淺談大數據時代土木工程專業本科理論力學課程教學改革

陳磊磊，程茹薈

(信陽師范學院，河南 信陽 464000)

科學技術的發展和互聯網的普及給大數據的發展提供了良好的環境[1],數據本身沒有價值，但如果將獲取的所有信息進行大數據分析和應用，就會產生無限的價值。當前社會對于能夠適應大數據時代發展的現代化科技人才需求量較大，急需具有大數據思維、能夠利用大數據分析處理問題的人才。在本科教育中，課程是培養人才的主要途徑，所以大數據時代的課程改革是十分必要的，理論力學課程也不例外。

理論力學是基礎力學學科，學習該課程可以為材料力學、結構力學、彈塑性力學的學習打下堅實的基礎，同時該課程本身的嚴密性和強大的邏輯性也可以鍛煉學生的科學素養。所以學好理論力學這門課程是每個學生必須達到的目標。但是在木工程專業理論力學課程教學實踐的過程中還存在許多問題，在某種程度上沒有很好的把握大數據時代的契機，所以大數據時代理論力學課程的教學改革勢在必行。

1 《理論力學》課程教學現狀以及存在的問題

教學課程的三大主體是課堂、教師和學生，課堂是教學活動的載體，教師在課堂中起到引導作用[2]，學生是課堂的主體，三者必須相互協同，充分發揮各自的作用才能保證教學的順利實施。

通過對2018級土木工程專業兩個教學班理論力學課程的學習情況進行調查，制出了相關統計圖如(圖1)所示。其中只有8%的學生表示對理論力學很感興趣，掌握的“很好”，50%的學生表示掌握的“不太好”和“不好”。

圖1 2018級土木工程專業理論力學課程學習情況

針對上述調查結果，將從課程教學、教師、學生以及課程最后的考核方式四個方面查找問題，為后續的教學改革提供依據。

1.1 課程教學存在的問題

理論力學課程共72學時，18周，除去考試2周，共64學時。其中每周前三節為教師講授，第四節為習題課。理論力學課程理論性較強，公式推導過程繁瑣，三節課均為教師講授，使得學生失去了很多自主思考的空間，也沒有足夠的時間來引入與課程相關的最新科研成果和學術動態，課時分配不合理。另外，教學課程理論與實踐聯系不夠緊密[3]。課本上大多內容都是抽象簡化的示意圖，這對于沒有實踐經驗的學生理解較為困難和抽象，沒有很好的將理論和實踐相結合。

1.2 學生方面存在的問題

理論力學課程安排在學生入學的第一學年，大多數學生對高等數學、大學物理課程的相關知識掌握不夠牢靠，基礎不夠扎實，可能會因為一個簡單的數學公式不理解就漸漸失去了學習的興趣。每次涉及到公式推導，很多學生就會失去耐心，甚至產生畏難心理。另一方面，大多數學生缺乏主動性，只是在課上時間聽老師授課，課前的預習和課后的練習反饋做得不到位，對知識的不熟悉，理解不夠，應用相關知識去解決問題較為困難。

1.3 教師方面存在的問題

教師在教學過程中，教學模式單一，通常采取“PPT+板書”的教學方法，滿堂灌，沒有意識到教學環節中學生的主體地位，導致學生經常被動的接受知識，沒有發揮學生的主觀能動性，與提高學生的工程素養的目標不符。

1.4 考核方式存在的問題

課程的考核方式為期末考試、平時成績占總成績的70%、30%。期末成績的大比重導致了學生不注重平時知識的積累，臨近期末考試突擊復習，臨時抱佛教只為應付期末考試的現象較為常見。同時，無法綜合全面的反應學生的真實學習情況，教師也無法根據學生的學習情況適時的調整自己的教學方法。

2 《理論力學》教學改革的必要性

2.1 大數據時代高校教學改革的需要

教育部“高等學校教育質量與教學改革工程”提倡深化教學改革，全面提高高等教育質量，它與"卓越工程師培養教育計劃"相配合[4]，對增強工程人才的核心競爭力具有指導意義。在大數據時代背景下，《理論力學》的教學改革不僅是課程改革的需要，也是高等學校教學改革的必然性需求。

2.2 大數據時代培養高質量的工程人才的需要

隨著大數據時代的悄然到來，各行各業的競爭日益激烈，社會迫切需要大量的高層次、高質量的數據人才投身國家的振興戰略中去，尤其是工程領域，對人才質量的要求越來越高。《理論力學》課程作為工程相關專業的基礎力學課程，也應該以此為目標，借助其課程嚴謹性、邏輯性和科學性等特點，著重培養學生的工程素養，提高學生的分析問題、解決問題的能力，為國家的建設輸送高質量的現代化科技人才。

2.3 大數據時代課程自身重要性和發展的需要

《理論力學》這門課作為土木工程專業的三大力學之一，是學好后續課程的基礎，其地位的重要性決定了對其進行改革的必要性。完善教學改革也是課程自身發展的需要，發展促進改革，改革需要發展。只有這樣，才能夠提高學生學習的積極性，培養其各方面的綜合能力，進一步促進教師教學能力的提升，提高課程的教學質量。

3 《理論力學》課程教學改革措施

要注意的是，教學改革的實施者是教師，實施的對象是課堂、學生、教師本身和教學中存在的其他問題，教師必須針對每個改革對象實施相應的措施。以下將從四個方面進行改進(圖2)。

圖2 大數據時代下理論力學課程教學改革措施的幾個方面

3.1 合理分配課時，理論聯系實際

將之前的每周前三節教師講授，第四節習題課改為前兩節為教師講授，第三節為復習討論習題課，最后一節為課外拓展。調整課時之后，原本三節講授課被壓縮為兩節。這種情況下就需要教師根據大綱需求，有些內容精講，有些內容就可以一帶而過。采用多媒體教學充分利用課堂時間，信息量大的特點剛好彌補了教師授課時間壓縮的情況。例如一些復雜的圖形可以用多媒體來呈現，不僅減少了手工作圖的時間，也使得呈現給學生的圖形更加直觀形象易于理解。第三節課留給學生。教師需要適當的引導學生復習討論的內容，還可以給出一些與本節課內容相關的典型例題，讓學生討論作答，復習鞏固知識點，這樣也避免了一部分同學只是聽懂不會應用的現象產生。加上適當的隨堂小練習，學生從學習，到自主思考，再到應用所學知識解決問題的過程都有參與，這樣學到的東西才真正是自己內化的理解。最后充分利用第四節課，結合大數據的時代背景和該課程領域的發展現狀，通過媒體等多種形式向學生展示一些理論力學近期的學術會議和科技前沿，盡早培養學生的科研觸覺和思想，調動學生學習的積極性。

針對該課程理論與實踐脫節的問題，教師可利用多媒體教學給學生展示一些和本節課主要內容相關的工程實例，通過視頻、照片等形式清晰展示工地現場，給學生身臨其境的感覺。同時也讓學生在學習課程內容之前就清楚的認識到，所學的內容可以如何應用到工程實際中，增強學生理論聯系實際的能力。

3.2 因材施教，注重全過程學習

在授課之前，教師可利用大數據簡單分析每個學生的學習情況，分析其產生差異的相關性原因，盡可能做到因材施教。充分了解學生的基礎水平，對高等數學、大學物理等課程的掌握情況，根據學生的實際情況做必要的知識補充，以改善后續課程的學習效果。針對部分學生存在畏難心理的問題，教師可在第三節課開展隨堂小練習。合理設置練習題目的難易程度，在練習的過程中教師可適當的引導學生，讓學生嘗試親自動手去解決問題，在學生獨立完成之后教師可對題目進行詳細的講解。同時善于借助語言的魅力，多鼓勵學生，再難的問題都是靠人一步一步解出來的，培養學生的自信心。

另外，大數據時代下衍生的各類線上課程和數據平臺為學生課外的學習提供了十分便捷的途徑。教師可以篩選出符合該課程教學目標的網絡課程和課件資料供學生課前預習，學生預習的成果大大提高了聽課的效率。同時布置線上的習題供學生課后鞏固練習，并按照規定的時間提交給老師作業結果。既監督了學生課后的鞏固練習，也符合大數據時代下的人才培養策略。

3.3 合理選擇教學方法，提高自身專業素質

教師需要合理選擇教學方法，比如采用啟發式教學，多問學生為什么，在講解某個例題時，備好設問方案，對解題思路設置一系列問題，環環相扣，由教師設問引導，學生主動參與思考問題，師生之間形成了良好的互動，一改之前滿堂灌的傳統教學方法，提高了學生的主觀能動性。

教師作為傳道授業的解惑人，不僅需要在教學方法上做調整，還需要從深度和廣度兩個方面，努力提高自身的專業水平。一方面要加強本專業理論課程的學科研究，歸納總結教學方法，生成最適合本專業學生學習的教學經驗。另一方面，教師應借助大數據時代背景，廣泛學習大數據給理論力學領域帶來的寶貴資源。大數據分析是人工智能的基礎，機器學習作為人工智能的核心，其神經網絡算法在力學中有廣泛的應用[5]。針對實際工程問題中存在的大量非線性力學現象，利用神經網絡的非線性映射能力，可以在結構優化問題中得到比一般方法更精確的解。另外，大數據分析還是一門研究不確定性的技術，傳統的力學中我們研究的通常是連續的或是小數據分析，得到的是確切的結果。當數據足夠多的時候，對數據進行全方位、多維度的分析就可能發現之前沒有發現過的規律，促進學科的發展和變革。與此同時，教師才能夠將自己的所學所悟更好的傳授給學生，讓學生更好的了解大數據時代帶來的機遇和挑戰，從而提升自己的能力，真正成為大數據時代的科技人才。

3.4 考核方式多元化

考核是評價教學質量的最終手段，要想得到盡可能貼近真實的教學質量反饋，合理有效的考核方式是十分必要的。為了能夠及時發現教學中存在的問題和學生的學習動態，將期末考試成績的比重由70%降為60%，平時成績的比重由30%提高到40%。40%的平時成績分為出勤率、回答問題情況、線上線下作業完成情況和課程小論文。提高平時成績所占的比重使得學生更加注重平時課堂的學習和積累，而不是臨近期末抱佛腳，即使平時不學習期末突擊一下也可以拿到不錯的分數。其中出勤率可以反應學生上課的積極程度，回答問題情況和線上線下作業完成情況可以實時反應學生的學習狀態。課程小論文作為課外學習的一種新方式，學生可以自由選材，可以是學習本課程的心得體會，也可以是分析理論力學中的某個公式和現象。考核方式的多元化在很大程度上可以更全面的反應學生的各種素質，也培養了學生注重結果的同時也注重過程的學習思想。

4 結語

結合大數據時代土木工程專業本科《理論力學》教學過程中存在的問題，分析了對其進行教學改革的必要性。將大數據時代的技術平臺和思想融入教學過程中，合理分配課時，理論聯系實際，充分了解每個學生，努力提高自身專業水平，并采取多樣化的考核方式，這樣的改革方式在實際教學中取得了很好的效果。但我們不能止步于此，在今后的教學過程中，要立足大數據時代背景，切實結合學生的動態和課程發展的需要，不斷地改革完善，以期為國家和社會輸送更多高質量、高層次的現代化科技人才。