面向新工科的基础力学课程群建设的探索与实践

陈 雪，刘 荣，李雪梅，陈炳森，高兴宇

（1.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004；2.广西机械工程学会，广西 南宁 530000）

0 引言

随着新一轮科技革命和产业变革的加速进行，中国科技创新驱动进入新的发展阶段，“中国制造2025”“互联网+”等战略相继实施，为科技的创新发展提供了新机遇[1-3]。“新工科”教育是当今世界工程教育的根本性变革，是新时代回答“培养什么人，如何培养，为谁培养人”这个根本问题的源泉[4]。随着传统机械制造行业的不断升级改造，对高校培养的应用型人才有了更高的要求。需要他们掌握扎实的基础、涉猎广泛的交叉学科知识、具备较强的实践创新能力等。具体来说就是需要“一专多能”的人才，不仅需要掌握机械、控制、计算机技术的人才，也需要同时具备理论与应用知识的人才，其中力学基本理论是课程体系的重中之重。面向新工科的基础力学课程群主要包括理论力学、材料力学、工程流体力学、工程热力学等力学课程，着重培养学生的力学逻辑思维和力学素养，提升学生解决复杂工程问题的力学能力。如何满足机械制造行业对相关人才的广泛需求，培养具有扎实力学基础的创新人才是目前机械专业所面临的巨大挑战。

1 基础力学课程群建设的必要性

力学是近代科学发展的先驱，既是基础学科也是应用学科。作为基础学科，它是机械制造、车辆工程、土木工程等传统工科专业的基础；作为应用学科，它几乎与所有的新工科专业相互交叉，解决工程实际中的力学难题[5，6]。随着新兴学科的快速发展，力学在交叉学科领域表现出连接基础学科和应用学科的重要桥梁作用。近年来，国家非常重视基础力学学科的研究和发展，提倡高影响力和原创性基础研究工作[7]。2018 年由杨卫院士牵头创建浙江大学“交叉力学研究中心”，以把握变革机遇，提前布局、汇聚研究，推动了我国基础力学学科的发展，也为提升力学学科国际影响力和我国综合研究实力提供重要助力。在“新工科”的视角下，工程实际中出现了一系列处于科学前沿的新问题和新领域，必须发挥力学学科的基础作用，加强与各学科交叉融合，推动基础力学与工程应用的协同发展。力学技能和力学素养的能力提升是培养应用型创新人才的核心基础[8]。然而，目前大多数工科院校人才培养体系中少有理论支撑基础学科人才培养，也少有高校重视基础力学学科课程群的建立。作为地方高水平应用型本科院校，开展多样化、多途径和多形式的“新工科”人才培养模式改革与创新迫在眉睫。

根据国家《中国制造2025》规划，以及广西目前正实施的创新驱动战略，打造“先进制造业”“新一代信息技术”“高性能新材料”等创新发展“九张名片”的总体要求，力学与广西地区的优势产业的发展密不可分。它对从物理科学到生命科学再到社会科学领域的几乎所有的研究都有着重要的推动作用。重视基础力学学科人才的培养，聚焦前瞻性力学交叉前沿科学研究，是落实国家西部和东盟战略的需要，将为广西优势产业提供强大的科技支撑，成为引领广西产业转型升级的创新力量，推动广西经济的发展。

2 基础力学课程群建设的现状

新工科背景下，机械工程专业中基础力学课程主要开设“理论力学”“材料力学”“工程热力学”“工程流体力学”“机械动力学基础”等五门力学课程，着重培养学生的力学逻辑思维和力学素养，锻炼学生分析、解决工程问题的力学能力。这些课程在专业基础课中起着呈上启下的作用，是后续专业课的基础。在理论教学和实践教学方面的建设现状如下：

首先，目前各门基础力学课程相对独立，但存在理论教学授课内容出现部分重叠、不同课程中教师所用授课案例雷同、同一专业先后修习课程间的支撑性强度欠缺、关联性差等问题。由于各任课老师较少或只在较小范围内根据学生高效学习和发展需求进行联合备课，往往使后续课程的任课教师不得不重复讲授关联课程的相关知识点，学生也难以在先修课程学习时明确哪些部分需强化学习，哪些知识点与后续课程知识关联。出现的原因是：学院、教研室没有重视教学团队的组建，没有联合基础力学课程群中不同课程授课教师对培养方案中关联性课程的知识点进行删、减、并、联，使得核心课程的关联性差、课程间的支撑性强度欠缺。

其次，在实践教学环节设计欠缺实用性和关联性考虑，课内实验、课程设计、专业认知实习、专业综合创新设计等环节存在目标定位低、内容更新慢、与社会严重脱节等问题，影响课程群中实践教学体系的构建。例如：工程流体力学课内实验多以观察性实验为主，考察学生对知识点的理解，并没有重视学生动手能力的培养。实践教学环节的这些主要是由于学院对实践教学环节的重视程度不够，多数实践教学教师都是资深年长的工程师，对于前沿科学技术了解不深，且企业调研的经历少，对于创新的内涵理解不到位。在教学中一定要转变思维观念，要围绕企业需要什么样的技能来设计教学内容，培养学生的实践创新能力。这种由社会向大学提需求的新模式，即“知识生产的逆向流动”模式告诉我们，实践教学的内容缺乏新工科实用性背景，不利于培养学生的新工科力学思维和创新精神，难以激发学生的学习兴趣。

鉴于此，基于校企会合作平台，在进行广西机械工程学会会员单位调研的基础上，优选并合理排布基础力学学科中不同课程间的理论和实践教学内容，凝练出助力“新工科”人才培养、高效成长的优化课程体系理念和方案，以实现有利于学生高效成长的拓展版、强化版基础力学课程体系建设势在必行。

3 基础力学课程群建设的探索

3.1 基础力学课程群体系的建设

基础力学课程具有较强的关联性。先修课程“理论力学”“材料力学”让学生形成扎实的力学基础和完整的知识结构；在“工程热力学”“工程流体力学”的学习中，对力学知识有感性认识；通过“机械CAD/CAM”“系统建模与仿真”课程的学习，抽象出物理模型进行力学、热学方面的分析。基础力学课程群体系，如图1所示。通过基本理论-感性认识-抽象建模，培养学生解决复杂工程力学问题的综合能力和辩证思维，突出“两性一度”（高阶性、创新性、挑战度）的“金课”标准。其次，深度调研学生，全面了解学生的关注点和困惑点。通过课堂提问、问卷调查、访谈的形式搜集学生关注的问题和容易产生困惑的知识点，建立数据库，为后续教学大纲、授课计划的制定提供信息。最后，结合教材重难点和学生关注点，形成教学结合点，优选并合理排布基础力学学科中不同课程间的理论和实践教学内容，构建课程群的教学内容体系。通过梳理课程群的知识网络系统，得到课程知识授课方案，凝练出助力“新工科”人才培养、高效成长的优化课程体系理念和方案，以此为依托和引导，深度挖掘课程群中的思政育人元素，将其融入知识网络系统，并关联成以成果为导向的基础力学课程群新体系。

图1 基础力学课程群体系

3.2 基础力学课程群教学团队的建设

构建校企会合作的基础力学课程群教学团队，团队成员由长期从事基础力学学科的本科教学、管理和教学研究工作的教师，以及行业、企业专家组成。由学校教师主导的基础力学相关理论教学，由行业和企业专家教授前沿的技术，在产教融合的协同下，确定基础力学课程群的教学大纲和教学内容。从人员分布上来看教学过程呈现三层级配合模式，企业-教师-学生，融合本科生培养的三层级的思考维度，为课程群建设的实施、推进提供全方位信息和思维保障。项目组成员长期致力于工程一线和教育一线，学校教师长期指导学生开展科教协同或课外科技创新活动，企业专家长期奋战在工程一线，这为项目人才培养模式的效果提供了更广泛的实践提升途径。项目组核心成员一直坚持潜心钻研教学研究，并通过参与各项教学比赛进行检验和提升，例如：团队成员在团队的指导下荣获全国高校教师教学创新比赛-3D/AR/VR 数字化虚拟仿真主题赛全国三等奖，为本项目课程思政的实施提供强有力的前导性思维和实践支撑。企业专家结合企业的工程实际，讲授实操经历，强调动手实践能力的提升。此外，项目组多位成员都具有海外留学经历，可整合国外先进的教学理念和教学方法，更有助于人才培养模式的构建和持续改进，以及基础力学课程的提升，有望将基础力学课程群建设为双语一流本科课程。

3.3 基础力学课程群教学资源的建设

一是，教学团队研讨后，确保紧扣教学目标主旨框架下，调整教学大纲、授课计划、授课课件等，对核心知识点分层级授课，实现教材要求与学生需求的有机结合，对每门力学课程的课件资源进行精细化打磨。二是，建设以基础型、提高型、创新型为主线的多样化、层次化基础力学课程题库。题库题型涵盖选择、填空、判断、名词解释、简答、计算和大作业创新题。三是，开发教学案例库。针对机械工程领域的工程案例，如内燃机、发动机、凸轮蜗杆、液压传动件等，搜集动画资源，在课程讲授过程中结合案例讲解知识点。并搜集力学趣味知识库，在课前、课间、课后让学生搜集答案，了解其中的原理，增加基础力学课程的趣味性。四是，在教学团队的引导下，撰写教材。

3.4 以赛促学的创新实践教学模式建设

理论教学缺乏趣味性，很难激发学生的学习热情。专业选修课程中可以采用以赛促学的创新实践教学模式。教师根据理论力学、材料力学等核心课程的知识框架设计相应的小课题。学生以自由组队的形式，分工完成课题，引入自评、互评的打分机制，通过趣味性的竞赛，激发学生兴趣与自主创新的潜力。团队成员运用所学的基础力学知识，解决工程实际中的力学问题，在融会贯通的过程中对专业核心技能突破和强化。辅助文献检索、三维建模、力学实验、仿真模拟等方法，实现从填鸭式被动接收到主动挖掘知识的思维转变。该模式也提升了课程的挑战性，增强师生之间的互动，是培养应用型人才创新能力的一种有效实践教学模式。

其次，指导学生参加全国周培源大学生力学竞赛、大学生工程实践与创新能力大赛、“挑战杯”大学生课外学术科技作评竞赛、全国大学生机器人大赛等，引领学生探索新技术。这些比赛具有跨专业、多学科知识融合的特点，力求功能强大、结构简单、节能减排，是对学生综合能力的考察。在不断丰富技能的过程中，促进学生对基础力学课程的理解和掌握，实现学与教的相辅相成。

4 结语

在新工科教育的背景下，注重对基础学科课程群体系的构建和学生综合能力的提升，急需一种契合当前OBE 以学生为中心理念的创新人才培养模式。桂林电子科技大学作为一所地方理工科院校要聚焦世界科技前沿和国内薄弱学科专业，把基础学科人才培养作为高等教育的首要任务，借助新颖的教学方法充分激发学生的学习主动性和潜能，基于校企会合作平台，利用多样化的协同育人模式引导学生成长为既“专”又“能”的“新工科”人才。在基础力学课程群建设的探索中，通过基础力学课程群体系的建设，将课程群中的教学内容整合，实现了从单个核心课程到课程群体系构建的转化；通过组建基础力学课程群教学团队，整合了国外先进的教学理念和教学方法，更有助于人才培养模式的构建和持续改进；通过基础力学课程群教学资源的建设，在教学过程融合了数字化教学方式，引导教学、激发学生兴趣和潜能，实现基础学科理论深刻性与教学生动性融会贯通；在OBE 理念引导下，探索了适用于新工科基础学科的以赛促学的创新实践教学模式，实现学与教的有机结合，提升学生解决复杂工程问题的能力。重视基础力学学科人才的培养，充分体现了学生的主体地位，培养学生科学的力学思维，提升学生的力学实践能力，受到企业的高度评价，切实落实“新工科”培养全面发展高素质应用型人才的要求。