“新工科”背景下工程力學課程教學方法改革探索

張旭 方艷 邢靜忠

摘? ?要：在“新工科”建設(shè)背景下，基于工程力學課程既有完整的理論體系，以及計算機代數(shù)系統(tǒng)強大的代數(shù)、數(shù)值計算、圖形顯示功能，從人才培養(yǎng)的新模式出發(fā)，結(jié)合具有數(shù)學環(huán)境的軟件仿真平臺，積極開展?jié)M足不同學習對象需求的工程力學知識點課后在線輔助訓練。研究表明：通過課程教學模式改革可以促進學生的自主、獨立學習以及探索、創(chuàng)新能力提高，培養(yǎng)工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型“新工科”人才。

關(guān)鍵詞：工程力學? 新工科? 人才培養(yǎng)? 課后輔助訓練

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0210-02

《教育部高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實踐的通知》中將“新工科”歸納為“五個新”，即工程教育的新理念、學科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系。“新工科”以應對變化、塑造未來為建設(shè)理念，進行現(xiàn)有人才培養(yǎng)模式的改革創(chuàng)新，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，是“卓越工程師計劃”的升級版。未來的工科人才，即應在某一學科專業(yè)上學業(yè)精深，又應具有“學科交叉融合”的特征，不僅能運用所掌握的知識解決現(xiàn)有問題，還有能力學習新知識、新技術(shù)去解決未來發(fā)展出現(xiàn)的問題。

工程力學是非機械類工科專業(yè)學生感到困難的一門在各類工程結(jié)構(gòu)計算和設(shè)計中有著廣泛應用的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。教學目標為：（1）能夠?qū)⒑唵喂こ探Y(jié)構(gòu)抽象成力學模型，進行靜力分析和計算;（2）對構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性有明確的基本概念和必要的理論基礎(chǔ);（3）通過實驗課教學，培養(yǎng)學生具有一定創(chuàng)新性、綜合性的實驗能力;（4）初步具備解決工程實際問題的能力，為后續(xù)課程打好必要的理論基礎(chǔ);（5）培養(yǎng)學生邏輯思維能力、抽象思維能力、創(chuàng)新能力以及嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。本文通過對“新工科”教育理念的分析，確定“新工科”人才培養(yǎng)的具體目標和方向，并結(jié)合天津工業(yè)大學人才培養(yǎng)定位，利用計算機代數(shù)系統(tǒng)（CASes）實現(xiàn)工程力學課程在線自主學習及輔助訓練的人才培養(yǎng)模式。

1? ?“新工科”建設(shè)下人才培養(yǎng)方向

傳統(tǒng)工科辦學社會適應力低，且人才的適應性具有一定局限性。為響應“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”和“網(wǎng)絡(luò)強國”等國家重大戰(zhàn)略需求，服務新經(jīng)濟和新產(chǎn)業(yè)，工程教育和人才培養(yǎng)模式均需要進行全方位的變革[1，2]。“新工科”建設(shè)下人才培養(yǎng)擬在以下幾個方面進行：

1.1 培養(yǎng)以工程能力為核心的創(chuàng)新人才

“新工科”建設(shè)形勢下，人才培養(yǎng)應以工程能力為核心，即培養(yǎng)學生“大工程”觀，通過項目為載體來組織課程、建立課程之間的聯(lián)系。具有工程意識和能力的教師是新型工程師培養(yǎng)的直接實施者，即其既要有較高的專業(yè)素養(yǎng)、寬廣的知識結(jié)構(gòu)和較強的科研能力，又要有廣泛的社會工作聯(lián)系、豐富的工程經(jīng)驗和較強的實踐能力。但國內(nèi)高校教師大多是博士畢業(yè)后直接到學校任教，理論水平高而實踐水平低。他們可通過定期參與大型工程項目提高工程意識和能力，或與聘請的具有豐富工程實踐經(jīng)驗的工程師共同指導學生。

1.2 教學采用理論與實踐結(jié)合

“新工科”教育理念下的人才培養(yǎng)，需要進行教學內(nèi)容、方式以及手段的全面改革。將傳統(tǒng)注入式改為以問題導向的啟發(fā)研討式教學，著重培養(yǎng)學生將知識運用于實踐生產(chǎn)的能力。教學模式以教師為中心的教型轉(zhuǎn)向以學生為中心的學型，將課內(nèi)與課外相結(jié)合、課堂與工程相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合，提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。教師的科研成果和工程實踐經(jīng)驗可融入理論教學，使教學內(nèi)容具有前沿性、新穎性和實踐性，并利用工程案例模擬或虛擬仿真實驗，讓學生掌握一定的專業(yè)技能、理論知識和工程實踐經(jīng)驗。

13 學科的交叉與綜合

“新工科”在新經(jīng)濟發(fā)展形勢下學科交叉與綜合的特點更加突顯。學生需要在更廣泛的專業(yè)交叉和融合中學習，既要學習工程知識，也要理解哲學和政治，從而具備整合、領(lǐng)導、實踐等綜合能力以及全球視野。教師需要改變原有的教學觀念和思維，將工科課程與理科的知識和思維方式結(jié)合、文科課程與理科研究方法結(jié)合，開設(shè)跨專業(yè)的必修、選修課，在課程講解中融合不同學科的知識點。

2? “新工科”建設(shè)下工程力學課程在人才培養(yǎng)模式方面的改革措施

當今科技發(fā)展日新月異，新知識、新技術(shù)層出不窮。授人以魚不如授人以漁，孔子帶弟子的“因材施教”模式將提高學生的學習能力，讓學生在有限的教育年限內(nèi)掌握盡可能多的現(xiàn)代知識[3]。“新工科”建設(shè)要求高等教育要更新本科人才培養(yǎng)理念，回歸人才培養(yǎng)“以學生為中心”的初心，這與“因材施教”相一致。“以學生為中心”要求在課程教學過程中將全員化發(fā)展與個性化發(fā)展相結(jié)合，既要關(guān)注到每一個學生的發(fā)展，又要關(guān)注到學生的差異化發(fā)展[4]。因此，在目前大班授課的教學環(huán)境下，采取適合于每一個學生個性的在線自主學習及輔助訓練模式，是彌補大班課授課不足的有效措施，同時也是培養(yǎng)學生的自主學習習慣和能力的重要手段。

工程力學課程包括理論力學的靜力學和材料力學的大部分內(nèi)容。靜力學介紹構(gòu)件在平衡狀態(tài)下必須滿足的平衡條件，并借助平衡方程求解平衡狀態(tài)下物體系的支座反力，或系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)件之間的相互作用力，為材料力學中的結(jié)構(gòu)分析和內(nèi)力計算奠定基礎(chǔ)。材料力學介紹構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性等基本概念和必要的理論基礎(chǔ)，學習簡單構(gòu)件的強度校核、變形計算和剛度設(shè)計等。

通過對工程力學教學內(nèi)容的分析，確定利用計算機完成主要知識點訓練素材動態(tài)生成和求解的具體思路，借助計算機軟件在個性化設(shè)定、學習內(nèi)容更新和訓練內(nèi)容更符合學生個性特點等方面的優(yōu)勢，使學生成為學習內(nèi)容設(shè)計者和主動參與者[5]。先采集學生的個性特點和培養(yǎng)目標，再利用CASes編制相應程序?qū)崿F(xiàn)學生自主學習內(nèi)容及其輔助訓練素材的在線動態(tài)生成。學生根據(jù)自己的學習狀況和目標，選擇合適難度系數(shù)和類型的題目，由在線輔助訓練系統(tǒng)生成習題和引導學生逐步求解并給出習題答案，達到重點知識訓練具有針對性的目的，實現(xiàn)因材施教和個性培養(yǎng)的新教學模式。

3? 結(jié)論

通過分析“新工科”建設(shè)對人才培養(yǎng)的新要求和新目標，提出“新工科”背景下的工程力學課程教學模式改革新思路。學生利用CASes編制的課程主要知識點輔助訓練素材動態(tài)生成程序，實現(xiàn)個性化的自主學習，達到高校教學注重學習方法與能力培養(yǎng)、跨界交叉融合、“新工科”人才培養(yǎng)順利實施的目的。本文提出的教學改革方法對于類似課程的教學也具有一定的適用性和借鑒意義。

參考文獻

[1] 吳春英，谷風，白鷺，等.新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的幾點建議.吉林化工學院學報，2018，35（2）：13-15.

[2] 唐強，潘玲玲.新工科復合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的思考與建議.教育觀察，2017，6（23）：55-56.

[3] 張旭，邢靜忠.基于代數(shù)系統(tǒng)的力學輔助教學與個性化培養(yǎng).力學與實踐，2012，34（2）： 80-82.

[4] 葉紅玲，楊慶生，劉趙淼.新工科背景下《理論力學》課程教學的幾點思考.北京力學會第24屆學術(shù)年會，2018.

[5] 邢靜忠.計算機代數(shù)系統(tǒng)Maple在力學教學中的應用探討.力學與實踐，2010，32（4）：96-101.