土木工程專業力學課程群的整合和優化探討★

金春花 徐小麗

(南通大學交通與土木工程學院，江蘇南通 226019)

力學是土木工程專業面向工程設計和應用的重要技術基礎課程，是架設基礎課程到專業課程的一個橋梁，尤其對于結構強度工程師而言，力學是根基。當前隨著專業培養計劃的不斷修訂，力學課程的學時一再被壓縮，而后續專業課對力學基礎知識的要求卻不降反升，應用型人才、復合型人才、“現場工程師”等新型人才需求對力學的教學不斷提出更高的要求。因此，土木工程專業的力學教學迫切需要進行整合和優化，從課程群的角度建立新的力學知識體系，從而適應新形勢下的人才培養目標。

1 整合教學內容，建立模塊化大體系

課程群不同于課程建設的一個重要標志是課程內容和課程體系的改革［1］，它講究系統性，在力學課程群建設中，教學內容的整合是第一步。近年來，模塊化的呼聲越來越高是由它的優越性決定的。在重組知識點時，刪除課程間的重復內容，不強求單門課程內容的完整性，而是面向全局，面向工程實踐，打破原有的壁壘，融合重塑全新的知識模塊，在夯實基礎的同時強調知識的應用性。模塊化的知識結構既可以單列又可以融合，符合當前的形勢和需求。土木工程專業的力學課程主要指理論力學、材料力學和結構力學(俗稱三大力學)。力學課程群的建設主要就是圍繞這三門課的教學展開。在內容的整合時，主要有以下關鍵幾點:

1)理論力學教學中，靜力學部分是土木專業學習的重點，特別是物系的受力分析和約束反力的求解直接服務于后續材料力學和結構力學課程，所以需要重點講解。而在后續梁的強度、剛度和穩定性學習中就可以簡單提及，不再占用學時進行重復教學;在力和力矩的概念學習時，由于高中和大學物理中已經學過，所以就可以直接用，而把有限的學時放到力偶和空間力矩等新的知識點上去;對于平面簡單桁架部分，早期課程基本用不到，所以可以直接放到后續的結構力學進行詳細講解。對于運動學部分，可以略去已經在大學物理學過的簡單運動計算，只對常用的公式進行簡單回顧，而將學時重點放在點的合成運動和剛體的簡單運動這兩部分，并加深擴寬，引入經典工程實例進行重點講授。動力學部分的動量定理、動量矩定理和動能定理在大學物理中也作為重點知識學習過，所以簡單提及公式及運用的注意事項，而把重心放到知識的運用上，結合案例進行講解對提高學生現場應用能力和綜合分析解決問題的能力大有益處。2)材料力學教學中，主要任務是解決材料的剛度、強度和穩定性計算問題。因此，教學中圍繞這一主線展開，并以拉伸和壓縮、剪切、扭轉和彎曲為四大基本模塊依次講授，并注重模塊間的共性和差異，打牢基礎知識，然后再講解組合變形。其中利用積分法求梁的撓曲線方程部分，可以略去高等數學計算部分，并把單位載荷法的知識移到后續結構力學進行重點講授。超靜定結構求解、剛架內力圖繪制以及能量法的應用等知識也都是材料力學和結構力學的重合部分，也是后續結構力學的主要學習任務，所以在材料力學學習中可以刪減，而把有限的學時放到實驗中去，培養動手能力，提升實驗實踐能力。3)結構力學教學中，由于對理論力學靜力學部分(特別是支座反力的求解)以及材料力學的內力圖的繪制(特別是梁的內力圖的繪制)依賴性很強，所以該部分內容仍需要反復練習，進一步提高解題速度。但同時需要刪除一些理論性強，學時占用較多的章節，例如虛功原理的證明。此外，基于學時限制，對于一些較復雜的結構(例如拱、組合結構、間接荷載作用下的結構等)則需要進行刪減，弱化筆算教學而利用各類現有軟件，代之以電算進行。例如結構力學求解器和PKPM軟件等。這和“卓越工程師”培養的理念也相符合。

2 改革實驗體系，培養大局觀念

將三大力學的內容從力學課程群的角度進行重新洗牌整合的過程中，修訂教學大綱是核心環節。從以往的教學大綱來看，實驗實踐教學環節相對較少。例如材料力學的實驗是課內實驗，并不單獨成課，實驗課成績納入平時成績進行考核，使學生忽視了實驗環節的重要性。此外，內容也基本是驗證性的演示實驗，例如學生能夠親自操作的彎曲正應力實驗也只是進行加載和讀數操作，對于應變片的布局和黏貼操作由多功能實驗臺取代，雖然節省學時，但對于獨立思考和獨立研究能力的培養不利，缺乏大局觀念。因此，針對當前力學教學中缺乏獨立思考和實踐操作的現狀，以及中國力學學會開展多年的力學實驗競賽要求，我們借鑒國內知名高校的做法，把實驗分為三個層次［2］。具體如圖1所示。

圖1 實驗教學層次圖

基礎實驗層次的實驗主要包括金屬材料的力學性能實驗(拉伸、壓縮和扭轉性能)、彎曲正應力實驗、彎扭組合變形實驗。基礎知識一定要保證是力學教師們的共識，這部分實驗主要在于奠定力學實驗知識與能力基礎，在教學中要求不折不扣保證學時、場地和實際操作質量。

綜合研究型實驗重在能力、素質與個性能力的培養。實驗性質也由驗證性向綜合探索型轉變。綜合實驗往往是多門課程的交叉和融合，學生自由組隊，自我管理，綜合所學知識解決實際問題，例如薄壁復合梁實驗。內容可以是以往的競賽題也可以是老師自主命題。整個實驗從內容、方案到報告設計全都由學生自主完成，這給學生們提供了一個很好的獨立思考和創新的機會。試點改革的成效非常好，一掃以往程式化的教學模式，受到同學們的一致好評。

第三個層次就是創新、創造意識和能力的培養。這就需要結合力學教師的科研課題進行。三大力學均學完后，可以刪選出一部分優秀的同學進入老師的課題，不管是大學生創新創業訓練計劃項目還是結構創新大賽都需要有前期練習的過程，參與其中才會迸發出新的想法和靈感，這對教師也是一種教學相長，不斷提升的途徑。實踐證明，很多立志考研的同學都是由此收獲自信和綜合能力，漸漸打開科研之門的。

3 改革考核方式，確保可持續性

教學改革與創新模式最終都需要一個約束機制或是公平公正的考核評價方式。要求既保證學生均能參與其中，也能保證教學的初心，保質保量的圓滿完成教學任務，還要具有可持續性。

本次力學課程群的考核評價主要從兩個方面進行:一是期末考試，在常規試題外設計一個綜合已學知識的力學附加試題，通常會抽掉一部分以往作為已知的條件，要求學生自己設計并建模，給出強度和剛度等分析的思路，在注重定量計算的同時要求給出部分定性的判斷。既可以培養學生的綜合和創新能力，也為力學競賽的選拔給出了參考。二是平時成績，除了平時課堂互動、單元測驗、作業以及考勤外，基礎實驗考核單列，實行一票否決制，提高基礎實驗的地位。此外還加入綜合實驗部分的考核，把小組最終的平均得分作為組內每一位同學的平均得分，計入平時成績之中。期末閉卷考試的成績和平時成績的比例設置在7∶3，多方位考核學生的學習成效，杜絕僅靠一張考卷定高下的弊端。

力學課程群的建設，涉及到理論和實踐的方方面面，是土木工程專業學生專業學習的根本。整合三大力學的知識點，優化各個教學模塊，并注重彼此間的聯系是首要任務;保證基礎實驗，開辟豐富多彩的綜合創新實驗是新時代復合型人才的要求;公平公正的考核回歸高等教育的初心。通過力學課程群的改革，對本校力學學科的發展也大有益處。