工科研究型大學專業課程教學改革

于開平+王秋生+趙婕

摘 ? ?要：本文以工程力學專業課“結構動力學”的教學與考試方法改革為例，談談作者對工科研究型大學專業課教學與考試方法改革問題上的一些體會和認識，包括科學研究及成果與經典教學內容的融合，計算機編程語言、視頻及商用軟件等信息技術的合理利用等問題。

關鍵詞：工科;專業課;教學方法;考試方法;改革

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2015）08-0001-03

專業課程是本科專業的主要載體，蘊含了專業的最主要特征，專業課程的教學在整個本科階段所占的地位是非常重要的，直接關系到學生對本專業的熱愛程度，更確切地說直接影響了學生培養水平和畢業生的質量。專業課教學的重要性顯然是毋庸置疑，然而近年來的教學改革與實踐成果，專業課的還是偏少，從上到下，更多關注的還是受眾面更廣的公共基礎課或者技術基礎課。不過，隨著高等教育對創新人才培養要求的提高，專業課的教學改革與實踐也開始逐漸得到教育者的重視[1]。本文首先對專業課程的教學及其深入改革的目標進行了闡述，然后根據自己多年的教學體會，從幾個方面總結了科學研究、信息技術對專業課教學的促進作用，并淺議了合理有效利用的方式，最后針對專業課程的考試方式，結合教學實踐強調了實踐性考試對專業課程考核的重要性。

一、專業課教學與改革目標

為適應新形勢下的教育改革需求，哈工大對所有專業培養方案進行了全面修訂，修訂后的2012版培養方案的目標和原則，與以往相比更加突出實踐教學與創新能力培養，并提出各專業要加強校企合作。為實現這些目標，顯然專業教育類課程要承擔更多的任務。

課程的教學與改革，教師是實施主體。我們認為，一個優秀的專業課教師，不僅能夠教授學生本門專業課程的重要概念、方法，還能培養學生利用專業知識解決工程問題的能力，能夠引導學生深入到本門課程所支撐的學科方向，啟發學生進行研究性思考，和研究性學習，獲得初步的研究能力，并初步理解科學精神的內涵。因此，專業課教師在教學方法和考試方法上進行適度的改革是必要的，例如，將科研過程中遇到的學生在本科階段也能較好理解的科研問題及時引入教學，科研用的手段和開發工具也及時用于教學，科研過程中的體會和感悟揉入課堂教學，讓學生感受到科研的魅力并愛上科研，進而大大增強對本門專業課程的學習興趣。這種教學改革對任課教師的科研能力有很高的要求，要求任課教師在專業課程相關的學科方向上有較高科研水平，并一直堅持該方向的科學研究，承擔過該方向以科學理論研究為主要目標的項目，更應該承擔過以解決工業部門潛在或現實存在的工程實際問題為目標的項目。國外著名大學本科專業課的任課教師，大多數都是由知名的高水平教授擔任，就是為了達成這樣的培養目標。研究型大學的學習方式就應該是研究性的，這已經得到了一些專家的認同[2]，專業課教學首當其沖應該承擔起培養學生研究性學習的任務。

二、專業課教學方法改革

（一）科學研究與專業課教學

科學研究成果對工科研究型大學的專業課程教學的促進作用，應該是不用討論的命題。很難想象，沒有做過課程相關學科方向科學技術研究的人，能把專業課程展示得更加精彩，如學科目前的發展及應用，前沿技術和理論可能都無法給學生介紹得清楚。本文并不想去論證這個毫無爭議的問題，只是想從自己的教學體會談談，可從哪些方面去加強和促進專業課的教學效果。

1.從科技史的角度去豐富課程內容。專業課的緒論是本門課程科技史的最佳載體，有人認為，緒論沒啥好講的，而我們認為恰恰相反，能把緒論講好是非常不容易的，需要教師諳熟本門學科發展歷史、本門學科特定科學研究方法，并以故事的形式講述出來，才能達到第一課就抓住學生眼球的效果。在緒論講述科技史，這一點應該是多數教師都認同的，但在課程中間加入科技史內容，其實同樣有很好的教學效果。例如，在振動理論與應用類的課程里，共振是主要的概念之一，在用數學模型給出共振現象的解釋時候，可以加入科技史的內容，給學生以更感性的認識，例如，1940年美國塔科馬海峽（Tacoma Narrows）大橋在風力作用下垮塌，就是典型的共振破壞。同時，還可以給學生簡介一下，當初在確定破壞原因的時候，很多科學家認為是風和結構耦合作用結果，而20世紀最偉大的應力力學家馮·卡門則認為是橋梁結構設計不合理引起了氣流旋渦運動，這個運動以規則的方式產生了一個固定頻率的激勵力，該激勵力與結構固有頻率相近從而引起了共振。

2.將最近幾年的相關學科成果融合進教材。教材一方面要反映學科最重要的基本理論和方法，一方面還要一定程度地跟蹤學科的最新發展，但是很多學科的最新發展很難在有限的課堂教學時間內講清楚，而且有些成果需要很深入的數學工具，過程也十分繁雜，因此這樣的一些成果寫進教材就不十分合適。但是有一些對基本理論和方法簡單擴展的，或者新思想、新方法比較容易理解和接受的，這些內容就適合于教材的修訂內容。我們結構動力學教材最新修訂就體現了這個原則。將隨機振動分析的虛擬激勵方法，以及作者自己提出的結構動力響應數值計算方法，經過幾年的教學實踐后，修訂進教材。將合適的新成果寫進教材是修訂的重要內容，但我們也有這樣的觀點，在修訂之前，至少經過一輪的教學實踐，這樣如何將新成果用教材的語言來描述就更清楚了。

3.將教師科研課題研究成果適度揉入課堂。前面已經說過，一個優秀的專業課教師，應該一直從事課程相關學科的科學研究，并有一定的造詣，還應該有承擔工業部門課題的經歷。這樣就可能將自己的科研成果或者自己解決工程問題的經驗與學生分享，這會讓學生感到學有所用，感覺到自己不僅僅在學習，也是在研究，同時也會很快建立起對任課教師的信賴和尊崇，提高學習興趣和效果。例如，在結構動力學課程上，在講復雜結構建模時，我們講述一個實際火箭復雜，如何簡化建模為梁模型，這就是我們承接的一個科研課題演化而來的。在講述結構動響應數值計算方法時，把我們自己提出的改進算法也加入對應的章節中，在課堂上講述。

上述穿插的科研成果，用教材的語言陳述這些成果及其依托的理論，實踐證明效果明顯。

（二）有效使用信息技術

信息技術是現代教育技術的主要內容，應用得好，可以幫助學生理解和掌握課程的基本教學內容，尤其有一定深度、圖形和公式繁復的內容（專業課主要特點之一），事半功倍、節省課內的教學時數，更重要的是，可以提高課程研究性學習的效果。但近年來，關于有些信息技術，例如PPT的使用，出現了不少爭議，進而有否定信息技術促進作用的傾向。有效使用信息技術，可以提高教學效果，這也應該是不爭的事實，關鍵是要適度使用、有效融合。下面以專業課的教學為例，就PPT、動畫、計算機語言，以及商用軟件程序等典型信息技術的使用，以結構動力學課程為例，談談看法。

1.關于PPT的使用。力學專業課中有很多公式十分復雜，有的黑板一行寫不下，這不僅容易出錯，也很浪費課時，還有動畫，以往基本沒有展示手段，一些復雜的圖形，計算機畫出來的漂亮又直觀，計算機技術帶給了我們無限可能。因此，一段時間內大家廣泛使用PPT，以至于近年來PPT鋪天蓋地，大學課堂幾乎不見板書，教師用“電子黑板”“電子課本”對學生進行“電灌”，學生也不再記筆記了，PPT的缺點明顯被放大，學生以及部分教師對此都開始懷疑和抵觸。的確，一門課程全部用PPT，有幾方面的問題：一是進度過快，學生跟不上思路，也就無法記筆記，也容易疲倦，導致聽課效果差;二是教師長期使用PPT，甚至幾年都用一個，連重點內容和公式自己都不在備課時再一次推導，導致備課不認真。事實上這不是PPT本身有什么問題，而是沒有合理使用。我們認為，一些重點公式及其細節的推導，板書效果更好，就是需要課前設計好，本節課那些用PPT，那些用板書，應該每節課都是板書和PPT的無縫結合。另外，制作PPT課件時要遵循多媒體教學的設計理論， 要突破簡單的演示型模式，提供豐富的多媒體資源，加強制作技術。

2.關于動畫和視頻。動畫和視頻這種媒體技術，帶給聽眾的視覺沖擊和影響是傳統教育手段完全無法比擬的，我們提倡在課堂上，尤其是工科專業課的教學中廣泛采用動畫和視頻。當然，不能將課堂變成影院，需要控制播放時間，一段動畫一般不要超過2分鐘，視頻不要超過10分鐘。

對于結構動力學課程，動畫的使用是必需的，可以非常直觀地表現復雜結構振動形態。我們在講述兩自由度振動問題時，用VB語言開發了兩自由度系統振型動畫，能直觀地看出一階同向振動形態和二階反向振動形態以及節點的存在。 在講述梁的各階振動形態時，我們制作了不同邊界條件下梁的前若干階振型動畫，課堂講到這個內容時，適時播放效果很好。

一般在緒論中，演示視頻更為合適，因為視頻只是定性地說明一種現象。在實質內容講述時，引入視頻有時也是必要的，也可以起到很好的效果。例如，在講到板的振動形態時，我們會播放一段TED關于聲音可視化技術的演講視頻。聲音的主要特征是頻率，所含的頻率成分是可以通過可視化技術再現的。這種新技術其實主要的原理就是用聲音去激勵一個平板，不同頻率的聲音會激勵平板的不同階主振動，主振動的形態可以用可視化技術顯示，看到不同形態根據板的計算結果就可以得出頻率的大小。視頻內容與教學內容銜接緊密，在深刻理解板的振動同時，激發了學生科學探索意識。

3.關于計算機語言和商用軟件。專業課的一大特點就是數學模型和公式復雜，有時很難從公式中直觀看出參數變化的影響，直接用傳統方法畫圖又費時費力，畫得還不一定準確和美觀，而用計算機語言畫出隨參數改變的曲線，快速、準確和美觀，但可能計算機語言的學習又是一個問題。隨著Matlab語言的出現，為課堂教學帶來很大方便，該語言是文本式的，好學易用，在國外大學幾乎大學生人人都會用。以結構動力學課程為例，在單自由度振動問題中，放大因子曲線、頻率響應函數曲線以及振動傳遞率曲線等都是重點內容，我們在課堂上直接給學生看源代碼，改一個參數給出一個曲線圖，這些曲線都是畫在一張圖上的，改3—5個參數就可以看出規律，教學效果非常好。幾年來的教學實踐體會，我們認為不僅結構動力學這門課程，其他一些工科專業課程應該都能夠做到這一點，采用Matlab輔助教學，都能收到奇效。

現代計算技術的飛速進步，使得工科很多領域的理論知識都形成了商用軟件，在各個工程領域廣泛應用。以力學為例，以有限元方法為基礎的現代CAE軟件，發展到今天已經非常成熟，絕大多數的力學基本理論和方法，甚至科學技術人員正在研究的前沿理論和方法，在軟件中都有體現，一個軟件，例如Nastran、Ansys、LS_ DYNA、Abaqus等，幾乎就是一個力學大全，而且軟件中計算模塊大都已經為工程實踐證明是可靠的。航空航天、船舶水利、建筑橋梁、能源動力、機械、交通等諸多工業部門在產品設計中，很多都采用了這樣的軟件進行分析和優化，這些領域的學生本科或碩士畢業后，到工業部門幾乎都會或多或少遇到這些軟件的使用問題，尤其是力學相關的專業，因此，在本科階段，加強這方面的訓練和培養是非常必要的。美國的工科課程中安排較多時間讓學生學習和應用工程應用軟件，利用這些軟件“幫助本科生能干博士生的活”[3]，也應該是出于這樣的考慮。我們通過大作業和課程設計的方式，讓學生對照結構動力學理論方法應用商用軟件，這樣在學會用軟件的同時更進一步加深了對理論的理解，同時體驗了工程師的工作方式和內容。

總之，現代教育技術的應用是必要的，但要注意技術的應用應該能引起教學深度和廣度的深刻變化，能引導學生盡快從理論走向實際工程應用，應該能引導教師采用更先進策略啟發學生科學思維，激發學生的實踐創新精神。現代的優秀教師應該都能掌握這些先進的教育技術，并適度引入課堂。

三、專業課考試方法

工科專業課一般都具有很強的實踐性和理論的深入性，有的要求學生通過試驗、計算機仿真等手段掌握解決問題的能力，有的理論性很強，要求學生有熟練使用數學工具、推導復雜公式的能力，這些特點就決定了僅僅用期末一卷考核的不科學性。例如，有的課程由于理論復雜，一道題要做30分鐘以上，這就不適合僅僅用期末一卷考核的辦法。我們認為，大多數工科專業課程，都可以采用試驗、計算機仿真（上機）、大作業、口試、期中、期末試卷等綜合手段進行考核，可不全用，但一般至少應該包含兩種以上，根據不同課程具體情況而定。對于涉及學生保研的專業基礎課，期末試卷環節一般都應該有，此外，為了保證評價的客觀性，如果有實踐環節還應該輔助口試。對專業核心課程，試卷可考慮開卷。對專業選修課程，一般應該有大作業，甚至可以沒有其中和期末的試卷環節。結構動力學課程除了課堂理論教學以外，還設置了必要的試驗和上機教學環節，我們認為工科專業課大都應該有試驗和上機的實踐環節。考核方式上，實踐環節除了上交報告以外，還在期末考試結束當天或第二天，利用半天多的時間進行口試，這樣既可以考查學生對本門課程綜合掌握程度，還保障了實踐環節給分的客觀性，盡管這需要教師多花一些時間，但是必要的。這么多年我們一直堅持這樣考核方式，學生反映也很好。

我們認為，工科研究型大學本科階段專業課程的教學及改革目標最重要的是要使學生從被動接受到主動研究，思維和學習方式都漸變為研究性的。為了達成這樣的目標，任課教師本身的科研經歷、科研成果與本科專業課教學內容的融合以及現代教育技術使用能力十分重要，另外，教師本身的積極性可能更加重要，如果教師的教學積極性被調動起來，本文提出的一些關于如何提高專業課教育教學效果的看法和建議，不用花費很多時間和精力就可以付諸實踐，也必將能取得預期效果。本文提出的一些建議，應該能為如何使工科專業課的學習向研究性方向轉變提供有益的參考。

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