工程教育认证背景下土木工程专业力学课程群建设研究

于海丰，刘卫然，马康，康丽华

（河北科技大学 建筑工程学院，河北石家庄 050018）

1 课程群建设背景

工程教育专业认证的核心理念是以学生为中心、以产出为导向（OBE）和持续改进。国内土木工程专业从1994年开始推行认证制度[1]，截至2021年1月，全国共有110所高校的土木工程专业通过工程教育认证。河北科技大学土木工程专业面向全国12个省、市、自治区投放招生计划，生源量充足，生源结构合理。本专业在各省最低录取分数超过省控线80分以上，并且呈现稳中有升的势态。

三门力学课程（理论力学、材料力学、结构力学）是土木工程专业传统的专业基础课，以讲授力系平衡、运动及动力学、建立杆件的强度/刚度/稳定性、求解静定/超静定结构内力、解决结构动力学问题等为主，其课程培养目标达成度高低直接影响后续钢结构设计原理、钢筋混凝土结构、建筑结构抗震等土木工程专业课程教学效果。

目前，很多学者基于工程教育认证背景对土木工程专业力学课程改革进行了研究，如王义平[2]，汪大洋[3]、张贤才[4]、冷捷[5]等，但研究多集中于宏观层面，将三门力学课程集合起来尚比较少见。因此，为更好促进专业发展，提升人才培养质量，基于工程教育认证背景，河北科技大学土木工程专业围绕传统三门力学课程教学改革开展了探索性工作。

2 存在的问题

2.1 课程体系庞大，内容多

从结构构件角度上讲，三门课程主要对应杆系结构；从研究对象上讲，涉及刚体和变形体；从内容逻辑上讲，理论力学以解决刚体构件静力平衡问题为主，材料力学主要是针对单根杆件小变形弹性构件，求解其内力、应力以及应变之间的关系，进而进行杆件强度、刚度、稳定性验算，结构力学主要研究杆件结构的组成规律和受力性能，并利用力学原理研究在外力和其他外界因素作用下各类结构的内力和变形。从前后顺序上讲，理论力学、材料力学、结构力学分别在第2、3、4学期开设，以体现教学内容前后逻辑顺序。可以说三者既密不可分，又有内容上的区别。以河北科技大学为例，2020年三门课程总学分12分，总学时192课时，涉及33章，共计162小节内容，授课内容量大，重点、难点知识点多。

2.2 部分授课内容重复

在传统的以课堂讲授为主的授课模式下，为保证授课内容前后的衔接性、提升学生知识接受程度，会出现部分授课内容重复现象。以河北科技大学土木工程专业教改前的实际情况为例，三门课程之间部分重复讲授内容见表1，相关学时在20课时左右，约占三门课程总学时的10%。除表1外，三门课程部分内容也与其他专业课程相关内容重复，如理论力学和建筑结构抗震均讲授达朗贝尔原理、材料力学中的压杆稳定内容与钢结构设计原理中受压构件中讲授内容重复等。

2.3 课程理论性强，实践内容少

三门力学课程均以理论为主，涉及概念、名词数量庞大，如刚体/变形体、弹性/弹塑性、静定/超静定等，如不辅以工程背景或者工程实践，较为晦涩难懂，在传统的“教师教、学生学”的以教师为主体的教学模式下，学生缺乏学习的主动性和积极性，教学效果较差。

表1 部分重复讲授内容

课程实践内容较少，理论力学和结构力学基本没有实验课时，材料力学也仅有低碳钢与铸铁的拉伸实验、低碳钢与铸铁的压缩实验、梁弯曲正应力实验6个实验学时，在总的教学计划中占比非常少。且实验年年重复，实验方案和实验操作流程可以从网上找到标准化教程，甚至可以找到标准化答案，学生普遍缺乏新鲜感，导致学生对实验重要性认识度不高，实验教学效果不佳。

3 教学改革建议

基于工程教育认证的背景，将教学理念由“教师为中心”向“学生为中心”转变，以学生的学习效果、用人单位满意度为主线，针对传统三门力学课程教学过程中存在的问题，以及基础课程学时压缩的教学现状，河北科技大学土木工程专业对三门力学课程进行了教学改革实践，建立了力学课程群，邀请行业企业专家参与，重新修订了教学大纲，从课程内容、教学方法、教学实践等多环节进行课程改革，措施如下：

3.1 教学内容方面

针对课时量压缩的现状，将课程内容整合，压缩部分重复课堂讲授内容，具体见表1。为提高学生学习的积极性，将大量的工程案例引入教学，形成案例库，部分案例如表2所示。为了不降低教学效果，从教学方法上实现课时/课堂讲授内容压缩，实际教学内容不压缩且多样化，教学效果不减弱。

结合河北科技大学土木工程专业培养目标定位和人才培养要求，针对12条毕业要求对应的31个分指标点，逐个知识点梳理，制定详细的课程目标，将教学内容模块化，分为基本知识模块、能力提升模块和综合运用模块，以结构力学为例，三个模块的基本概况见表3。

表2 部分典型工程案例

表3 结构力学知识模块划分

3.2 教学方法方面

与其他很多学校[4,6-7]类似，河北科技大学土木工程专业采取多媒体、板书、虚拟仿真教学等多种教学方法，但又有所创新，具体为：（1）多媒体除了包含传统的PPT课件之外，将梳理出来的重复授课内容制作了课程视频，在第二次讲授相关内容之前，将课程视频发给学生，由学生提前线上复习并进行线上测试，线下授课时教师仅将这部分内容中的重点部分略加复习，节省了学时。（2）为了培养学生的自学能力、综合分析及处理问题的能力，将每章重点知识点梳理，安排学生课后自学，观看学习通里面的教学视频，并完成适当的练习题，课上进行翻转。（3）课堂讲授时强调课程教学目标，引导学生明确每章节的学习目标和任务。针对力学课程理论较多的特点，除课件、视频外，对基本公式的推导仍使用板书进行讲解，增强教学过程中学生的参与感。（4）对部分难以直观理解、工程案例也不好体现的知识点，如材料力学中的应力集中现象、压杆失稳等内容，增加虚拟仿真内容，将应力应变的变化、压杆失稳过程等通过有限元模型直观显示，将复杂内容简单化，既提高学生学习的兴趣，也降低了教学难度。

3.3 课程思政方面

将思政元素“润物细无声”融入教学全过程，围绕“专业知识”+“思政元素”开展教学，把握思政元素和课程知识之间的结合点，基于力学课程的特点，主要从以下三个方面挖掘思政元素：（1）培养民族自豪感、责任感，坚定“四个自信”，根据每章教学内容，介绍在相关领域取得重要成就的中国科学家，如钱伟长、钱学森等，使学生树立为国奉献和报效祖国的家国情怀。（2）培养唯物主义辩证法思维，透过表面现象看本质。以材料力学中各种基本变形时应力计算公式推导为例，从基于实验现象的假定（平截面假定等）着手，通过逻辑推理（几何关系、物理方面、平衡条件）得出规律性公式，对各公式进行分析还可发现，应力均通过截面的几何特征（如截面面积、面积矩、惯性矩、极惯性矩等）和内力建立逻辑关系，符合唯物主义辩证法中普遍性寓于特殊性的规律，将纷繁复杂的各种基本变形时应力计算公式简单化、概念化，多个公式用同一方式理解分析。（3）培养学生大国工匠精神。我国古代的赵州桥、山西应县木塔，现代的鸟巢、水立方等诸多驰名中外的建筑结构都凝结了我国土木人的辛勤汗水，见证了中国土木行业的发展，土木工程行业的良好发展需要一批批的土木人践行吃苦耐劳的优良作风、传承精益求精的工匠精神，以此引导学生从现在起养成良好的职业道德。

3.4 课程实践方面

加大实验设备购置力度，对原有设备更新升级。实验前，教师布置实验题目，由学生自行制定实验方案并与指导教师讨论。方案通过后，在实验教师监督下（主要是保证安全），学生自行熟悉实验仪器并进行实验，相关数据的统计分析（增加有限元对比部分内容）、实验报告撰写等均由学生自行完成，在提升学生参与度的同时，提高了学生的实践动手能力。

将力学相关学科竞赛，如大学生结构设计竞赛（国家级、省级、校级）、力学竞赛（校级）等引入实践教学环节，鼓励学生参加各类力学竞赛，并折算实验学时，与可选实验项目互换，既提高了学生参与竞赛的热情，也增加了学生力学知识的综合运用能力，提高了学生的创新能力，开阔了学生的学术视野。

4 结语

三门力学课程是土木工程专业最重要的专业基础课，力学课程群的建设，涉及理论教学、实践教学、思政元素、教师队伍等多个方面。以河北科技大学土木工程专业为例，探索了力学课程群建设思路，在教学改革中，实现了教学内容的整合和模块化、教学方法升级和多样化、思政元素“润物细无声”融入教学全过程、课程实践环节多样化，增强了学生学习的主动性、积极性、动手能力和专业认同感，实现了教学效果的有效提升。但我们也意识到，教学改革工作是一项长期且自我修正的过程，需要我们持续探索和实践。