，真正成为大数据时代的科技人才。

3.4 考核方式多元化

考核是评价教学质量的最终手段，要想得到尽可能贴近真实的教学质量反馈，合理有效的考核方式是十分必要的。为了能够及时发现教学中存在的问题和学生的学习动态，将期末考试成绩的比重由70%降为60%，平时成绩的比重由30%提高到40%。40%的平时成绩分为出勤率、回答问题情况、线上线下作业完成情况和课程小论文。提高平时成绩所占的比重使得学生更加注重平时课堂的学习和积累，而不是临近期末抱佛脚，即使平时不学习期末突击一下也可以拿到不错的分数。其中出勤率可以反应学生上课的积极程度，回答问题情况和线上线下作业完成情况可以实时反应学生的学习状态。课程小论文作为课外学习的一种新方式，学生可以自由选材，可以是学习本课程的心得体会，也可以是分析理论力学中的某个公式和现象。考核方式的多元化在很大程度上可以更全面的反应学生的各种素质，也培养了学生注重结果的同时也注重过程的学习思想。

4 结语

结合大数据时代土木工程专业本科《理论力学》教学过程中存在的问题，分析了对其进行教学改革的必要性。将大数据时代的技术平台和思想融入教学过程中，合理分配课时，理论联系实际，充分了解每个学生，努力提高自身专业水平，并采取多样化的考核方式，这样的改革方式在实际教学中取得了很好的效果。但我们不能止步于此，在今后的教学过程中，要立足大数据时代背景，切实结合学生的动态和课程发展的需要，不断地改革完善，以期为国家和社会输送更多高质量、高层次的现代化科技人才。