力学课程教学模式优化探讨

黄林冲 梁基冠 马建军 梁禹

[摘 要]传统力学课程教学体系中存在着实验与课程内容教学分离、力学课程教学与模拟仿真分离以及难以激发学生学习热情三个问题。为解决上述问题，提升教学效果，适应“双一流”建设的新形势，文章提出一体化力学课程教学模式，通过采用一体化的教学模式，将实验、教学、模拟仿真有机结合，辅以一体化的考评方式，有助于提高学生的学习热情，培养良好的力学思维。

[关键词]力学课程;一体化;双一流;教学模式

[基金项目]2016年广东省高等教育教学改革项目（粤教高函〔2016〕236）;2017年广东省新工科研究与实践项目（粤教高函〔2017〕170）

[作者简介]黄林冲（1980—），男，湖北咸宁人，博士，中山大学教务部教务管理处副处长、航空航天学院教授、博士生导师，主要从事工程力学的教学与研究;梁基冠（1993—），男，广东阳江人，中山大学航空航天学院2020级力学博士研究生，研究方向为岩土力学。

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）32-0186-03[收稿日期] 2020-02-12

一、引言

我国高校的“双一流”建设正在如火如荼地展开，为实现“双一流”建设的目标，各高校和学科必须根据学科发展的科学规律，结合自身的特点及现阶段教学中存在的问题进行课程改革和优化[1]。力学课程在机械、土木、船舶、航空航天、水利水电等专业教学中，具有承上启下、夯实专业基础、建立良好力学和抽象思维的重要作用[2]。通过力学课程的学习，使学生初步具备依靠力学基本原理，将实际问题抽象成为力学模型（如图1所示），并通过求解相应的力学模型将实际问题解决的能力[3，4]。

但在现阶段的教学实践中，本科教学学时减少使得课程内容安排不合理，造成学生掌握程度不高、学习热情降低等问题[5]，严重地影响了力学课程的教学效果和相关专业学生的培养质量。为解决这一问题，高教领域内的管理者[6]和教学工作者[7]经过长期的实践和研究，认为激发学生的学习热情，转变学生的学习观念至关重要。另外，在教学过程中，学生力学思维的培养和实践能力的提升，也是解决问题的重点和难点。为达到提升力学课程的教学效果，优化力学课程教学模式，促进“双一流”建设，本文作者在多年力学教学实践经验和总结前人研究[4，8，9，10，11]的基础上，提出了“一体化”力学课程教学体系。该体系将课程内容教学与探究性课题研究、课程实验以及计算机模拟仿真等结合起来，综合培育学生的力学思维和动手能力，并提出一体化的考核方式，以达到优化现有力学教学体系，提升教学效果和学生综合素质的目标。

二、现有力学课程教学体系

经过多年的实践，我国高校中的力学课程，包括理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学以及考虑各专业实际问题的土力学、建筑力学、工程力学等力学课程的教学体系都存在着一个问题，即课程内容的教学和实验的分开教学，如图2。由于教师精力和资源分配等限制，分别安排不同的教师负责课程内容教学，并另外安排教师负责实验操作的教学，课程内容和实验操作的考核也是分开的。在传统的力学课程教学模式中，课程内容的考核由平时作业和期末考试来实现，而实验课程的考核则主要为实验课教师对学生实验报告进行检查和评分。

这一教学体系中，课程内容教学和实验教学实际上是分开的，课程内容的教学和实验操作的考核也采取了不同的标准。这样一来，不易让在学生潜意识中将实验现象和课程中的内容结合起来，也不利于学生形成力学思维[2，12]。但力学思维的形成是力学课程教学的重要目标之一，是各个专业的学生学习力学的重要目的。

另外，在现有的力学课程教学体系当中，模拟仿真这一将力学原理和动手操作紧密结合的过程几乎在教学实践中游离于这一体系之外。在此情况下，模拟仿真相关课程会放在高年级（大三大四）进行单独教学，以基本的弹性力学概念介绍为铺垫，后续主要为某一两种商用软件的操作教学。而在另一些情况下，则安排单独的模拟仿真课程与力学课程在同一阶段展开。无论是上述的哪一种安排。模拟仿真这一重要环节基本上游离于力学课程体系之外。

三、现有力学课程教学体系不足

正如以上的描述，现有力学课程教学体系与有关专业的人才培养目标以及力学课程的教学目标差距较大，其不足之处主要有三点：

（一）理论知识与实验操作分離

在力学中，大多数的力学模型皆是从实际现象中抽象出来的数学模型，通过求解和修正数学模型，得到可以较为有效模拟实际现象的力学模型并用之指导工程实践。现有的力学实验大多属于反映基础力学模型和力学概念的经典实验，这些实验设置的基本目的就是令学生通过实验操作，通过观察实验现象体会教材中的所建立的基本力学模型的思想和方法。然而由于教材内容教学和实验操作往往分离成两个体系，实验室和课堂在时空上的距离较远，无法有效地促进学生将理论和实践结合，并建立良好的力学思维这一目的。反之，由于两者的分离，使得学生更容易产生厌倦感和应付心理，学习热情的降低造成了课程教学效果的降低。

在大多数时候，由于考试的存在，使得学生更加“重视”课程内容的教学，而对于难以量化考核的实验课程的重视程度则不够，所提交的实验报告也往往难以反映学生对实验操作和其中思想的理解。另一方面，由于考试成绩可以量化，也使得部分学生采用“刷题”“背题库”等所谓“捷径”通过考试或取得好成绩。这样一来，考试作为量化反映学生掌握程度和教学效果的方式也无法达到目的。

实验操作和课程教学的分离使得考核指标无法准确反映学生的掌握水平和教学效果，也不能有效地帮助学生逐步建立良好的力学思维。

（二）模拟仿真无法有效与力学课程教学结合

随着现代科技的发展，计算机算力不断增加，这为采用计算机模拟现实环境，并弥补试验研究由于成本和条件限制无法深入的缺点提供了有效的解决方案。对于力学课程的教学，由于相关的实验内容往往着重经典且简单的实验，对于较为复杂的力学模型，难以安排相关的实验操作。计算机模拟仿真的应用则可以较好地解决这一难题，通过鼓励学生应用各种模拟仿真软件，将实验室“转移”到计算机上，应用计算机来模拟各种工况，一方面学生通过模拟仿真程序可以加深对基本力学概念的理解，另一方面也有利于提高学生的动手能力。

而在当前的力学课程教学体系中，由于模拟仿真这一重要环节长期游离于力学教学—实验操作这一体系之外，等学生开始学习模拟仿真软件时，可能已经忘记了相关的力学概念。如此一来，很多时候学生只是将模拟仿真的学习当成了另外一种形式的考核或者考试，并不能激发起学习热情。

另外，模拟仿真游离于课程体系之外造成的另一个不良后果，就是学生往往无法真正理解模拟仿真的作用，只是着眼于具体的模拟仿真软件的操作，无法深入理解模拟仿真过程中包含的力学思想。

（三）课程体系无法有效激发学生的学习热情

在现有的教学中，理论部分的教学一般都是采取老师在课堂上讲授内容，学生课后通过完成作业来巩固学习，遇到问题再由教师进行答疑的方式。实验教学部分则由学生先预习实验步骤，实验教师在学生操作前讲授操作方法和注意事项，此后由实验教师从旁指导学生操作，课后由学生根据实验结果来撰写实验报告。这样的力学课程安排往往需要教师使用丰富的教学技巧和教学经验来激发学生的学习热情，否则容易造成学生注意力不集中，随着课程内容难度增加而逐渐丧失学习热情。

四、“一体化”力学课程教学体系

为解决传统力学课程教学体系的问题，本文提出了“一体化”力学课程教学体系，如图3所示。所谓的“一体化”，就是将课程内容教学与力学实验课程和之前游离于力学课程教学体系中的计算机模拟仿真有机结合起来。

为了解决传统力学课程教学体系中的学生学习热情降低和参与感不足等问题，充分调动学生的学习热情和主观能动性，将探究性课题的研究加入力学课程教学体系中。前人研究表明[8]，通过将学生分组并安排不同的与课程内容相关的探究性课题，利用学生的主观能动性和参与感，可以有效地激发学生的学习热情。通过探究性课题研究的开展，让学生在研究中应用所学的力学知识和实验操作技能，并主动地开展模拟仿真和数值实验。

如此一来，传统力学课程教学体系中游离的模拟仿真这一重要环节将被并入力学课程教学体系中。由于模拟仿真的学习和运用具有明确的问题导向，学生将在模拟仿真的学习和应用中明确地以力学问题抽象、力学建模和求解这一主干过程为核心，以软件的学习和应用为手段。以往单纯地以软件操作为导向的模拟仿真学习将被更为主动且注重力学思维培养的模拟仿真学习所替代，学生的学习目的性和参与感加强，学习热情也会提升。

在“一体化”力学教学模式中，以往单纯的验证性实验将扩展为验证+探究性实验，通过验证性实验掌握操作过程，而探究性实验的开展将围绕着学生分组课题的推动而进行，以解决问题为目标，推动学生逐步地建模、求证和仿真，在此过程中逐步培养出良好的力学思维。

课程内容的教学作为传统教学的重点之一，在“一体化”课程教学体系中将具有重要的作用，由于探究性课题的驱动作用，合理地设置和安排探究性课题，并将课题与教学内容紧密连接，通过课程的教学，帮助学生掌握解决课题所需的必要力学知识和思维方法。利用课题的目的性，激发学生的学习热情和课堂参与程度，最终提升教学效果。

与“一体化”力学课程相匹配的是“一体化”的课程考核方案，在此框架之下，整个力学课程的评分由课程最终考试成绩、探究性课题汇报表现、探究性课题研究贡献、平时课堂参与程度等按照不同的权重组成。而实验部分的成绩将包含在探究性课题的各个部分之中，引入课题贡献这一评价标准有利于提升学生在整个课程学习过程中的参与感和热情。与以往实验分开打分相比，这一评价体系将有助于培养学生良好的力学思维和提升参与度。

五、结语

本文针对传统力学课程教学体系实验与课程内容教学分离、力学课程教学与模拟仿真分离以及难以激发学生学习热情这三个问题，提出了“一体化”的力学课程教学体系，以适应“双一流”建设的要求，提升教学效果并帮助学生培养起良好的力学思维。“一体化”的力学教学体系将课程内容与探究性课题小组研究进行有机结合，将课程知识与解决实际问题相融合，通过引导学生积极设计和参与实验求证，主动学习和应用模拟仿真方法，将传统力学教学体系中的三大难题一起解决。进一步地，通过建立与之相适应的“一体化”课程考核方案，将有效地提升学生的参与程度和学习热情，提升力学课程的教学效果，培养学生良好的力学思维。

参考文献

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