新工科背景下工程力学课程教学探索与实践——以重庆大学为例

金晓清，李 璞，龚诗雨

（1.重庆大学 航空航天学院，重庆 400044；2.重庆大学 机械与运载工程学院，重庆 400044）

教育是国之大计、党之大计，是国家富强振兴的基石，在国家现代化的进程中具有基础性、先导性和全局性的重要作用。为顺应世界教育跃进发展的洪流，我国作出建设中国特色世界一流大学和一流学科（“双一流”）的重大战略部署，并提出以培育一流专业为核心的国家“双万计划”。在新一轮科技革命和产业革命交汇的战略机遇期，高校建设更应该以质量提升为目标，加快一流课程的内涵式建设[1-6]。

新工科是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与分享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才为内涵，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑[7]。在新工科背景下，力学在工程应用中具有基础性和广泛性。工程力学是一门研究物体机械运动及物体承载能力的基础科学，为工科类院校重要的技术基础课之一，其理论性系统性强、逻辑严密且比较抽象，但与工程实际具有密切的联系[8]。该课程是目前国内理工科类院校（如清华大学、哈尔滨工业大学和浙江大学等）的专业必修课，在土木工程、机械工程和航空航天等学院均有开设。长期以来，国内高校在教授该课程过程中，普遍存在以教师为中心，重理论、轻实践，将力学基本原理与“工程”应用之间完全割裂的现象；随着“互联网+”时代的到来，国内高校在工程力学课中应用大型开放网络课程（Massive Open Online Courses，MOOC）的在线教育新模式，忽略了力学理论本身固有的重推导、精演绎的特点，在网络MOOC 教学模式上，不可避免存在着模式同质化等问题。

因此，本文提出了关于工程力学课程在新工科建设时代背景下的教学模式的思考与探索，结合传统课堂和MOOC 在线教育模式的优势，建立以学生为中心的工程力学翻转课堂（Flipped Classroom），着重理论与实践相结合，对于推动工程力学课程向个性化、定制化和多样化转变具有重要的意义。

一、新工科背景下实现工程力学课程教改的必要性

重庆是我国西南地区的工业重镇，但与东部地区高校的教育相比，还存在着发展不平衡、不充分的问题。自MOOC 在线教育传入中国，重庆大学就联合国内其他高校发起了“东西部高校课程共享联盟”[9]，重庆大学是国内较早实施MOOC 教育的高校之一。随后的2015 年，重庆大学又开展了翻转课堂的实验教学，并于2018 年成立了“未来学习研究中心”，推动“以教师为中心”的教学模式向“以学生为中心”的教学模式发展，并积极探索一流课程的教改项目实践。

网络时代下的在线课程为传统教学模式带来了一种课堂革命，MOOC 平台的使用可以为学生提供网络学习的窗口，充分发挥学生的主观能动性，同时利用该平台还可以帮助学生反复学习该部分内容。但是，MOOC 平台的引入，也导致大部分课程的编排趋于同质化，各部分内容均是按照讲授内容、小测评和总结等模式开展，这使得工程力学课程失去了由不同学校情况差异产生的特色。此外，工程力学课程具有其本身所独有的特点，而MOOC 平台涉及对力学原理的推导和演绎，单凭观看在线视频，是无法理解其内在含义的；同时，基本的力学实验操作能力，工程运用与实际问题的解决能力无法得到锻炼。网络学习模式缺乏实践锻炼，而传统课堂中由老师操作实验，学生观看的学习模式，又无法让学生加深对实验细节问题的理解，单纯地增加实验设备，又面临着开支庞大，无法有效发挥设备利用率等问题。

二、工程力学目前教学面临的主要问题

（一）课堂教学模式单一化

工程力学课程涉及大量的力学基础知识和原理，同时也涉及大量的数学运算，所以对学生的逻辑思维和数学公式推导能力要求比较高。但是，目前在大部分高校中的工程力学课程的教育教学中，教师们通常为了方便，习惯运用传统的教育教学方式，这就造成了教学内容枯燥乏味，其中庞杂的运算和枯燥的公式更是让学生学习提不起兴趣，大多数的学生都是为了成绩和绩点被迫学习和接受知识，而很少有学生能够主动地去思考和研究，并且由于课程的特殊性，往往很多时候都是老师在黑板上板书或者运用PPT 讲解大量的公式内容，这就导致了学生的课堂积极性不高，主动性不足，当然也就对于学习的兴趣不够高，这就导致了课程的质量不高，教学效率降低，偏离标准工程力学教育的水平。并且在很多的高校，学生觉得只要记住了，懂得了做题的套路就能够在期末拿到高分，这就导致了更多的学生死记硬背，无法将知识灵活运用。

（二）学生创新实践能力不足

创新实践的能力是我国高校重点培养的一种能力，特别对于工程力学这门课程，不管是在今后读研的科研学习中还是在以后工作的岗位上，大学生的创新实践能力都是不可或缺的一项重要的素质，然而想要具备一定的创新实践能力就要有过硬的专业基础知识，万变不离其宗，只有掌握了足够的基础知识，才能够做出创新利于实践。工程力学课程更是如此，想要将工程和力学紧密结合在一起，就要在其课程的教学中建立起对于学生的创新实践能力的培养，而在目前的教学中，由于学习的密度较高，课程较多，特别是对于力学系的同学来说，需要学习的理论知识本就很多，所以目前高校普通的工程力学课程教学往往就跟着常规的流程走，不会引入一些提高学生创新能力的教学方案。

三、工程力学翻转课堂的设计与探讨

教育改革到深处是“教学”，改到难处是“课程”。课程设置的合理性对学生系统性知识体系的构建有着显著影响。入学以来，学院相关负责人不断对工程力学专业的教学大纲进行调整，优化课程结构设置，以期专业课程及相关数理知识在整个学习过程中衔接更为紧密自然，从而使教学更为系统性，尽量避免某一门课程所需知识需要在之后的课程中才能学到的情况发生。工程力学专业课程整体较多，并且难度较大，学院在此基础上尽量优化每一学期的课程分配，尽量减轻学生的学习压力以达到更好的学习效果。并且工程力学专业要求学生具有一定的编程能力及对于ABAQUS 等商业软件的应用能力，故学院负责人也为同学们设置了相应的通识课程与培训课程，以供同学们根据个人的兴趣与能力进行选择与学习，达到基础知识与专业技能同步发展的目的，激发了同学们的学习兴趣。工程力学专业注重专业知识在工程实际领域的应用，强调利用相关力学知识解决各种工程应用领域中的力学相关问题。学院为了更好地实现这一目的，在课程的教学过程中注重培养学生利用力学知识解决实际问题的能力，加入了许多实践导向性的任务考核。例如结构力学课程中，老师指导同学们搭建张拉整体，切实感受其中的力学原理，深化对结构力学等相关知识的认识与理解；结构分析软件应用课程中，老师让同学选择生活中感兴趣的力学现象或所学知识中的力学问题并利用有限元软件对其进行分析讨论，一方面锻炼学生使用相关商业软件的技能，另一方面使同学们对力学问题中的力学原理有了更直观深入的了解；大四的力学综合实验课程要求同学们自行购买或制造材料，利用所学力学知识搭建一座桥梁，在尽量减重的要求下满足尺寸、强度等要求，对同学综合应用专业知识解决实际问题的能力进行系统性的考核。这些不同形式的考核都体现了学院对于深化理论实践相结合这一教学改革目标的不断尝试与努力。作为学生，我们不仅在课堂上通过老师讲授的方式学习到了理论知识，也通过自主动手实践的方式更好地吸收了相关知识并掌握了一定的应用方法，这对未来同学们投身科研或进行相关工作打下了坚实的基础。

笔者所在的重庆大学工程力学系立足于重庆大学的实际授课情况，结合自身多年的教学经验，针对工程力学课在教学过程中所存在的上述问题，尝试以人才培养目标为改革切入点，在建设重大特色工程力学课过程中，注重理论与工程实践相结合，实验教学中讲究“虚实结合”，融合慕课在线教育和传统下线教育的优点，加强课堂讨论设计。为此，我们将工程力学课的翻转课堂设计分为四部分，即在线课堂设计、下线课堂设计、实验教学设计和评价制度设计。该工程力学翻装课堂融合了线上教育的优势和下线教育的长处，全方位、立体化地提出了一系列的工程力学学科所独有的特色化教育新模式探索道路，让学生在学习该门学科的过程中，能够提升自我的实验创新能力，力学基础原理推理演绎能力，能够充分发挥自我的主观能动性，充分发挥自我学习的好处，真正地做到新工科要求下的高校人才培养要求，该工程力学翻转课堂组织架构和要点如图1 所示。

图1 工程力学翻转课堂构架图

（一）在线课堂设计

在线上课程的学习平台设计过程中，授课教师除了制作普通基础知识的上课讲解视频，归纳知识点以外，我们更加注重以下几方面的设计。（1）尽量在每节的基础课程知识点讲解当中，穿插具有一定讲解价值的工程实例和工程背景，让学生更加直观地理解某些偏工程实际的知识，其次在条件允许的情况下，教学者尽量多融入自身科研实例和研究方向实例，这样既让学生接触到了最实时的科研内容，又让学生们体会到了如何将书本上的知识用到实处，使得学生明白并且掌握如何用力学的基本研究原理来分析实际的工程应用问题，这极大地锻炼了学生从工程实际中凝练科学问题的能力。（2）在每节基础课程的教学中，设置一些相对来说比较开放性的课题，设置一些可以增加探讨性的学习作业。其中给予学生相关课题的参考资料，鼓励学生结合资料通过自我查资料，搜索相关的文献，独立的完成课题作业，本项措施的目的在于培养学生独立思考问题及独立解决问题的能力，同时还训练了学生的搜索查找知识的能力，最后会根据作业提交的情况，给予相应的解答和解析。（3）引入虚拟仿真实验平台，在工程力学的教学中，常常涉及一些实验部分，虽然一些简单的实验可以通过实验课进行，但是对于一些复杂或者相关仪器设备比较贵的实验，学生就没有体验的机会了，所以可以通过线上虚拟仿真实验教育平台进行，学生可以按照步骤自主进行实验操作，使得每位学生都有机会参与课程实验环节，此外对于一些比较简单的实验，我们讲究“虚实结合”，将虚拟实验平台和实际相互结合，从多个角度帮助学生理解实验操作环节。

（二）下线课堂设计

在传统的线下课堂中，授课教师往往按部就班地按照课本一一枯燥地讲解相关的基础知识点，然后圈出一些书本的课后习题当做作业，这样使得学生的学习枯燥乏味，并且不能更好地汲取知识，我们对于下线课堂的设计，主要侧重了三方面的改进：其一是要对工程力学课程中需要推导计算的部分进行讲解演绎，讲解演绎并不是完全地将公式推一边，而是加入线上教学时的一些教师理解和感悟，这样既能够让学生理解所学知识点的来龙去脉，又能够让学生对于知识的理解更上一个台阶；其二，重点对于一些线上课程中难以理解和掌握的知识点进行答疑讲解，该过程要贯穿整个教学环节，让学生真真切切学到、学懂、会用，疑难点的讲解取决于线上教学时的反馈和教师在自己多点授课过程中总结的重要知识，这些很可能是书本上所没有的；其三，教师要引导学生进行积极的发言，积极参与课堂的相关学术问题讨论，将课堂学习的主动性交给学生，真正地做到学生自己主动想学、主动好学，在该部分设计中，教师可以通过结合设计的开放性的课题讨论，引导学生课下查找搜索资料，培养学生的主观能动性和创造性后，在课堂上分组式地对于一些课题进行讨论研究，并且过程中主要让学生讲解观点和看法，最后再由老师进行课题讲解和总结，这样就会使得同学们学习的积极性不断提高。

（三）实验教学设计

工程力学实验是在工程力学教学中培养学生实践能力和创新意识的重要课程，是教学理论与实践结合不可或缺的途径，对于理解工程力学中的相关实验的本质，是学生更好地学习工程力学这门课程的关键所在。然而，在现阶段高校的普遍教育中工程力学实验的教学往往得不到重视，这就导致了同学们对于这方面实践能力相对来说比较欠缺，甚至很多学生认为工程力学的学习是不需要实验的，这些问题都有悖于培养学生实践能力的想法，所以加强工程力学实验课在成绩中的占比就显得比较重要和实在，这样可以有效地加强同学们的积极性和对实验课的重视程度。在一些好一点的高校中，虽然也有进行工程力学相关实验的设置，但是实验教学内容也需要调整，单一和基础的实验教学内容既不能引起学生的兴趣，又不能体现学生的创新意识，故在实验教学中，除基本的课堂内容要求实验外，还可以给同学们布置一些基于现有实验设备能够完成且达到实验要求的条件下，充分给予学生自我创新的实验课题，让同学们有一定的创新发挥空间的同时，又能巩固其在实验课的教学内容，达到培养学生创新能力和教学理论与实践良好结合的目的。实验教学是新时期培养出高素质创新型人才的重要途径，要不断实践进而优化改革，将实验教学和学生的自我实践创新能力结合起来，重点培养学生的自主创造、自我突破的能力，这样学生才能在学习工程力学这门课程的时候不断进步，不断提升自我，完善知识框架和知识体系。

（四）评价制度设计

课程的评价制度一直是高校教育中的一个难题，一个质量好的评价制度不但能使学生的学习表现得到很好的呈现，还能够使学生的学习真正地做到学有所得、学有所成。真正好的评价制度并不是盲目的追求分数的展现，特别是对于工程力学这门课程，好的评价制度应该是体现在方方面面，体现在学生的各个学习阶段之中，对于该部分设计就显得尤为重要，主要可以将其划分为两个大部分，首先是对于理论和实验综合成绩，可以通过设置课堂测验、中期测验、期末考试试卷及相关的基础实验测试等进行检测，通过这些测试可以对学生在学习过程中的理解掌握程度进行评价，归纳出学生在知识点理解上的盲区，以便教师在课堂教学过程中及时给予答疑解惑；其次是对于学生的创新能力和掌握知识的能力的评价，通过设置开放性试题，打破固定答案的教学模式，例如设置一题多解试题，培养鼓励学生从多个角度来思考问题，培养学生的思维能力，并且通过对学生实验创新能力和实验掌握能力进行评估，多层次、立体化地对学生的实验成绩进行分析，而且可以适当地提高工程力学实验的占分比率，其中对于一些优秀的实验创新设计做出肯定，最后结合以上的评估手段设置老师和学生对课程各个环节的评价和建议，通过学生的反馈情况，可以更多地了解学生的现实需求，通过教师的反馈可以不断地优化新的教学方法，使得工程力学课程的结构和安排不断完善。

四、结束语

工程力学课程作为理工类院校的专业必修课，坚持以人才培养为目标，理论和工程实践相结合，注重培养学生的综合实践能力。本文对于工程力学课程做出了一些有益的思考和探索，设计的相关教学内容引进开放性课题和虚拟仿真实验室等手段或平台，结合慕课在线教育和传统课堂的各自优势，以学生为中心，尝试未来学习或教育的先进教学模式，增强学生的创造性和综合素质能力，并且不断完善学生课程评价体系，不断完善工程力学的授课指南，使学生不但能够拥有扎实的专业基础知识，还拥有一定的创新实践能力和科研能力，这既符合国家新工科背景下“双一流”建设的内容要求，又对新工科时代下的工程力学授课新范式提供了借鉴，是未来一流专业建设的有益探索。