高校工程教育基礎力學課程教改分析

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摘要：為使基礎力學課程更適于應用型人才培養的教學模式，基于當前高校基礎力學教學的實際情況，結合教學經驗和體會，分析總結基礎力學教學中存在的問題，闡述在基礎力學課程教學中實施工程教育的可行性，提出工程教育背景下基礎力學課程的改革措施。

關鍵詞：基礎力學；工程教育；教學改革

1前言

基礎力學課程是高校各工科專業的專業基礎課，是研究工程中普遍存在的各類結構和構件的受力、運動和變形等現象的學科，一般包括理論力學、材料力學、工程力學和結構力學等。該課程可以培養學生邏輯思維能力以及利用所學理論知識解決實際問題的能力。由于歷史原因，我國高校所講授基礎力學課程的內容大多由蘇聯引進，雖然近年來根據我國實際做了較大改進，但還有部分教材內容比較陳舊抽象、重理論輕實踐，部分教師的教學方法還采用落后的灌輸式教學，不注重與工程實踐相結合，使得課堂氣氛沉悶甚至枯燥無味，降低了學生的學習積極性，進而影響后續專業課程的學習。如何克服基礎力學教學環節中與工程教育培養目標不相符的內容，如何體現工程教育的思想，如何樹立工程認知的思維，如何培養工程實踐的能力，是整個工程教育培養計劃中亟待解決的問題。本文根據當前高校基礎力學教學的實際情況，通過問卷調查的手段，結合自身教學經驗和體會，分析總結基礎力學教學中存在的幾個問題，進而闡述在基礎力學課程教學中實施工程教育的可行性，提出工程教育背景下基礎力學課程進行改革的有效措施。

2現行基礎力學教學中存在的問題

課堂教學內容乏味基礎力學課程的特點決定了其教學過程中存在大量的公式推導和習題訓練等環節，如果教師經驗不足或不注意與工程實踐相結合，容易使學生產生畏懼心理或感覺枯燥，進而影響對課程的學習效果。為此，對齊魯工業大學機械設計制造及其自動化專業理論力學和材料力學的課堂教學進行問卷調查，結果顯示，65%的學生認為基礎力學課公式多、理論性強，學習有一定難度；有25%的學生認為該課程難度一般，只要多花點兒時間就可以學好該課程；僅有10%的學生認為該課程內容較簡單。調查結果顯示，多數學生對公式推導和部分習題感覺吃力，僅有少數學生對公式推導和習題講解過程能夠理解透徹。之所以產生上述問題，是因為基礎力學課程需要一定的數學、物理基礎和較好的邏輯思維能力，容易使學生感覺到基礎力學課程有一定的難度，如果教師引導不利或學習方法不當，容易使得學生產生畏懼心理甚至抵觸情緒，最終影響基礎力學課程的學習效果。實驗教學模式古板以齊魯工業大學為例，目前該校開設基礎力學的各專業中，只有機械設計制造及其自動化專業和過程裝備工程及其自動化專業的材料力學開設8個學時的實驗，而材料成型及其自動化和汽車服務工程等專業的工程力學則不開設實驗。由于學生多、任課教師和實驗設備不足等原因，該課程實驗教學均是驗證型實驗，即教師講解實驗原理、操作步驟和注意事項等，然后示范操作，學生按照教師的示范再操作一次，甚至只讓學生觀摩而不動手操作。這種實驗教學模式較為古板，在實驗課堂中學生只能被動接受，很難產生師生互動，限制了學生主觀能動性的充分發揮，使教學內容與工程實踐產生脫節，與提高學生工程素養的教學目標不相符。

教學內容與工程實踐脫節目前，不少高校都在縮減專業基礎課程的學時。以齊魯工業大學為例，機械設計制造及其自動化專業的理論力學由原來的80學時減為56學時，材料力學由原來的72學時減為64學時（含8學時實驗），其他專業（如汽車服務工程和材料成型及其自動化等專業）的基礎力學開出學時則更少，但是考慮到后續課程和學生考研等需求，需要講授的內容基本沒減少。為了完成教學計劃，教師在課堂教學中僅能講授教材內的基本理論知識，無法開展與工程實踐相關的教學環節，更談不上滿足工程教育的教學要求。課程考核方式不合理我國高校各專業的基礎力學課程多數采用傳統的考核方式，期末總評成績由期末考試的卷面成績和平時成績各占一定比例計算得出。由于學生多、教師少和教室緊張等原因，多數基礎力學課程為多個班級合堂上課，任課教師很難掌握每個學生平時的學習表現，所謂的平時成績也僅能包括考勤、作業或小測驗等。這就使得部分學生上課僅僅是為了應付考勤，而不注意聽講，同時作業抄襲的現象也比較嚴重。為了應付考試，部分學生選擇考前突擊復習，甚至作弊。因此，這種傳統的考核方式容易造成學生只為應付考試，不注重平時的課堂學習和知識積累，使得學生對知識的掌握不系統，無法自如地將所學知識用到工程問題實踐中。

3基礎力學課程教學中實施工程教育的可行性

掌握扎實的工程基礎應用知識是工程教育模式的基礎與核心[1]。由于科學技術的發展速度很快，工程應用領域里許多看似深奧的技術很快就會被新興的技術所取代，只有專業基礎知識掌握扎實的人才可以通過不斷學習適應不斷發展的科學技術。因此，基礎力學作為工科的一門專業基礎課，在其教學過程中實施工程教育是十分重要的。在基礎力學課程教學中實施工程教育，有助于實現培養計劃所規定的教學目標，這一點從基礎力學課程的課程屬性及其在課程體系中所處的位置都可以得以體現。如果基礎力學課程沒有學好，后續專業課程的學習就會變得更為困難，并且會影響將來的職業發展和提高。基礎力學的相關理論知識均來自于工程實踐，學生所學的知識和培養的能力更需要在實踐中檢驗[2]。因此，基礎力學課程中的實踐環節對于培養學生的實踐和創新能力十分重要。專業基礎課中的基礎理論知識是對最共性和最基本的專業知識的總結，如果對其掌握不夠牢固或理解不夠透徹，就不能靈活解決千變萬化的實際問題。要想靈活應對各種實際工作中的問題，必須在基礎力學教學中關注工程實踐。為此，只有精心設計基礎力學課程的教學過程，使其熟練掌握工程基礎應用知識，才可以實現對學生實踐和創新能力的培養，進而構建系統的專業技能。

4基礎力學教學改革的措施

教學內容的項目化設計基礎力學課程改革可以考慮從教學內容的項目化設計著手，而教學內容的項目化設計要充分結合工程能力指標進行，因為工程教育的理念更加突出教學案例的基礎性和前沿性，更加注重學生實踐能力及創新能力的培養，更加注重教學內容與工程背景的結合。如在講授理論力學中桁架結構的相關知識時，講授完基本理論知識后，可讓學生從身邊的工程實例中尋找桁架應用的實例，引導學生分析、簡化、建立并求解結構的力學模型，對結果予以分析，并以此為基礎制作實驗模型，對計算結果進行實驗驗證。項目化設計還可以考慮在課程最后設立綜合大作業，給出或讓學生從工程中尋找一個實際的機構或結構，引導和幫助學生建立該機構工作時的力學模型并對其進行求解，將求解結果與實際情況進行對比，讓學生分析理論計算與實際情況存在差別的原因。通過基礎力學教學內容的項目化設計，可以加深學生對其教學內容的理解與掌握，進而實現工程教育相應的能力指標要求。利用學生的關注點進行創新能力的培養在基礎力學的課堂教學過程中，可將學生的最新關注點與基礎力學的教學內容相結合，激發學生興趣，拉近師生距離，活躍課堂氣氛，進而引導學生發現問題、分析問題和解決問題。如在講授每一章節知識后，可將時下學生所關心的新聞事件與教學內容相結合，由學生與教師溝通并選定相關主題，在課堂上對自己所選問題的力學原理和解決辦法進行介紹，讓學生學會如何將所學基礎理論知識綜合應用于工程實踐中。此舉可提高學生的表達與溝通能力，也為學生創造一個輕松的課堂氛圍，進而實現工程教育中創新性思維和團隊協作能力的培養目標。

工程技術問題都是客觀存在的，不能隨意對其假設或猜測[3]。在處理工程技術問題時，必須將理論知識和實踐經驗相結合，分析問題的本質并提出解決辦法。基礎力學課程的內容由簡單到復雜，知識結構詳盡且系統。其中從靜力學中的基本公理到材料力學中的基本變形，再到彈性力學的能量原理都是在科學的推理、計算和實驗驗證下得出的結果。如在材料力學的研究范圍內分析小變形、彈性桿件的安全問題時，根據材料力學相關理論，從外力分析到內力計算，再到應力和變形，最后解決桿件的強度、剛度和穩定性等安全問題。這一分析過程既訓練學生的數學運算能力，又培養學生的邏輯推理能力，使學生養成良好的工程語言表達能力，并逐步掌握在工程實踐中發現、分析和解決問題的能力。基礎力學課程中的這些訓練是工程能力指標最基本的體現。另外，在基礎力學課程的教學中，可通過引導學生發展想象能力，訓練其邏輯思維能力[4]。如在講解完桿件拉壓強度的問題之后，改變相應的已知條件，如外力大小、桿件材料、桿件尺寸形狀等，或者讓學生思考在工程實踐中得到上述哪些條件時會遇到障礙，引導他們思考分析并最終解決問題。如果學生遇到困難，就幫助其分析并找出遇到困難的原因。這種以鍛煉學生形象思維為目的教學，能夠增強和鍛煉學生邏輯思維能力及解決實際問題的能力。課堂表現形式的多樣化設計基于對學生問卷調查的結果，針對基礎力學課程理論性強和公式推導難度大的特點，教師在講解理論知識時應注重引入易引起學生興趣的工程案例，增強知識的趣味性和實用性。如在講授疲勞失效這一節時，可通過引入貨車司機因超載而引發事故的案例，分析汽車主軸產生失效的原因，講解相關理論知識。利用這樣一個例子引出本節的內容，能夠更好地吸引學生的注意力和活躍課堂氣氛，用理論知識合理解釋工程實踐中遇到的疲勞失效問題。不僅加深學生對理論知識的理解，而且培養學生學以致用的能力。工程實踐中很多實例都可以利用基礎力學的理論加以解釋，在課堂教學中應注意利用該方法引導學生分析歸納并總結提煉自己的想法，培養他們解決實際問題的能力，實現工程教育的教學目標。基礎力學課程教學的表現形式除課堂講授外，還可以設計專題討論會的環節。如根據基礎力學課程的知識點提供幾個討論主題，要求學生利用圖書館或互聯網等資源，查閱資料，制作匯報材料，鼓勵學生課堂上講解并交流討論。通過這種討論可以激發學生的學習積極性，將傳統的單向知識傳授擴展至基于問題解決的師生互動學習，進而培養學生的交流溝通能力和團隊協作能力。試行靈活的實驗教學模式教學環節不應該只以教師為主體，而應該是師生互動的教學過程[5]。

在專業人才培養方案中將基礎力學課程中的實驗類別從驗證型修改為設計型，對于設計型實驗，教師僅給出實驗的預期目的，讓學生設計實驗的思路，經與教師討論方案可行后，通過查閱資料學習實驗設備的操作方法，自己動手進行實驗。實驗過程中如若遇到問題，及時找老師或同學共同商討解決問題的辦法，引導學生獨立分析實驗數據和規范，撰寫實驗報告。這種實驗方式可使學生由被動變主動，提高學生在實踐中運用所學知識的能力，實現工程教育的教學目的。對于高年級學生，可以根據不同的專業，開設相應的力學綜合開放實驗環節，只要學生有好的想法且思路是可行，或教師引導學生發現好的力學課題，由學生設計解決方案，然后利用實驗室現有設備和軟件解決問題。指導學生利用現有教學資源和實驗室資源，參加各種力學競賽，鼓勵學生撰寫小論文，培養學生的科研能力和創新意識。改革課程考評方式課程考評是教學過程的重要組成部分，不能簡單理解為傳統的書面考試，可由多種形式組成。根據基礎力學課程的特點，其考評內容可由力學軟件應用（占10%）、力學模型制作（占20%）、分組報告會（占10%）、實驗報告撰寫（占10%）、平時作業及試卷考核（占50%）等組成。評價形式可采用學生自評、學生互評和教師評價等形式，重點考察學生在各個環節中所起的作用及所負責項目的完成情況，以及與其他學生協作能力等指標。這種考核方式可以避免傳統考試的各種弊端，促進學生的學習積極性，使學生對課程學習產生濃厚興趣，提高對基礎理論的理解和掌握。通過幾個不同階段的教學實踐環節，使學生感到基礎力學課程的重要性，對后續專業課程的學習產生幫助，進而提高學生的實踐能力和創新能力。

5結語

為了解決目前基礎力學教學中存在的問題，使其適應工程教育的人才培養目標，培養學生解決實際工程問題的能力，在教學過程中要有意識地培養學生的工程素養。基礎力學課程的教學改革正是基于應用型人才培養的一次嘗試。課程改革需要反復的探索和實踐，課題組將繼續開展并深化基礎力學課程的教學改革，使其利于應用型人才培養模式目的實現。

參考文獻

[1]車金如,齊暉,馬永鄭,等.基于CDIO理念的TM-CDIO理論力學教學改革的探索[J].寧波工程學院學報,2013,25(2):74-78.

[2]楊開云,白新理,劉云,等.理論力學課程教學改革與實踐[J].華北水利水電學院學報,2008,24(3):104-106.

[3]吳立軍,王瑞金.面向應用型人才培養的理論力學改革與實踐[J].浙江科技學院學報,2008,20(2):133-136.

[4]楊亞平,沈海寧.土木工程專業理論力學教學改革芻議[J].高教論壇,2009(3):95-96.

[5]李為虎.一種工科理論力學教學模式的構思與實踐[J].力學與實踐,2010(3):126-127.

作者：王明祿 許崇海 魏高峰 周泉 單位：齊魯工業大學機械與汽車工程學院