新工科建設(shè)背景下“理論力學(xué)”教學(xué)普適性探索

田榮燕，嚴(yán)李強(qiáng)，劉寧波

（西藏大學(xué) 工學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

“新工科”是在不斷變化的國(guó)際國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中提出的我國(guó)工程教育改革方向。新工科建設(shè)是針對(duì)我國(guó)工程技術(shù)發(fā)展在教育領(lǐng)域的適時(shí)調(diào)整而提出的指導(dǎo)性方針政策?！靶隆钡膬?nèi)涵和外延根據(jù)各學(xué)校、各專業(yè)的發(fā)展而呈現(xiàn)不同的特征。社會(huì)發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造以及高新技術(shù)的運(yùn)用，需要對(duì)傳統(tǒng)專業(yè)進(jìn)行改造，提出較為普適性的改革措施[1]。普適性措施強(qiáng)調(diào)通識(shí)教育與專業(yè)教育課程的有機(jī)結(jié)合，建立綜合課程教學(xué)模塊[2]和更完善的教學(xué)體系，培養(yǎng)更寬泛的工科人才。在課程建設(shè)方面，重點(diǎn)突出現(xiàn)代工程專業(yè)的實(shí)踐教育環(huán)節(jié)，體現(xiàn)工程主體，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、積累經(jīng)驗(yàn)[3]，能夠讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自我學(xué)習(xí)。

西藏是我國(guó)少數(shù)民族聚居的地區(qū)之一，目前西藏的教育水平與全國(guó)平均水平相比仍有較大差距。在師資和學(xué)生基礎(chǔ)較差的情況下，如何提升工科教育水平，培養(yǎng)更多、更優(yōu)秀的人才服務(wù)于西藏社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，是目前西藏高等教育的重要任務(wù)。為適應(yīng)全國(guó)新工科建設(shè)進(jìn)程，尋求較為普適的本土高等教育發(fā)展模式，對(duì)一般性的課程建設(shè)進(jìn)行探索是有必要的。本文以工科基礎(chǔ)課程“理論力學(xué)”教學(xué)為研究對(duì)象，將課程內(nèi)容與新工科建設(shè)密切聯(lián)系，為傳統(tǒng)課程的教學(xué)找到較為廣泛適用的教學(xué)模式和方法。

1 傳統(tǒng)“理論力學(xué)”教學(xué)存在的問題

“理論力學(xué)”是學(xué)生進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)中接觸到的第一門力學(xué)相關(guān)課程，課程的教學(xué)內(nèi)容較多，除基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)體系的構(gòu)建外，在專題教學(xué)部分的拉格朗日方程、碰撞和振動(dòng)基礎(chǔ)等內(nèi)容需要更多的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備，教學(xué)內(nèi)容多而枯燥。用傳統(tǒng)的教學(xué)方法講授“理論力學(xué)”課程，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，有些學(xué)生還會(huì)產(chǎn)生厭學(xué)情緒。根據(jù)對(duì)2017級(jí)土木工程班級(jí)學(xué)習(xí)“理論力學(xué)”課程情況的調(diào)查，只有 6%的學(xué)生表示很好地掌握了該門課程，而認(rèn)為掌握得“較不好”和“不好”的學(xué)生占調(diào)查樣本的70%（見圖1）。出現(xiàn)這種情況的原因在于：

（1）“理論力學(xué)”教材中的一些概念缺乏新的表述，學(xué)生在學(xué)習(xí)中難于理解與高中階段學(xué)習(xí)的力學(xué)知識(shí)的不同點(diǎn)，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)感覺似熟悉，但又沒有掌握；

（2）解題思路與步驟的固化，缺乏一定的變通，因而無法達(dá)到教學(xué)的要求；

（3）學(xué)習(xí)中缺少與實(shí)踐的應(yīng)用聯(lián)系，根據(jù)一項(xiàng)調(diào)查顯示，絕大多數(shù)學(xué)生將學(xué)習(xí)的重心放在應(yīng)對(duì)考試上，思維得不到發(fā)散，學(xué)習(xí)面狹窄；

（4）專業(yè)教師的力學(xué)“功底”不強(qiáng)，不適應(yīng)教學(xué)的多樣性與實(shí)踐性[4]，仍沿用傳統(tǒng)教學(xué)方式，缺乏教學(xué)方法的變化，使教學(xué)過程變得枯燥。

圖12017級(jí)土木工程班學(xué)習(xí)“理論力學(xué)”課程情況

2 對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法的改進(jìn)探討

課程教學(xué)的目的是幫助學(xué)生建立起本學(xué)科的知識(shí)體系，并將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際生活和工作中。要達(dá)到這樣的目的，完全依靠教師的課堂講解是很難達(dá)到的，需要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中掌握充分的主動(dòng)性，教師則需要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生在學(xué)習(xí)上的主觀能動(dòng)性。以土木工程專業(yè)的教學(xué)為例，針對(duì)目前“理論力學(xué)”教學(xué)過程中存在的相關(guān)問題，可以從以下幾方面入手來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（1）根據(jù)土木工程專業(yè)的后續(xù)課程內(nèi)容，以夠用為原則，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)適當(dāng)減少授課內(nèi)容。將“理論力學(xué)”課程三大板塊教學(xué)內(nèi)容調(diào)整為：①靜力學(xué)部分，包括靜力學(xué)基本定理及受力分析、平面力學(xué)、空間力學(xué)及重心；②運(yùn)動(dòng)學(xué)部分，主要介紹點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法、剛體的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)及平面運(yùn)動(dòng)分析并簡(jiǎn)單介紹點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)；③動(dòng)力學(xué)部分對(duì)后續(xù)課程的作用較大，教學(xué)難度也較大，以專業(yè)夠用的原則主要講授質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)微分方程、達(dá)朗貝爾原理和虛位移原理[5]。通過對(duì)“理論力學(xué)”基礎(chǔ)知識(shí)化繁為簡(jiǎn)地講解，可以讓學(xué)生構(gòu)建工科專業(yè)學(xué)習(xí)中必需的力學(xué)體系，調(diào)動(dòng)多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（2）增加教學(xué)的邏輯性，提高學(xué)生的認(rèn)可度，利用新的視角和方法來理解力學(xué)中的相關(guān)問題[6]。從調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與度出發(fā)，通過學(xué)生自學(xué)、研討和科學(xué)研究3種學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生在實(shí)踐中認(rèn)知學(xué)習(xí)并不斷地內(nèi)化學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)水平和知識(shí)掌握水平，也激勵(lì)任課教師不斷提高個(gè)人知識(shí)水平和業(yè)務(wù)能力[7]。這種教學(xué)方式的強(qiáng)度較大，可以設(shè)計(jì)適合不同水平的教學(xué)內(nèi)容，注重知識(shí)邏輯性的疏導(dǎo)?！袄碚摿W(xué)”的邏輯性較強(qiáng)，在課堂教學(xué)中可以采用比較-分類、歸納-演繹、分析-綜合等方法將教學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行劃分，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率[8]。

（3）良好的教學(xué)情景和互動(dòng)環(huán)節(jié)是提高課堂氣氛的重要途徑。增加小組討論環(huán)節(jié)，在設(shè)定的討論課題中，充分激發(fā)學(xué)生參與課堂討論的積極性和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，達(dá)到主動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)[9]。通過分層教學(xué)，把因材施教提高到可操作水平，使學(xué)生都能在原有基礎(chǔ)上提高一步，以適應(yīng)素質(zhì)教育的要求，達(dá)到教學(xué)最優(yōu)化，全面提高教學(xué)質(zhì)量。

（4）改革考核模式，提高學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的區(qū)分度。注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核，減少期末集中考試在學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定中的權(quán)重[10]。通過對(duì)課程教學(xué)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的考查，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的持續(xù)性。將學(xué)生實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、課堂討論、課后討論和期末考核成績(jī)按照一定的權(quán)重納入成績(jī)?cè)u(píng)定，有利于學(xué)生不斷調(diào)整學(xué)習(xí)態(tài)度，提高學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)自覺性。

（5）以賽促學(xué)、以學(xué)促用，開展學(xué)科競(jìng)賽，讓學(xué)生在競(jìng)爭(zhēng)中尋求力學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。學(xué)科競(jìng)賽可以讓優(yōu)秀的學(xué)生更愿意花費(fèi)時(shí)間探究知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。將與課程內(nèi)容知識(shí)相關(guān)的比賽融入教學(xué)體系之中，通過比賽機(jī)制促進(jìn)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、創(chuàng)新意識(shí)與探索精神，增加學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力。

3 新工科人才培養(yǎng)的普適性教學(xué)模式探討

對(duì)常規(guī)教學(xué)方式進(jìn)行調(diào)整，可以在一定程度上提高學(xué)生學(xué)習(xí)“理論力學(xué)”的效率。面對(duì)工科新的發(fā)展需求，學(xué)生在全面掌握課程體系的基礎(chǔ)上，需要增加所學(xué)知識(shí)的廣度和寬度，尋求多學(xué)科交叉融合，讓學(xué)生有更多調(diào)整和發(fā)展的空間，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方式方法上應(yīng)尋求更多、更有效的措施。從常規(guī)教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾鹿た迫瞬排囵B(yǎng)需求的教學(xué)方式包括 5個(gè)方面（見圖2），需在這5方面進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 新工科人才培養(yǎng)需求的教學(xué)模式

3.1 增強(qiáng)知識(shí)體系的完整性，合理運(yùn)用數(shù)學(xué)工具

分析“理論力學(xué)”知識(shí)結(jié)構(gòu)，建立適用于土木工程專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。將虛位移和達(dá)能貝爾原理的相關(guān)內(nèi)容提前學(xué)習(xí)，以加深學(xué)生的印象，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)有所助益[11]。在課程選擇方面，采用哈爾濱工程大學(xué)的由淺入深的教學(xué)內(nèi)容安排，使教學(xué)思路清晰、邏輯性強(qiáng)。但在教學(xué)過程中，需注意提高學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力。

教學(xué)中選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，可以使學(xué)生在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中掌握更多、更全面的知識(shí)。構(gòu)建基本理論模塊、數(shù)學(xué)工具模塊和工程拓展模塊，簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算可以采用矩陣，相對(duì)復(fù)雜的計(jì)算可以采用Matlab和 Mathematica工具來完成。通過數(shù)學(xué)模塊的教學(xué)，可以盡量快地讓學(xué)生通過矢量、矩陣和微積分的方法求解理論力學(xué)問題[12]。在靜力學(xué)中，力系的簡(jiǎn)化、空間力系的平衡、力矩的計(jì)算等都可以用矢量進(jìn)行；在運(yùn)動(dòng)學(xué)中，點(diǎn)的速度合成定理、加速度合成定理都可用矢量進(jìn)行推導(dǎo)。運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件和圖形軟件可以使很多力學(xué)問題得到更直觀的描述，也更便于理解。計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算和繪圖功能可以將相對(duì)復(fù)雜的解題過程變得生動(dòng)[13]。

3.2 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相結(jié)合

通過購(gòu)買模擬實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫軟件、成套的實(shí)驗(yàn)裝置及自主設(shè)計(jì)制造等方式，構(gòu)建“理論力學(xué)”相關(guān)實(shí)驗(yàn)體系。通過專業(yè)軟件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生參與學(xué)習(xí)的自由度更大，是較為理想的輔助方式[14]。結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)需求，有選擇性地開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)設(shè)計(jì)一定數(shù)量的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生自主參與并完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，達(dá)到研討性教學(xué)的目的，也增強(qiáng)學(xué)生對(duì)“理論力學(xué)”相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的直觀認(rèn)識(shí)[15]。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)定中，注重增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放性、綜合性和設(shè)計(jì)性[16]，利用學(xué)科競(jìng)賽的環(huán)節(jié)讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用。

3.3 翻轉(zhuǎn)課堂與網(wǎng)絡(luò)課程、信息化互動(dòng)相結(jié)合

課前、課中和課后對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固學(xué)習(xí)和反復(fù)學(xué)習(xí)，通過線上線/下教學(xué)資源及互動(dòng)，完成翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。教學(xué)資源可以利用中國(guó)大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線等開設(shè)的課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生可以通過 QQ、微信等平臺(tái)進(jìn)行討論。學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定最好的方式是能夠記錄學(xué)習(xí)的全過程。對(duì)學(xué)生參與網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)學(xué)習(xí)給出成績(jī)并納入學(xué)生學(xué)習(xí)的總成績(jī)，可以在一定程度上提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性[17]。

隨著智能科技的發(fā)展，學(xué)生通過傳統(tǒng)的課堂教學(xué)所建立起的“理論力學(xué)”知識(shí)體系，已不能滿足自我學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)和的創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。通過海量的電子教學(xué)資源、生動(dòng)的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生結(jié)果差異性的探究，可以對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提升產(chǎn)生積極影響，也是一種值得推廣的教學(xué)方式。

3.4 課程教育與實(shí)踐相結(jié)合

教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐脫節(jié)是工科類專業(yè)課程目前存在的課堂教學(xué)通病。力學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合可以較好地讓學(xué)生掌握理論知識(shí)，而力學(xué)與生活相結(jié)合則可以讓學(xué)生對(duì)力學(xué)理論知識(shí)體系的建立有更大的興趣。利用校企合作搭建學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)平臺(tái)，在仿真教學(xué)方面采用模型教學(xué)，以動(dòng)態(tài)形式展示工程結(jié)構(gòu)的建造、安裝等過程，將實(shí)物與理論分析簡(jiǎn)化模型相結(jié)合，相對(duì)靜止的力學(xué)過程與動(dòng)態(tài)的實(shí)踐操作相結(jié)合，讓學(xué)生充分感受實(shí)踐中理論力學(xué)運(yùn)用于實(shí)踐相輔相成的過程[15]。例如塔吊的修建和使用、自行車的行駛等都可用“理論力學(xué)”的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行分析，在分析過程中明確力學(xué)知識(shí)的具體應(yīng)用；航天器上天，飛機(jī)飛行等案例分析可以在理論建立上更直觀更生動(dòng)[18]。應(yīng)明確“實(shí)踐-理論-實(shí)踐”的知識(shí)體系建立也是工科專業(yè)相關(guān)課程體系建立的重要方法。

3.5 采用研究型教學(xué)模式

對(duì)于開放性課程內(nèi)容，采用研究型模式進(jìn)行教學(xué)，例如討論吊車起吊重物發(fā)生傾覆及如何防止傾覆的力學(xué)問題。研究型課程教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，由強(qiáng)調(diào)認(rèn)知結(jié)果到重視對(duì)知識(shí)的運(yùn)用[19]，讓學(xué)生明確是什么、為什么和用到什么地方及如何運(yùn)用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。將這種方法貫穿于教學(xué)始終，注重讓學(xué)生充分理解和掌握“理論力學(xué)”的實(shí)踐-理論-實(shí)踐研究型教學(xué)模式。在教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)，從學(xué)生實(shí)際水平出發(fā)，兼顧學(xué)生的興趣和成長(zhǎng)特點(diǎn)，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性、能動(dòng)性和創(chuàng)造性[20]。

4 結(jié)語

在新工科建設(shè)的背景下，有效利用現(xiàn)代教學(xué)手段，保持基礎(chǔ)教學(xué)的根本，在基礎(chǔ)教學(xué)中又注重新的教學(xué)模式應(yīng)用，為傳統(tǒng)教學(xué)的新發(fā)展提供可以相互借鑒、較為普適性的教學(xué)模式。在不同高?；A(chǔ)學(xué)科教學(xué)方面的比較中，教育水平較高地區(qū)的高校對(duì)于基礎(chǔ)教學(xué)更嚴(yán)格，在專業(yè)教學(xué)上，甚至在研究相關(guān)課題中，學(xué)生的自我學(xué)習(xí)和調(diào)整能力也是比較好的?，F(xiàn)代化教學(xué)手段在層次化教學(xué)中表現(xiàn)出了更多的優(yōu)勢(shì)。