新工科建设背景下理论力学课程教学改革探究

王士龙，江 涛，曹现雷

(安徽工业大学 建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243002)

一、引言

未来新兴产业和新经济对工科人才在实践能力、创新能力、国际竞争力等方面提出了更高的要求，这类高素质复合型“新工科”人才除了在某一专业领域上学业精深之外，还应具有“学科交叉融合”的特征[1]；不仅要能够运用所掌握的知识去解决现有的问题，还要学习新知识、新思想、新技术去解决未来发展中出现的新问题，对未来技术和产业起到引领推动作用。新工科建设以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，以培养未来多元化、创新型卓越工程人才为目标[2]。在新工科建设理念的引领下，工科类课程教学必须改革以应对工科专业建设和工程人才培养的新要求。

理论力学是研究机械运动的一般规律，阐述力学中最基本的理论，是工科专业中理论性较强的技术基础课，它既是各门后续力学课程(如材料力学、结构力学等)和相关设计类课程(如混凝土结构设计原理、钢结构设计等)的理论基础，又是一门具有完整体系并继续发展的独立学科，在许多工程技术领域和科学研究中有着广泛的应用。但是，由于理论力学课程具有概念多、理论性强、解题灵活以及数学公式推导繁琐等特点，在传统的教学模式下，往往会出现课堂效果不理想，学生学习积极性下降，成绩分化严重等问题。此外，在新工科建设大力推进的背景下，作为众多工科专业的领路课程，理论力学的教学模式迫切需要变革以适应新时期人才培养的目标。

二、传统理论力学课程教学存在的问题

(一)教学内容抽象，与工程实践脱节

理论力学作为力学类的基础课程，具有内容抽象、概念多、公式繁多等特点，因此，对于教学内容的编排不仅要符合认知规律，还要让学生对知识脉络有清晰的认识，能够积极主动参与其中[3]。理论力学的另一显著特点是几乎所有的力学模型都来源于具体的工程实际，这也是力学类课程与工程实践密切联系的基础。在对内容讲授时除了对提炼的数学模型进行逻辑上的严密推导分析，还应着重强调与之相应的力学模型提炼过程，让学生明确概念的来源及其应用场景，了解计算模型的提炼简化思想，从而增强学生解决实际工程问题，尤其是对于非力学专业的学生而言更为重要。国外的理论力学教材内容，所涉及到的配套例题、习题几乎都有相应的工程应用实例来佐证，这样就使得理论知识不再是空洞的概念和公式，学生往往会主动探索解决实际工程问题的途径和方法，对所涉及到的知识原理更容易理解、掌握。目前，我国不少工科院校使用的理论力学教材大多沿用哈工大理论力学编写体系，这类教材内容比较充实具体，兼顾了不同专业对力学基础知识的要求。尽管对不同专业授课时可以根据专业需要、学时的多少来进行详略取舍，但教材所列举的工程实例往往不具有代表性和针对性，如对于土木工程专业学生而言，在学习动力学部分的内容时就显得比较困难，教材中所选案例多为机械结构，而这些与土木工程专业契合度相对较低。因此，需要结合专业性质，对课本原有的内容进行整合，引入更多与本专业相关的工程案例来完善课程内容的构建。

目前理论力学课程的教学主要侧重于力学基本概念和原理的讲解，并结合简化的工程算例进行巩固强化，少有开展工程实践探索、仿真虚拟操作、课题任务活动等实践性教学环节，尤其是对于少学时的非力学专业，偏离了力学类课程与技术专业“工程化”的核心，无法满足课程教学的要求。

(二)授课模式单一

以面授为主的课堂教学模式是目前采用最为广泛的教学方式之一，在讲解完一个知识点后补充相关习题，让学生课堂练习，通过查看学生解题的出错思路，与学生面对面的交流，能够更为直接地了解学生的知识点的掌握情况，有助于培养学生解决问题的规范性、思考问题的逻辑性[4]。但面授为主的教学方式往往使学生处于被动接受的局面，且无法顾及不同层次学生的需求，缺乏个性化的培养方案。此外，传统的授课模式过于强调教师的主导地位，教与学的互动较少，满堂灌输的局面尤为常见。对于概念众多、环环相扣的力学课程而言，以单向知识输出为主的教学模式，学生积极性不高，课堂效果不理想。

(三)课程考核评价方式不灵活

作为专业基础课程，理论力学课程大多沿用“平时成绩”和“期末统考”相结合的模式来加以考核评价。平时成绩占比较低(≤30%)，期末统考则由授课教师根据培养方案的要求自主命题。这种考核方式能够直观反映学生对该课程内容的掌握程度，如基本概念的理解、力学模型的简化分析、数学模型的建立求解等。基本上，该考核模式能较为客观反映学生对理论知识的把握以及学习态度情况。但就评价学生的综合能力而言，这种量化的考核方式缺乏全面性。比如，考题往往是围绕某一个或者几个知识点的高度简化模型，难以训练实际复杂工程问题的分析求解过程。此外，在学科间的交叉融合、理论实践相结合、文献调研以及沟通协作等能力上无法对学生作较为合理有效的评定。

三、新工科背景下理论力学教学改革举措

(一)优化教学内容

“兼具理论知识、创新能力和工程实践能力”是 “新工科”人才培养的要求，同时也是我校最新修订的土木工程专业本科培养方案目标之一。因此，需要根据土木工程专业的特点，对理论力学的教学内容进行优化，合理分配学时。如静力学是土木工程专业的核心内容，可适当增加该部分的学时让学生充分掌握力学模型的简化、受力分析的方法，平衡问题的求解等。而对于运动学和动力学部分可以适当弱化公式的推导过程，重点讲解基本概念和力学原理，理清各知识点的逻辑关系，展示基本的力学原理在实际工程中所能解决的具体问题。

精心的教学内容设计是提升课堂教学效果的基础，也是调动学生参与课堂教学的关键。结合理论力学的特点和工科专业对学生理论实践能力的要求，设计探究性的教学内容。从工程实例出发，提出相应的问题，将整个教学活动从教师单方面的知识讲授转变为学生主动参与探索型教学活动，引导学生思考如何去分析解决所提出的问题。如讲解桁架结构的内力计算一节时，首先从工程中常见的结构(如机场、火车站的桁架顶棚，建筑中的脚手架，输电塔等)出发，引出“桁架”的概念，进一步引导学生思考该类结构的布置原则，明确杆件内力分布需要采取的计算模型和求解方法。此外，“点的运动合成分解”这一章节，涉及的概念繁多且较为抽象，对土木工程专业的学生而言，吊车梁是结构实验室中比较熟悉的起重工具，通过吊车梁的运动来讲解动点、牵连点，绝对运动、相对运动以及牵连运动等基本概念时，学生能够根据构建出的场景理解相关概念的含义。

在教学内容上还应融入最新的科学进展，让学生了解本专业和相关学科的科技发展新动态。如在静力学部分的 “力系的简化”一节可引入装配式建筑结构的发展应用；“刚体的简单运动”章节可展示建筑3D打印机器导杆的运动情形，以及该技术在构建自由形式建筑结构方面的研究进展和未来发展趋势。通过最新科技的发展介绍，拓宽学生视野的同时让学生体会不同学科间的交叉融合。

(二)融合不同课堂教学模式

为了改变传统以教师单向讲授为主导的理论力学教学模式带来的弊端，提升学生的主观能动性，顺应新时期卓越工程师的培养要求，各类新型的课堂教学模式逐渐被提出。如将教师讲授为主，学生通过练习完成知识内化的传统教学模式转变为学生课前完成知识的学习，而在课堂上教师协助实现知识内化，这种 “翻转课堂”的教学模式突出以学生为主体，让学生最大程度参与到课堂教学环节，能够培养学生的自学能力和高阶思维能力[5]。此外，互联网技术的发展使得知识的传播和获取变得更加的多样化，优质的网络课程资源(如慕课)能够作为课下的补充材料，进一步巩固、提升学生在课堂上未能完全消化的知识内容，同时也为教师提供了向同行学习交流的平台。

现代教育技术的融入增强了课堂的灵活性，促进了学生参与课堂教学的互动性，同时也搭建了师生高效沟通的平台。目前，我校大力推进 超星“学习通”在课堂教学中的应用，试图将课堂教学、在线教学平台与多种移动终端有机结合，推动“互联网+教育”环境下的教学改革，提高教学效果。借助于“学习通”平台，教师可将各类教学资源(如PPT课件，动画演示案例，工程场景实录，学术文献等)上传，方便学生随时随地在移动终端上进行课前预习、课后巩固。课堂教学中，教师可通过现场测试的方式来了解学生对某一知识点掌握情况，根据测试结果的反馈报告，适时调整授课方案和授课进度。在习题设置上，结合知识点的需要设置不同难易程度的试题，既考虑到基础薄弱学生的训练，又兼顾能力较强学生的发展提高。通过学习平台APP软件，可随时查看学生的学习动态、习题完成情况，掌握每一名学生对课程的掌握理解程度，从而可以有针对性地给予辅导。

(三)探索多元化的考核机制

近年来，我校大力推进课程考核模式改革，在原有“平时成绩+期末考试”的传统模式基础上，逐步完善形成性评价考核体系，加大“平时成绩”的比例，丰富平时成绩的考查形式。对于理论力学课程，平时成绩除了课后作业、课堂表现以及随堂测试之外，还逐步开展了工程实际研究性题目设计求解环节，如静力学部分特定荷载工况下桁架桥梁的设计，运动学部分的飞机可回收起落架的尺寸设计等，要求采取小组合作的方式进行，可采取理论计算、仿真模拟等手段完成设计内容，同时对各小组成员的参与情况作简要说明。这种考评模式能够有效提高学生分析解决实际工程问题的能力、团队协作意识和创新思维能力。

此外，李俊峰在理论力学课程的考核方式上也作了其他类型的改革尝试。具体做法是：学生可自愿选择参加口试，并决定是否将口试的成绩作为最终的考试成绩而不再参与期末考试。口试的内容主要侧重于考查学生对理论力学中一些基本概念的理解深度以及对知识体系的构建[6]。现代教育技术的发展也促进了与之相应考核方式的兴起，如利用超星学习通平台开展过程性考核。采取多元化的课程考核方式能够有效提高学生在教学活动中参与度，更加合理、全面地反映学生对该课程基本内容的理解以及该课程所承担的能力培养目标的实现状况。

四、 结语

理论力学课程是搭建工科基础课和专业课之间的桥梁，也是承担培养未来多元化、创新型卓越工程人才的重要载体之一，在新工科建设的背景下，理论力学的课程内容要与时俱进、传承创新，积极探索不同的教学方式，课堂教学要不断与现代教育技术相结合，充分发挥现代教学手段的价值，不断完善考核评价体系，实现课堂效率和学生的学习成绩的双重提高。