“周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”對力學(xué)教學(xué)的創(chuàng)新

賈 杰

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”是教育部高教司主辦的大學(xué)生科技競賽項目，其目的在于培養(yǎng)人才、服務(wù)教學(xué)、促進高等學(xué)校力學(xué)基礎(chǔ)課程的改革與建設(shè)。截至目前，該競賽已經(jīng)舉辦了9屆，其影響規(guī)模、競賽水平得到全國各高校的認可。筆者從第七屆開始作為東北林業(yè)大學(xué)的主要指導(dǎo)教師組織、輔導(dǎo)學(xué)生參加該競賽，已連續(xù)參與了3屆，本文將此過程中得到的經(jīng)驗、體會與力學(xué)教學(xué)創(chuàng)新相融合，總結(jié)如下。

1 對課堂教學(xué)的創(chuàng)新推動

高等院校對于素質(zhì)教育的要求越來越高，怎樣讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)掌握更多的知識和最新的技術(shù)方法是一個亟待解決的問題[1-4]。

1.1 引入探究式教學(xué)模式

力學(xué)課程的特點是基礎(chǔ)理論概念比較抽象，理論性較強，從力學(xué)模型提出到理論建立，往往需要應(yīng)用抽象化的方法對研究對象加以分析、歸納、綜合和數(shù)學(xué)推演，對學(xué)生而言并不容易[5]。然而正是因其不容易，教師更要發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，否則課程學(xué)習(xí)將變得十分枯燥。“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”的開展一方面是為增進大學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的興趣，吸引、鼓勵廣大青年學(xué)生踴躍參加課外科技活動，另一方面有助于發(fā)現(xiàn)和選拔力學(xué)創(chuàng)新的后繼人才。結(jié)合競賽，我校力學(xué)教師變革傳統(tǒng)教學(xué)模式，在教學(xué)過程中引入探究式教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)概念和原理時，教師精心設(shè)計，提出難度適宜的一些事例和問題，讓學(xué)生自己通過閱讀、觀察、實驗、思考、討論、聽講等途徑去獨立探究，自行發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)的原理和結(jié)論[6]。比如，在講授軸向拉壓的時候設(shè)問“箱包的什么部件最容易損壞？在拖著箱包行走的過程中，拉桿發(fā)生了何種變形？”在講授壓桿穩(wěn)定的時候設(shè)問“如何定量分析擊劍運動員刺中對方時在劍中發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象？”和“加大拿魁北克大橋倒塌的原因是什么？”這些問題結(jié)合了現(xiàn)實生活中的力學(xué)問題，創(chuàng)設(shè)了問題情境，引發(fā)學(xué)生主動思考的興趣。探究式教學(xué)模式突出了學(xué)生的主體性地位，讓學(xué)生主動地探索科學(xué)原理，掌握認識和解決問題的方法和步驟，這種教學(xué)方法有助于培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神的人才。

1.2 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”的考試內(nèi)容主要包括“理論力學(xué)”和“材料力學(xué)”，以材料力學(xué)為例，教師在授課過程中發(fā)現(xiàn)：該門課程涉及的公式推導(dǎo)較多，比如關(guān)于梁橫截面上正應(yīng)力計算公式的推導(dǎo)需要分別從幾何方面、物理方面、靜力學(xué)方面來加以考慮；課程中有很多抽象的概念很難用語言或文字簡單表達，比如復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和廣義胡克定律；教材中一般都是比較成熟經(jīng)典的知識，學(xué)科的研究熱點、發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀介紹不夠[7]。針對這些問題，傳統(tǒng)的板書式教學(xué)或單向的多媒體教學(xué)均難以有效解決，為此，東北林業(yè)大學(xué)創(chuàng)新推進使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(見圖1)，這種利用多媒體和流媒體技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和實施教學(xué)活動的教學(xué)手段，使得學(xué)生可以利用課前和課后的時間瀏覽使用該教學(xué)平臺，作為課堂學(xué)習(xí)的補充和延展，教學(xué)平臺上豐富的課外資源也成為學(xué)生了解、參與力學(xué)競賽的窗口，進一步提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

圖1 東北林業(yè)大學(xué)材料力學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

1.3 推行分階段考試方式

“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”盡管是在基礎(chǔ)知識上進行拔高，但其根本還是對學(xué)生力學(xué)原理和基本理論學(xué)習(xí)的考核，從歷次帶領(lǐng)學(xué)生參與競賽的經(jīng)歷看，教師發(fā)現(xiàn)最終能夠在比賽中取得好成績的同學(xué)往往對基礎(chǔ)知識掌握十分牢固。東北林業(yè)大學(xué)目前對部分課程試點采用分階段考試方式，基礎(chǔ)力學(xué)課程均涵蓋其中，這不得不說是一個具有前瞻性的探索。這種對考試方法的改革在一定程度上效仿了國外大學(xué)對學(xué)生的測評方式，區(qū)別了過去“一次定輸贏”學(xué)生評價辦法，重視了學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。具體做法為：期末成績=平時成績+實驗成績+第一次考試卷面成績×20%+第二次考試卷面成績×20%+第三次考試卷面成績×20%+期末考試卷面成績×20%。其中，平時成績按照出勤情況、作業(yè)完成次數(shù)及質(zhì)量給出；實驗成績按照4次實驗完成質(zhì)量(預(yù)習(xí)、操作、實驗報告)給出；課程測驗(3次)和期末考試采取閉卷考試形式(百分制)，按照評分標(biāo)準(zhǔn)給出。分階段考試方式促使學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊檢驗，對所學(xué)知識掌握更為牢固，也就具備了參與高水平競賽的基礎(chǔ)。

2 對實驗教學(xué)的創(chuàng)新推動

實驗教學(xué)是高等教育中不可缺少的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，具有直觀、實踐性強與有助于更好地理解理論知識等特點[8-10]。“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”將實驗創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提高到與理論創(chuàng)新能力同樣的高度，從第六屆競賽開始，進行基礎(chǔ)力學(xué)的團體實驗競賽，以促進學(xué)生實驗動手創(chuàng)新能力和團隊合作創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，這種做法無疑對本科力學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新起到了很好的推動、促進作用。

2.1 開放式實驗室

實驗室是教學(xué)實驗的重要場所，為支持學(xué)生的科學(xué)研究，我校力學(xué)實驗室實行開放式實驗室管理制度。過去封閉式實驗室雖然保障了實驗設(shè)備的安全，降低了實驗教師的工作量，卻也造成實驗室利用率低下，資源設(shè)備閑置，以及學(xué)生對實驗興趣缺乏，為應(yīng)付考試而完成實驗等問題。開放式實驗室對學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)發(fā)揮著巨大作用，它使學(xué)生變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供更多動手的機會，這對提高學(xué)生獨立思考、獨立操作能力的培養(yǎng)以及從事實驗研究興趣的激發(fā)是非常重要的。

我校力學(xué)實驗室的開放制度主要強調(diào)以下3個方面：①根據(jù)不同層次、不同專業(yè)的學(xué)生和要求，確定開放內(nèi)容，不僅鼓勵學(xué)生參與教師課題的研究，學(xué)習(xí)解決實踐性和研究性問題，更提倡學(xué)生自擬實驗課題，進行小發(fā)明、小設(shè)計和小論文等課外科技活動，在實驗過程中，指導(dǎo)教師注意加強對學(xué)生實驗?zāi)芰Α?chuàng)造性思維方法和嚴謹治學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)。②鼓勵學(xué)校各級社團、興趣小組利用實驗室資源進行學(xué)術(shù)講座、培訓(xùn)活動，實驗室提供一切可能的便利條件，此舉主要為培養(yǎng)大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。③實驗教師注意收集、管理學(xué)生的科學(xué)研究成果，設(shè)置相應(yīng)的規(guī)章制度，督促學(xué)生在實驗完成后向?qū)嶒炇姨峤粚嶒瀳蟾婊蛘撐牡葘嶒灲Y(jié)果，同時，實驗室做好成果和論文的推薦發(fā)表工作，也由此保護學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)熱情。

2.2 團隊協(xié)作學(xué)習(xí)

團隊協(xié)作學(xué)習(xí)是一種以協(xié)作學(xué)習(xí)小組為基本形式，調(diào)動教學(xué)系統(tǒng)中一切積極因素，促成學(xué)習(xí)者積極互動，主動探索，并以團體績效和組員成績有效結(jié)協(xié)作為整體評價體系的新的教育方法[11]。“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”的團體賽采用團隊課題的研究方式進行，這就要求學(xué)生相互合作，彼此保持默契，而這些非一朝一夕就能練成。因此，我們在平時的力學(xué)實驗教學(xué)中特別注意培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神，以團隊協(xié)作學(xué)習(xí)組織學(xué)生參與實驗。具體做法為：結(jié)合開放式實驗室制度，以大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目等學(xué)生科技活動為切入點，由學(xué)生自愿組成學(xué)習(xí)小組，選定指導(dǎo)教師，形成小組式學(xué)習(xí)團隊。在團隊中，因?qū)W生有共同的學(xué)習(xí)目標(biāo)，協(xié)作時能夠相互監(jiān)督、彼此促進，在教師的指導(dǎo)下求同存異的學(xué)習(xí)。這種協(xié)作學(xué)習(xí)方式使得學(xué)生增加了相互之間的交流，對科學(xué)研究問題的認識更為深入，既激發(fā)了個體學(xué)習(xí)的潛力，也培養(yǎng)了學(xué)生的團隊責(zé)任意識。同時，教師與學(xué)生的關(guān)系從“一對多”的形式變?yōu)椤耙粚σ弧保笇?dǎo)教師對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的掌控也更加有效。

2.3 虛擬實驗系統(tǒng)

在實驗教學(xué)創(chuàng)新的洪流中，力學(xué)虛擬實驗已經(jīng)被多次提起。虛擬實驗系統(tǒng)作為真實實驗儀器的補充，可以在計算機上完成全部實驗過程，由此大大降低了學(xué)生實驗成本，也彌補了學(xué)生人數(shù)過多所引發(fā)的實驗條件不足，同時降低實驗的危險性，更方便學(xué)生在課余時間預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，節(jié)約實驗時間[12]。這些優(yōu)勢逐漸得到各高等院校的認可，在力學(xué)實驗教學(xué)中采用虛擬實驗系統(tǒng)也成為我校努力的方向。在實踐中，力學(xué)教研室教師積極探索使用Matlab、有限元、計算機數(shù)值仿真技術(shù)開發(fā)虛擬實驗平臺。例如，利用Matlab仿真模擬圣維南原理點荷載的施加，避免了真實實驗無法準(zhǔn)確實施，實驗難度過大的問題，學(xué)生通過計算機學(xué)習(xí)實驗過程，增加了直觀性，有效地加深了學(xué)生對圣維南原理的理解；還有低碳鋼拉伸的實驗，通過虛擬演示不僅可以使學(xué)生熟悉實驗過程，還可以使學(xué)生清楚地觀測到低碳鋼在屈服時加載力表盤指針的擺動以及試件表面45度滑移線的產(chǎn)生，實驗最后還可以觀測到頸縮的產(chǎn)生以及試件斷面的情況[13]，增加了實驗學(xué)習(xí)的趣味性，提高了教學(xué)效果。

3 對教師能力提升的推動

參與“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，教師的教學(xué)、科研和教學(xué)改革能力也因此得到了大幅度的提升。

3.1 教學(xué)能力

指導(dǎo)學(xué)生參加“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”，教師的教育、教學(xué)理念得到升華，每一名力學(xué)教師都更加重視自身的教學(xué)水平與教學(xué)能力，不斷磨練教學(xué)基本功。東北林業(yè)大學(xué)沒有本科力學(xué)專業(yè)，力學(xué)教研室掛在土木工程學(xué)院，在指導(dǎo)學(xué)生參加競賽的過程中，教師首先對自身的教學(xué)能力進行了審視，為更好地發(fā)現(xiàn)、彌補不足，專門前往省內(nèi)其他院校交流學(xué)習(xí)，特別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)，其力學(xué)是國家重點的一級學(xué)科，教師們在聽課、交流、學(xué)習(xí)的過程中找到了差距，提升了自身的素質(zhì)，在之后的教研室內(nèi)部討論學(xué)習(xí)過程中又進行了二次總結(jié)和提煉，實現(xiàn)了教師之間隱性知識到顯性知識的轉(zhuǎn)化過程，以及教師團隊的內(nèi)部知識共享。教學(xué)活動的實踐效果也尤為突出，以力學(xué)教研室的青年教師為例，兩名教師在連續(xù)兩屆東北林業(yè)大學(xué)青年教師教學(xué)競賽中獲得一等獎第一名，后一人又代表學(xué)校在黑龍江省高校第二屆青年教師教學(xué)競賽中獲得工科組一等獎。

3.2 科研能力

教學(xué)與科研是彼此促進、相互增長的，力學(xué)教師在教學(xué)過程中需要豐富的專業(yè)知識來提升自身授課水平。“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”將競賽安排在全國力學(xué)大會上頒獎，以促進學(xué)生從本科階段就開始了解和接觸高水平的力學(xué)前沿研究，而這一舉措對于高校教師科研能力的提升也具有重要意義。教師帶隊參與競賽的過程中，有機會與力學(xué)領(lǐng)域的專家接觸、交流，了解最新的研究動向，引發(fā)科學(xué)研究興趣，找到適合自己的研究領(lǐng)域，也能夠與兄弟院校的教師相互切磋，取長補短，這種“走出去”的方式，不僅開拓了學(xué)生的視野，也增加了教師學(xué)習(xí)、成長的機會，對于教師科研能力的提升十分必要。

3.3 教學(xué)改革能力

東北林業(yè)大學(xué)力學(xué)教學(xué)團隊在輔導(dǎo)學(xué)生參加競賽的過程中，不斷發(fā)現(xiàn)教學(xué)方面的不足，認真思索分析后對所講課程開展適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)改革，教研室近年來在教學(xué)改革方面取得如下成績：主持省級教改項目2項，校級教改項目3項；“理論力學(xué)”課程被評為校級精品課，“材料力學(xué)”、“工程力學(xué)”被列為東北林業(yè)大學(xué)重點課程建設(shè)項目；主編出版科學(xué)出版社教材《材料力學(xué)》、《理論力學(xué)》、《工程力學(xué)》，清華大學(xué)出版社教材《力學(xué)實驗教程》；發(fā)表教學(xué)研究論文6篇，其中2篇分別獲得黑龍江省高等教育教學(xué)成果二等獎和黑龍江省高等學(xué)校教育技術(shù)論文評比二等獎。當(dāng)然這些還遠遠不夠，力學(xué)作為工科學(xué)生的基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻，以競賽和各類科技創(chuàng)新活動檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，尋找教學(xué)上的欠缺之處，實行教學(xué)改革，從根本上提高力學(xué)教學(xué)質(zhì)量勢在必行。

4 結(jié) 語

“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”的建設(shè)內(nèi)容中提到：繼續(xù)開展大學(xué)生競賽活動，重點資助在全國具有較大影響和廣泛參與面的大學(xué)生競賽活動，激發(fā)大學(xué)生的興趣和潛能，培養(yǎng)大學(xué)生的團隊協(xié)作意識和創(chuàng)新精神[14]。培養(yǎng)具有工程能力和創(chuàng)新能力的人才，是建設(shè)創(chuàng)新型社會和國民經(jīng)濟的發(fā)展對高等教育提出的要求[15]。以“全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”為契機，創(chuàng)新力學(xué)教育教學(xué)模式，探索出一條大學(xué)生課堂學(xué)習(xí)和課外實踐相結(jié)合的素質(zhì)教育途徑，切實提高基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)效率和教學(xué)效果。

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