新工科背景下理论力学教学改革

邢利英， 丁永光， 石 静

(南阳师范学院 土木建筑工程学院，河南 南阳 473061)

理论力学是研究机械运动一般规律的科学，是土木工程专业一门重要的专业基础课，它既是后续材料力学、结构力学等课程的理论基础，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[1-3].理论力学课程具有理论性强、解题灵活、数学公式推导烦琐等特点，在现有的教学模式下，课堂上“一听就懂”，课下作业“一做就错”，考试成绩不理想，导致学习积极性不高.究其原因主要是学生难于实现新知识的内化、理论力学的知识体系不完整等.因此，作为土木工程专业的基础核心课程，理论力学的教学改革迫在眉睫.

1 课程内容改革

1.1 优化教学内容

理论力学中很大一部分基本概念与大学物理课程的内容重复，学生已经学过大学物理了，导致学生产生理论力学“无用论”的想法.在讲授运动学和动力学时，传统课堂教学中主要强调瞬时分析，不重视学生对动态力学过程的理解，束缚了学生对力学规律进一步探索的创新性思维，导致所学知识只能停留在纸面上，不能有效解决工程实际问题[4].因此，笔者认为应删减与大学物理重复的部分，着重讲解与土木工程专业相关的内容.

在新工科背景下，根据学院土木工程专业学生的实际情况，笔者对授课内容做了如下的更新：静力学部分更多关注平衡之前的建模问题、平面桁架与空间力系的求解等实际工程问题[5-6]；运动学部分赋予运动学方程的实际工程意义；动力学侧重于讲解刚体问题，梁、板、柱的分析方法，理解理论力学的精髓，避免数学求解喧宾夺主.

1.2 补充科学前沿问题

随着科学技术的发展，力学的新知识不断涌现，及时补充学科前沿、热点及理论知识，调动学生学习的积极性，拓宽学生的知识面，增强学生对理论力学的进一步认识.

在学习平面桁架内力计算时，引入鸟巢国家体育场的椭圆平面网架结构，运用平面桁架内力计算方法对杆件进行受力分析.由于鸟巢椭圆平面网架结构较为复杂，人工手算较为烦琐，从而引入有限元软件ANSYS建模进行结构计算，并对计算结果进行分析，引导学生认识：力学分析是求解实际问题的基础，计算机可以辅助解决大型复杂的实际工程问题[7].在学习质点动力学方程时，引入神舟五号载人飞船返回舱成功着陆这一振奋人心的案例进行研究分析，运用质点动力学知识分析整个着陆过程，强调其中任何一个环节出问题，都无法增大返回舱的阻力系数，航天员杨利伟的生命安全都会受到严重威胁[8].

1.3 增设实验实训项目

鉴于理论力学逻辑性较强的特点，为增加课程学习的趣味性，笔者在教学过程中增设了实验实训项目.图1 为光滑铰链约束类型展示，通过实物展示光滑铰与销钉之间的连接方式，为学生进行光滑铰链各部分受力分析提供了形象实体；图2为小颗粒拼装而成的投石小车模型，可演示刚体的定轴转动与点的合成运动，促进学生理解运动学部分教学难点；图3、图4分别为飞机模型和双旋转框架，可演示运动学的综合应用问题；图5为带领土木工程专业学生参观学院施工实训基地的照片，真实具体地讲解板筋的布置与绑扎情况、屋面板的构造做法，同时了解梁、板、柱、基础等结构构件之间的连接方式，培养学生的专业意识.

图1 光滑铰链约束

图2 投石小车模型

图3 飞机模型

图4 双旋转框架

图5 土木工程专业的施工实训基地

实验教学环节极大地调动了学生的积极主动性，实训教学培养了学生的工程素养.理论力学课程增设实验实训项目，促进学生勤于思考、善于思考，提高学生思考问题的敏锐性，培养学生的发散性思维，提高分析解决问题的能力.

1.4 课程思政有机融合教学环节

2020 年5 月教育部颁布了《高等学校课程思政建设指导纲要》，提出课程思政建设的具体要求，《纲要》明确指出，课程思政建设，教师队伍是“主力军”，课程建设是“主战场”，课堂教学是“主渠道”.课程作为专业人才培养方案中的最基本单元，承担培养目标中的育人功能，在课程设计和实施过程中，突出课程的育人功能，依托知识的传授，落实育人目标[9-10].

为实现课程育人的思政目标，在学院课程平台中设计了课程思政专题，引用达·芬奇、钱学森、瓦特等名人故事，剖析土木专业在国家建设中的重要性，培养学生正确的人生理想与社会责任感.结合神州五号载人飞船、港珠澳大桥、鸟巢等典型工程开展思政教育，培养学生的专业素养，培育大国工匠精神.

2 教学方法改革

当今新兴教育技术的普及带给课堂教学无限的可能和改革的契机.笔者坚持“以学生为中心，教师为主导”组织教学，采用传统的教学方法推导与演绎有关的基本定理，培养学生逻辑思维能力和理论推导能力；以雨课堂为媒介引入混合模式教学，深度提升学生的课堂参与度，推动信息技术与教育教学的深度融合；应用形象生动的思维导图，构建理论力学的知识体系，切实提升理论力学课程的学习效果.

2.1 线上线下混合模式教学

理论力学是一门理论性较强和具有实际工程问题的课程，具有公式较多、计算能力要求高的特点，学生学习起来难度较大且内容烦琐，如运动方程的建立、虚位移原理等知识点、实际工程问题建模能力不足等问题，因此，传统线下教学方法必不可少.

对于概念众多、环环相扣的力学课程而言，以单向知识输入为主的教学模式，学生积极性不高，课堂效果不理想.因此，笔者借助雨课堂平台进行教学设计[11](图6)，通过课前课中课后三模块实现师生实时互动，充分调动了学生学习的积极主动性，使其深度参与到课堂教学中来，切实提升理论力学课堂教学效果.

图6 基于雨课堂教学设计

2.2 思维导图的灵活应用

依据层级的发散结构，思维导图是将发散思维具体化的一种方法[12-13].思维导图能够将零散的知识点构建成知识体系，有利于建立新旧知识之间的联系，加快新力学知识的内化，进而提高理论力学的学习效果.图7为笔者手绘的运动学与动力学部分的思维导图，以淘气可爱的小汽车、整装待发的火箭为中心图，应用彩色的线条延伸展开对应部分的力学知识，结合各部分的关键词、应用简图、公式等方式将对应力学知识展现得一览无余，既简单明了，又生动有趣.

图7 运动学与动力学部分思维导图

3 课程评定方式改革

3.1 成绩评定方式

由过去单一的考核方式转变为对学生进行全过程评价，包括学生参与程度、参与态度以及创新能力、沟通能力、自主学习能力等方面.同时，学生互评与教师评价相结合的方式使评价体系更全面客观.采取多样化评价方式评定学生的学习效果，着重突出过程化评价.课程评价成绩=平时成绩(40%)+ 期末考试(60%)，平时成绩包括出勤、课程预习情况、课堂提问与小组讨论、线下作业情况、实验实训情况等.其中出勤情况，100分占10%；课程预习情况，100分占20%；课堂提问与小组讨论，100分占20%；线下作业共布置10次作业，包括思维导图设计环节，共计100分占40%；实验实训情况100分占10%.

3.2 课程评价

理论力学课程通过更新教学内容，采用线上线下相结合教学模式，使用“雨课堂”智能平台进行授课，线下采用传统课堂与对分课堂相结合教学模式，受到学生的一致好评.通过多年的积累和持续建设，课程体系完善，教学资源丰富、搭建线上教学平台的共享性，辐射受益学生面广，教学效果较好，并于2021年获批河南省本科一流课程.

4 结语

在新工科背景下，笔者优化理论力学课程内容，增设实验实训项目，融合课程思政提升学生的专业情怀；采用基于雨课堂线上线下混合教学模式，深度提升学生的课堂参与度，激发学生学习积极性；结合思维导图的可视性、发散性、层次性特点，让传统教学模式注入新的活力；采取多样化评价方式评定学生的学习效果，提高理论力学的教学效果，提升学生工程意识和工程素养，实现新工科背景下土木专业应用型人才培养目标.