應用型本科院校工程力學課程教學改革探討—以西安航空學院力學課程教學為例

孟 卓 劉 舟 閆 蕊

西安航空學院機械工程學院 陜西西安 710077

高等教育人才培養目標提出：應用型人才應具有寬廣的知識面、掌握扎實的基礎知識、較強的實踐能力和創新能力，能將理論與實踐恰當結合，辯證地、創造性地應用所掌握的知識指導并解決工程實際問題[1]。應用型本科院校應據此制訂以“應用”為特征的課程教學內容體系，重視對學生應用技術的能力和管理能力的培養[2]。

我校為應用型本科院校，將工程力學課程作為工科學生必修的專業技術基礎課，該課程是架設在基礎課與專業課之間的重要橋梁。工程力學課的顯著特點是“三強三多”即理論性、綜合性、實用性強，定(公)理多、公式多、計算多。在目前理論課學時不斷減少的形勢下，要提高工程力學課的教學質量和效果，進行教學改革刻不容緩。立足本校專業特點(應用型工科)及生源特征(理論基礎薄弱、學習習慣欠佳、學生有動手實踐的興趣等)，借鑒前人教學與改革經驗，本校基礎力學教學組從以下四個方面對工程力學課程進行了改革探索。

1 改革教學內容 調整教學順序

1.1 整合教學內容 采用模塊化教學

工程力學課程涵蓋了理論力學和材料力學的主干內容，其內容豐富，邏輯推理嚴密，知識覆蓋面廣[3]；同時也存在著內容抽象、知識點多而散，部分例題、習題與工程實踐切合度低等問題；初學者對該課程在其專業領域的重要性缺乏認識，導致其學習的積極性、主動性不足，在當前課時量削減、課堂信息量增多的背景下，教師很難在限定課時內高質量地完成全部的教學內容。鑒于此，本校工程力學教學組以實用、夠用為原則，弱化公式推導，強化工程應用，根據專業需求，結合學生的知識儲備水平，對工程力學的教學內容進行精簡整合，選擇與學生所學專業聯系緊密的工程案例，有針對性地精講多練，培養學生學習力學的興趣、訓練學生解決問題的能力；注重以工程背景、構件的工作環境為切入點對工程案例進行剖析，引導學生合理簡化問題，建立工程問題的力學模型，培養學生分析問題、解決問題的能力。

通過組內研討，將主要知識點進行模塊化設計(如圖1所示)，采用模塊化教學，每個大模塊細化為若干子模塊，根據專業需求，對教學內容進行多模塊靈活組合。將剛體靜力學、變形體靜力學以及基礎性實驗作為基本模塊，每個基本模塊中的子模塊在具體授課內容上根據專業特點設置不同的工程案例；在專題討論模塊、實驗與數值模擬模塊中，根據學生掌握知識的能力差異，設置了深入學習子模塊和專業特色子模塊(例如一部分專業側重于動載荷問題的討論，另一部分專業需要掌握動力學或運動學相關知識等)，既能讓一般學生掌握最基本的力學知識，又為參加學科競賽、技能比賽及考研等學有余力的學生提供學習力學的接口。

圖1 教學模塊

1.2 調整教學順序 貫穿學習主線

根據學生的認知特點與規律，調整教學順序。打破傳統教材按變形形式開展教學的模式，以問題為導向，以工程需求為切入點，學會對構件進行受力分析，總結其受力特點、變形特點，進行內力計算及應力與強度分析、變形與剛度分析等，縮短理論課的教學周期，避免學生學新忘舊；引導學生通過類比、對比的方法對所學知識進行歸納總結，為學生系統的、有規律的記憶和理解所學知識提供幫助，通過引導學生觀察身邊的實物，思考生活中的力學問題，分析身邊的工程案例，舉一反三，形成系統，增強對力學概念的理解與記憶。

抓住知識的共性及邏輯關系，幫助學生構建學習主線。如在變形體靜力學部分要抓住“外力分析—內力分析—應力、應變分析(強度、剛度、穩定性分析)—能量分析”這條主線[3]，引導學生明確學習任務和目的。在教學中，注重各教學模塊、各知識點間的聯系與對比，幫助學生加深對知識的理解。通過算例，讓學生體會不同的變形，求解其應力的計算公式雖不同，但都反映了應力與內力、截面幾何性質之間的關系的實質，引導學生透過現象看本質，將各類強度條件及其工程應用聯系起來。

2 改革教學模式 適時轉換教與學的主體地位

傳統的、以教師為中心的教學模式有利于教學的組織與管理、按時完成教學任務，也有利于系統地完成知識的傳授。但這種教師一言堂的模式，學生參與度較低，課堂氣氛沉悶，不利于應用型人才培養目標要求中對學生實踐能力、創新能力的培養[4]。為了改變這種狀態，許多教師前輩也做了大膽的嘗試與改革，形成了以“學生為中心”的教學模式[5-8]，這種模式對培養學生獨立思考、積極、主動分析問題、解決問題的能力有所幫助，然而也存在著學生對所獲取的知識缺乏系統、全面認識，對知識要點的歸納與總結缺乏完整性等弊端，一定程度上也影響了教學的質量和進度，難以在大規模教學中推廣。

鑒于以上兩種改革模式存在的問題，教學組充分利用現代化工具，采用混合式教學，根據需求適時轉換師生的主體地位，主要表現有以下幾點。

一是基于SPOC的混合式教學。針對不同專業學生的學習情況，教師自制網絡課程或借鑒網絡優秀課程，形成適合本校學生的小型SPOC課程，在校園網發布，讓學生在一定時間段內進行線上學習、測評及討論，教師花較少的時間在實體課堂上對重、難點問題及共性問題講解、討論，這種模式將傳統課堂教學和網絡課程有機融合，使教師與學生的主體地位在教與學中合理轉換，激發學生興趣和學習熱情，提高課堂參與度和學習主動性，同時也使得教學內容系統化、完整化，進而提高教學質量。

二是開展翻轉課堂教學。結合學生專業特點，精選工程案例，精心制作課程視頻，課前發給學生學習，讓學生提前準備課堂討論資料；精心設計課堂流程，在師生討論與互動中激發學生學習興趣，鼓勵學生講課，教師適時做必要的補充，使學生所學知識邏輯更清晰、更系統，也使學生的綜合能力得到鍛煉。

三是將手機作為課堂教學的有力補充。目前，智能手機及網絡已成為大學生的標配，合理利用手機，建立課程討論群、微信公眾號等平臺，及時推送課程內容，并進行有效監督，使手機成為學生學習的有力幫手，有效地將課堂教學延伸，為學有余力的學生提供深入學習的機會。

與時俱進，充分利用現代化手段，進行混合式教學，使教師和學生對課程內容和教學過程都達到了一個新的認識高度，學生自主學習的能力得到了充分發揮，對力學概念、力學原理的理解和認識更加深刻，取得了較好的教學效果。

3 改革實踐教學模式

實驗是工程力學課程的重要內容之一，也是培養學生分析問題、解決問題能力的重要環節[9]。因此，結合我校人才培養目標，根據學生的認知能力和專業差異，力學組通過深入討論，根據工程力學基礎性實驗，對實驗教學進行了一系列的改革嘗試。

一是通過科技社團、學科競賽及第二課堂為學生開辟了設計性、綜合性實驗，如組合梁彎曲正應力實驗、電測主應力實驗、振動實驗、組合梁力素測定實驗、壓桿的穩定性測試及典型機械零部件疲勞實驗等。

二是通過選修課、第二課堂及畢業設計為學有余力的學生開設了開放性實驗。引導學生學會使用MatLab及Mathematical等數值計算軟件及ANSYS，PATRAN，ABAQUS等有限元軟件，通過計算軟件及仿真軟件，學生能夠避開煩瑣的力學計算及抽象的思維，更直觀、形象的體會力學的魅力及力學知識在工程問題中的應用，學會利用現代化工具解決工程問題的初步方法，培養解決復雜工程問題的思路和操作流程。

三是加快加強力學實驗室建設。積極建設力學虛擬仿真實驗平臺(已立項)和力學仿真實驗室，為更多的學生提供更便捷的實驗機會，培養學生積極思考、動手操作的能力。

4 改革評價模式

傳統的“期末考試+平時成績”的考核方式雖然操作簡單，但這種方式很容易讓學生迷失學習力學的目的和意義，不利于應用型人才的培養。因此，將學生的學習態度、參與度、解決問題的能力及表達溝通等表現納入考查內容，注重對學生學習過程考核并形成過程評價體系[4]顯得更為合理而重要。具體操作為：課程考試(占40%)、實驗成績(占30%)、過程成績(占30%)。其中，考試采用閉卷進行，考題應盡可能多樣化，既要考查學生力學基礎知識、基本概念的理解和掌握，又要體現對應用力學理論綜合分析能力的測試；實驗成績要通過對學生的實驗操作能力、創新能力、實驗報告質量和應用工程軟件解決工程問題的能力進行綜合評價；過程成績由出勤率、作業質量、大作業(或討論區的表現)、課堂參與度及翻轉課堂中的表現進行綜合評定。這一評價模式的改革，能使學生認識到工程力學課程的重要地位，增強學生學習力學的興趣和應用力學知識的積極性，對提高其創造性思維和工程應用能力具有明顯的積極作用。

5 結語

通過以上的教學改革措施，有效調動了學生學力學的積極性和主動性，在培養學生分析問題的能力、動手實踐能力、工程應用能力及創新思維能力等方面起到了有效的推動作用。近年來，扎實的力學知識和實踐能力使得學生在參加的各級各類學科競賽和技術競賽中受益匪淺，獲獎的級次有所提升，考研學生的上線率和畢業生的論文質量也都有所提高，進入工作崗位的畢業生也得益于較強的動手操作能力而不凡表現，能取得更好的發展。鑒于我校升本時間不長，力學教學改革實施的時間較短、樣本數量有限，更深入的改革仍需要在日后的教學實踐中不斷探索、逐步完善。