《工程力學》教學改革歷程對地方應用型本科院校《工程力學》教學改革的啟示

張永生 趙廣臣 李建國

山西工程技術學院

1 前言

2 《工程力學》教學改革歷程

《工程力學》教學改革大體可以分為三個階段，這三個階段在不同的學校發(fā)生的時間不一定相同，每個階段的時間長度也各不相同，但基本都經歷了這三個階段。

2.1 第一階段

課程改革把“培養(yǎng)現(xiàn)成的專家”作為高等學校本科的培養(yǎng)目標，[1]教學所依據(jù)的理論是俄國赫爾巴特學派的教學理論。這個階段力學課程的教學有以下特點：教學目的是傳授和學習系統(tǒng)的力學基礎知識和基本技能；教學模式以語言呈現(xiàn)的講授加習題強化為主；[2]教學內容沿襲蘇聯(lián)教材的系統(tǒng)、完整、理論性強的特點；[3]很多院校的力學實驗室條件簡陋導致只能開設較少的實驗項目。這個階段的力學教學培養(yǎng)了大批基礎扎實、理論素養(yǎng)較高的力學人才，但由于缺乏工程教育和訓練，學生在工作崗位上不能充分發(fā)揮其力學素養(yǎng)。[4]始于1988年的全國周培源力學競賽，旨在促進高等學校力學基礎課程的改革與建設，增進青年學生學習力學的興趣，培養(yǎng)分析、解決實際問題的能力。力學競賽促進了學生將力學基礎知識和實踐緊密結合。[5]從這個角度看，全國周培源力學競賽應該是基礎力學教學改革的有益組成部分。

2.2 第二階段

隨著素質教育、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、學生個性發(fā)展和因材施教等教育觀念深入人心[6]，廣大教師積極探索與教學觀念相適應的教學內容和課程體系。“面向21世紀課程教材”就是這段教學改革的重要成果之一，教材都配有電子課件用于多媒體教學，極大地提高了教學效率。從事力學教育教學的教師在這個階段也做了相應工作，上海交通大學洪嘉振教授提出了工科理論力學教學“一個基礎、兩個支柱與三個培養(yǎng)”的新模式。清華大學范欽珊教授刪去了偏難偏深的內容，不追求冗長的理論推導與煩瑣的數(shù)字運算，同時注重加強工程概念，引入了大量涉及廣泛領域的工程實例，以及與工程有關的例題和習題，另外還安排了新材料的材料力學內容以開闊學生的視野。北京航空航天大學謝傳鋒教授的《動力學》體現(xiàn)的模塊式設課的特點，通過一些實例介紹了計算機仿真在力學中的應用。一些教學團隊還建設了網上共享精品課程，實現(xiàn)了線上教學模式。第二階段的力學教學與第一階段相比有以下特點：無論是教學內容中的數(shù)值計算還是教學手段中的課件制作，都突出了計算機的應用；主要是通過對教學體系、內容的革新促進素質和能力的培養(yǎng)[7]，在通過改革教學方法培養(yǎng)高素質創(chuàng)新性人才方面也作了探索實踐[8]；教學方法仍然以教師講授為主，主要原因是面向的學生仍然是具有較高自覺性和聽講能力[2]；開始利用互聯(lián)網發(fā)展線上教學；各院校力學實驗條件逐步改善，開設了基本的驗證性力學實驗。值得注意的是從第六屆周培源力學競賽開始，增加了團體賽的環(huán)節(jié)，強調了實驗、研究和動手制作的重要性，考查學生處理實際問題的能力。

2.3 第三階段

隨著我國高等教育規(guī)模的不斷擴大，生源結構發(fā)生了變化，同時電子信息技術在教育教學中普及應用。在課時大幅減少的情況下，如果仍然沿用以前的教學內容和方法，相當數(shù)量的學生課堂表現(xiàn)差，學習效果差。在這種情形下，“學生主體，教師主導”、“素質教育”的教學理念和建構主義理論受到重視。為了提高教學效果，一些教師在教學方法上做了有益嘗試。文獻[9]是通過采用案例教學法活躍課堂氛圍，使學生的注意力更加集中，教學取得了良好的效果。文獻[10]在信息化環(huán)境下實施了翻轉課堂，學生多方面能力得到鍛煉，但不能保證每個學生都能得到鍛煉機會。文獻[11]采用“項目引導，任務驅動”的教學模式，整合教學內容，實現(xiàn)“教、學、做”一體化，并注重過程考核，增強了學生的學習自覺性，效果良好。文獻[12]基于超星泛雅平臺開展了材料力學的線上線下混合型課程，集視頻講授、互動、作業(yè)、討論、過程考核于一體。第三階段的力學教學有以下特點：教學方法充分體現(xiàn)了“學生主體”的教學理念，注重學生素質教育；教學手段向互聯(lián)網+發(fā)展，充分迎合了信息化時代學生的特點；開發(fā)虛擬實驗平臺，實現(xiàn)線上線下相結合的實驗課堂。

3 《工程力學》教改歷程思考及啟示

3.1 教學內容方面

從《工程力學》教改歷程可以看到，教學內容由重理論向重應用過渡，實驗課時逐步增加。這有兩方面的原因：一是相比《工程力學》的基礎性，其應用性越來越被重視，學習力學理論最終目的是為了應用于生產實際，所以在教材中編排了很多應用力學原理的工程問題，來拓寬學生的視野，增強學生應用意識和能力；二是對應用和實驗可以加深對力學理論的理解，因為應用和實驗包含更多的感性認識成分，有感性認識的基礎，更容易上升到理性認識。另外，教學內容進一步精減，主要是一些專業(yè)的力學需求和學時偏少。

地方應用型高校《工程力學》教學更加重視應用，學生數(shù)理基礎和直接認識理論的能力偏弱，學時也偏少，所以更應該堅持精簡內容、重應用、重實驗的原則。具體措施應該針對不同專業(yè)調查其力學知識需求和應用場景，教學內容模塊化，工程應用場景化。對不同的專業(yè)的《工程力學》教學只安排與其后續(xù)課程緊密相關的內容模塊和應用場景，并且去掉煩瑣的理論推導。這樣安排不僅讓學生學會了力學知識，而且學會了力學知識在本專業(yè)的應用，還與學生的學習能力和課時是相適應的，在筆者所教班級取得較好地教學效果。

之前的實驗課基本是安排在理論課后對力學理論進行驗證，缺乏吸引力和挑戰(zhàn)性，也不符合由感性到理性的科學認知過程，尤其是對于地方應用型院校學生，直接上升到理性認識方面的能力是缺乏的。所以考慮把原來驗證性的實驗安排在相應理論課的前面進行授課，這樣學生的學習積極性大大提高，對之后的理論學習促進效果明顯。在整門課程結束后安排一門設計性的實驗選修課來拔高部分學生的理論應用能力，使理論學習得到升華，這也符合學生群體能力分布規(guī)律。實驗選修課內容可以從周培源力學競賽的歷屆的實驗題目中選取，考慮到對于地方應用型本科院校的學生難度稍大，可以在實驗現(xiàn)場根據(jù)學生表現(xiàn)做適當提示。

需要意識到依托于信息化的虛擬實驗只能作為現(xiàn)場實驗的有益補充，起到預習實驗或彌補設備不足的作用，絕不可能完全替代現(xiàn)場實驗。虛擬實驗只是程序代碼的選擇性執(zhí)行，不會發(fā)生實驗錯誤、儀器故障、實驗誤差等，而這些對于提高學生的實驗素養(yǎng)是至關重要的。

3.2 教學方法方面

由《工程力學》教學改革的歷程可以看出，講授法因為其傳授知識簡捷而高效一直被當作主要教學方法使用，能將《工程力學》大量的教學內容在有限的學時內傳授給學生。如果學生有較強的數(shù)理基礎和學習自覺性，使用講授法可以取得很好地教學效果。地方應用型本科院校《工程力學》學時比以前有很大壓縮，但是必要的教學內容還是比較多的，從這個角度來說，在教學中較多地使用講授法是有必要，尤其是一些認知難度較大的內容還是應該以講授法為主。比如應力狀態(tài)分析、強度理論、壓桿穩(wěn)定理論。

為了避免車牌圖片傾斜對之后的掃描以及識別操作造成影響，需要對車牌圖片進行角度矯正。由于車牌邊框會對字符分割產生或多或少的影響，去掉車牌邊框，進一步縮小分割的范圍，可以提高分割的成功率。

從《工程力學》教改歷程可以看到，案例法得到了重視，這是因為講授法不利于學生能力的培養(yǎng)，容易抑制學生的獨立性、主動性和創(chuàng)造性。學生單純聽教師講授的認知過程，很多認識節(jié)點間的過度障礙都是教師代為完成，學生越來來依賴教師。這種缺乏自主思維獲得的知識是不牢固的，應用知識解決實際問題就更談不上了。應用型本科院校培養(yǎng)目標是培養(yǎng)高素質的應用型技術人才，主動地、創(chuàng)造性地應用知識解決生產中的問題就是高素質的體現(xiàn)。為了培養(yǎng)學生的應用能力，必須采用新的教學方法，比如案例法、討論法、啟發(fā)法、演示法等有利于促使學生思考的方法。

任何一種教學方法都不是萬能的，都有其適用范圍和條件。教學方法的選取應該靈活把握，根據(jù)教學內容的特點和學生的特點選擇一種或者多種方法的組合進行教學才能取得良好的教學效果。筆者在教學過程中通過“開放案例引導、學生討論互助、教師適時講授”的復合教學法，明顯要好于單一教學法。

3.3 課堂模式和考核

從《工程力學》教改歷程可以看到，翻轉課堂與混合課堂逐漸受到重視。翻轉課堂的實質是教學觀念改變導致的學習流程的改變，之前的教學“信息傳遞”在課堂由教師講授傳遞給學生容易遮蓋思維障礙，“吸收內化”在課下無教師輔導情況下進行容易卡殼失敗。對于應用型本科院校的學生在學習《工程力學》時，這種情況表現(xiàn)尤為突出。翻轉課堂對學習過程進行重構。“信息傳遞”是學生在課前進行的；“吸收內化”是在課堂上通過互動來完成的，教師能夠在課堂上給予有效地輔導，同學之間的相互交流更有助于促進學生知識的吸收內化過程。所以翻轉課堂非常適合地方應用型本科院校《工程力學》教學，結合上文，采用復合教學法與翻轉課堂結合是和很好地改革措施，筆者的教學實踐地證明了這一點。

線上線下混合型課堂就是信息化背景下的翻轉課堂，通過基于互聯(lián)網的APP線上資源功能開展了課前“信息傳遞”。師生線上交流，消除疑問。用APP 可以智能地統(tǒng)計學生平時的學習活躍度和參與度作為過程考核的依據(jù)。這是一個潮流和趨勢，尤其是對于地方應用型院校的學生，這樣的混合型課堂可以極大地提高學生的學習自覺性。

基于互聯(lián)網APP 進行過程考核，主要是側重于考核陳述性的和程序性內容的學習過程和效果。比如視頻資源的學習情況、概念公式的學習情況都會被類似“學情統(tǒng)計”功能智能統(tǒng)計，原理應用過程考核可以通過“測驗作業(yè)”功能進行統(tǒng)計。

但是對于策略性知識的過程考核，這類APP 是無法進行統(tǒng)計的。創(chuàng)造思維策略知識往往是因時、因人、因內容而異的一個解決問題的推理過程，難以程式化和學科化。之前的《工程力學》教學改革并沒有重視策略性知識的學習和考核，但對于培養(yǎng)高素質應用型人才又至關重要。筆者在教學過程中通過“開放案例引導，教師適時啟發(fā)，學生組內討論”的復合課堂模式來促進學生學習策略性知識，根據(jù)課堂的表現(xiàn)來考核其策略性知識的掌握情況。

4 結語

通過分析《工程力學》教學改革歷程的特點，在教學內容、教學方法、課堂模式及考核方面給出其對地方應用型本科院校《工程力學》教學改革的啟示。本文在教學實踐中做了相應的改革，教學效果證明這些啟示是非常有益的。隨著廣大力學教育工作者對力學課程教學改革認識和實踐的深入，一定可以提出更加先進的教改理念和更加有效地改革措施。