新工科背景下應用型高校基礎力學課程教學改革

顧國慶 蔡中兵 佘斌 郭磊 孔海陵 王路珍

摘? 要：針對新工科背景下基礎力學課程教學在培養高素質應用型人才力學邏輯思維和創新能力方面的重要性，以鹽城工學院基礎力學課程教學實踐為出發點，對基礎力學課程教學中的理論課程體系、教學模式、教學方法、實驗教學形式和考核評價機制等進行了改革與探索，尋找提高工科學生力學素質，改善基礎力學課程教學質量的有效途徑。

關鍵詞：新工科;基礎力學;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）09-0149-05

Abstract： In view of the importance of fundamental mechanics teaching in the cultivation of high-quality applied talents in mechanical logic thinking and innovative ability under the background of emerging engineering education， starting from the teaching practice of fundamental mechanics courses in Yancheng Institute of Technology， the theoretical courses system， teaching modes， teaching methods， experiment teaching modes and evaluation mechanism in the teaching of fundamental mechanics courses have been reformed and explored to find effective ways to improve the mechanics quality of engineering students and improve the teaching quality of fundamental mechanics courses.

Keywords： emerging engineering; fundamental mechanics; teaching reform

一、概述

現今，我國大力推動創新驅動發展機制，積極實施“一帶一路”“中國制造2025-工業4.0”“互聯網+”等重大發展戰略，以新模式、新業態、新技術、新產業為代表的新常態經濟時代迅猛發展，對高素質工程科技人才培養要求提出了更高標準，加快“新工科”科技人才教育改革創新已迫在眉睫[1]。自2017年以來，教育部大力推進“新工科”目標建設，先后達成了一系列的建設共識，如“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”[2-4]，從而拉開了全國“新工科”建設的序幕。相較“老工科”，“新工科”更加強調學科的實用性、延續性、交叉性與綜合性，尤其注重信息處理、智能電氣、通訊工程、軟件設計等新興技術與傳統工業技術的緊密結合。新工科教育是當今世界最大體量工程教育的根本性變革，是一種新型的高水平人才培養體系，是新時代回答好“培養什么人，如何培養人，為誰培養人”這個根本問題的戰略抓手[5]。與傳統工科人才不同，未來新興產業和新經濟需要大量的高素質復合型“新工科”人才，要求具備較強的實踐能力、創新能力和國際競爭力。因此，“新工科”背景下的人才培養是當前高等教育面臨的一個重要任務。

力學是現代工程技術的堅實基礎，既是基礎學科，又是應用學科：作為基礎學科，它是土木交通、機械制造、新能源、材料科學、汽車工程等相關傳統工科的基礎;作為應用學科，它幾乎與所有的新工科專業相互交叉，直接解決新工科專業中的力學難題[6-7]。力學技能和力學素養的全面培養是高素質復合型“新工科”人才培養的基礎。作為地方高水平應用型本科院校的鹽城工學院，開展多樣化、多途徑和多形式的“新工科”人才培養模式改革與創新，扭轉只注重力學知識傳授的片面傾向，轉向重視學科交叉融合與工科力學思維和素質培養。

二、基礎力學課程教學現狀及存在問題

基礎力學課程是普通高校工科專業的一門重要的專業基礎課程，著重培養學生的力學邏輯思維和力學素質，鍛煉學生分析、解決工程應用問題的力學能力，為后續課程的學習奠定基礎。鹽城工學院基礎力學課程主要面向全校工科專業，涵蓋土木、機械、材料、汽車等8個學院14個工科專業的近2300名學生的教學，主要開設包括《工程力學》《理論力學》《材料力學》《建筑力學》等力學課程。對力學知識依賴程度高的機械、車輛、土木等工科專業開設《理論力學》《材料力學》和《建筑力學》，而對力學知識依賴程度低的材料、環境、紡織、電氣等專業開設工程力學。

基礎力學課程的力學基本原理、知識和方法是掌握現代先進工程技術的必備基礎。從目前的基礎力學課程教學模式來看，知識傳授大于知識吸收，學生主體地位沒有凸顯，具體表現為缺乏學習力學的熱情和興趣，缺少創新性思維，實踐動手能力差等問題;另一方面，當前的基礎力學課程教學模式缺乏以學為中心、突出成效導向的課程教學及評價體系。因此，提升鹽城工學院基礎力學課程的整體綜合教學水平和質量，對于培養高素質復合型“新工科”人才具有重要作用。當前，基礎力學課程教學存在著課程體系不完善、成效導向不突出和力學實驗內容缺乏更新等問題。

（一）課程體系不完善

基礎力學課程有其適用性和針對性，建立一套完善的基礎力學課程體系至關重要。然而，當前鹽城工學院的工科力學課程設置存在體系建設不完善、課時安排不科學等問題。比如，《理論力學》和《材料力學》只針對土建和機械專業開設，而對力學知識要求較高的汽車、能源、交通等專業只開設《工程力學》，顯然不符合相關專業實際情況。《工程力學》課程設置主要針對材料、環境、紡服等專業，課程體系構建欠完善。《工程力學》課程內容僅包括《理論力學》中的靜力學和《材料力學》部份內容。顯然，這完全不能滿足工科學生力學思維和力學技能的培養要求。此外，基礎力學課程課時安排嚴重不足，難以完成必備力學知識內容講授的全覆蓋。

（二）成效導向不突出

目前，鹽城工學院土木、機械、環境等多個工科專業已經順利通過工程教育專業認證，加入“華盛頓協議”。專業認證OBE（Outcome Based Education）的理念內涵是“以學生為中心，成效導向，持續改進”[8]。當前基礎力學課程教學其成效導向并不突出，尚有持續改進的空間。基礎力學課程是較多后續專業課程的基礎，對于后續課程的學習不可或缺。基礎力學課程的評價考核往往傾向于當前課程是否可以達標，而并不能突顯力學課程對后續專業課程支撐的成效導向。往往出現學習后續課程時仍需對相關力學知識進行“二次”回爐學習的不利狀況。因此，突出成效導向的基礎力學課程評價體系尚待建立。

（三）實驗內容欠更新

結合“新工科”背景要求，已開設的《材料力學》實驗內容一般都屬于傳統的力學驗證型實驗，缺乏反映“新工科”實用性背景的實驗內容。這顯然不利于培養學生的“新工科”力學思維和創新精神，也難以激發學生學習興趣和激情，導致力學實驗教學過程往往呈現形式化和程序化，難以促進學生利用所學力學知識去解決實際工程應用問題。

三、基礎力學課程教學改革應對策略

（一）完善力學課程體系建設

基礎力學課程是“新工科”背景下系列工科課程中重要的技術基礎課程，是聯系基礎課程（《高等數學》、《大學物理》）和后續準專業課程（《彈性力學》）、專業課程（《結構力學》、《鋼結構原理》）的橋梁和紐帶[9]。通俗地講，中國的文章講究“起承轉合”，基礎力學就是這個“承”。以土建類專業為例，基礎力學課程主要包含《理論力學》《材料力學》《建筑力學》。它們非常注重自身的整體性與系統性，也與前、后續課程都存在著一定比例的重復。比如，《理論力學》當中的靜力學部分內容與《大學物理》中的力學部分重復，《材料力學》部分與《結構力學》也有重復。

由此可見，基礎力學教學內容的體系整合是大勢所趨。然而，近年來基礎力學課程的授課學時卻在大幅度削減。課時削減的同時，如果不能采取強而有力的教學措施來確保教學質量，則顯然違背了強調“厚基礎”的基本原則。因此，考慮以學生已掌握的力學知識作為教學新起點，制定出適應“新工科”培養要求的力學課程教學體系，突出重點，夯實基礎，進而達到提高教學質量的目的。

首先，深入發掘基礎力學課程與其前、后續課程間的邏輯關系和內在聯系;其次，尋找前續課程與基礎力學課程互相重復的知識結構和內容;再次，確定后續課程教學過程中能涉及到的力學內容，并有針對性地架構基礎力學課程教學新體系，具體如表1所示。基礎力學課程教學體系主要涵蓋力學知識理論授課和實驗實踐環節兩部分。另外，針對《理論力學》可增設上機實驗環節，《材料力學》實驗亦可增設綜合性實驗內容。表1所示基礎力學課程體系是完全符合教育部高等學校工科基礎課程教學指導委員會公布的“《理論力學》、《材料力學》課程教學基本要求（A類）”（2019版），且增加《理論力學》實驗內容。

（二）豐富力學課程教學模式

隨著“新工科”概念的普及推廣和適應高素質工科人才培養的要求，豐富改革基礎力學課程教學模式已是迫在眉睫。改變基礎力學理論知識課堂傳統授課（Teaching）模式，增加研討（Seminar）、練習（Practice）、匯報（Presentation）、案例（Example）等教學環節，形成基礎力學課程教學新模式-TSPPE模式，強化學生對基本力學知識和基本力學方法的掌握和運用。不難發現，TSPPE教學模式著重突出成效導向的OBE教學理念，豐富基礎力學課程教學模式，如圖1所示，形成一套有機閉環式教學方式，充分體現學生學習主體地位，發揮教師教學引導作用。

圖1 基礎力學課程教學TSPPE模式

具體而言，TSPPE教學模式的教學環節中除了采取傳統“師說生聽”教學方式以外，嘗試引入多種新型教學理念，如翻轉課堂、啟發引導、情境分析等，強化學生對力學知識的吸收理解;研討環節主要凸顯學生的學習主導地位，針對某些力學知識點或者難點進行分組研討交流，每個組員暢所欲言，充分交流自己的建議和想法，力求論據論點完備，培養增強學生發現問題和解決問題的能力。在研討中，大家相互交流，相互促進，提高歸納總結能力;基礎力學課程離不開大量的練習和訓練，階段性開設習題課是十分有必要。通過適量的習題訓練，增進對新學力學知識的消化吸收和舉一反三，通過練習也能及時發現存在的疑問和薄弱地方，進而加以改進和提高;適應“新工科”人才培養的要求，增設匯報環節對于培養學生的科學表達能力有重要的作用。

可以針對某些議題，設置包含問答在內的5-10分鐘的PPT（PowerPoint）匯報。比如，關于《材料力學》中的“圣偉南原理，其他金屬材料的壓縮力學性能和平面應變狀態分析”等知識內容，讓學生提前準備1周時間，結合已學知識在課堂采用PPT重點匯報。既能培養學生的語言表達能力，又能發現學生對相關知識學習理解方面存在的問題，并加以彌補;最后，鑒于對學生力學綜合能力考察的要求，在課程授課過程中，布置相應的工程案例分析大作業，要求學生結合力學知識體系，充分查閱相關資料，按照學術論文撰寫要求完成小論文不少于3篇。一方面，綜合考察學生對已學基礎力學知識和基本力學方法的掌握情況;另一方面，按照“新工科”人才培養理念，學以致用，運用力學知識解決實際力學問題。將自己的成果通過論文形式表達出來，充分闡述自己的觀點，潛移默化中鍛煉學生的科研素質。而且，教師可以根據論文質量，給出綜合評價等級，可按比例記入最終的考核成績。

（三）創新力學課程教學方法

眾所周知，創新力學課程教學方法進而提高基礎力學課程教學質量水平刻不容緩，其教學質量的優劣直接決定和影響到與基礎力學課程有關的后續課程的教學質量。為了適應當前“新工科”形勢的發展趨勢，完善高素質“新工科”綜合人才培養目標，著重從師資隊伍引進、教材建設、課程體系重建、實驗內容改造以及現代數值計算技術等多方面全面開展基礎力學課程教學質量改革與創新實踐。

堅持“素質教育、工程教育、創新教育”緊密結合的教學理念，加強基礎，強化工程概念，激發創新精神;努力使學生從被動學習向主動研究過渡，提高學生分析和解決問題的綜合能力，探索未知領域的能力;課內教學啟發、引導，課外學習提倡研究，全面提升基礎力學課程教學質量[10]。通過演示力學現象引出新問題或在分析問題的過程中提出新問題，并不斷地將解決問題與提出問題相結合，培養學生發現或提出問題、分析問題和解決問題的能力;實施啟發式、討論式的研究型教學方法，使學生在探索的過程中學習，在學習的過程中實踐，在實踐的基礎上創新，培養學生的創新意識;通過師生討論的教學方式，充分調動學生積極思維，發揮學生的主體地位作用，讓學生積極參與到教學過程中來，培養學生學習的主動性和積極性。采用“隨堂測試”的形式，以促進學生掌握、鞏固所學知識，同時有助于教師隨時了解同學們的學習情況。

當前，“新工科”人才培養不僅需要夯實扎牢專業基礎，而且還需要不斷提升工程實踐能力。除此之外，提高專業語言能力也是評價卓越工程師培養質量的一項重要指標，尤其是當今世界范圍內的工程案例溝通交流，更是離不開跟專業相關的語言溝通載體。在基礎力學課堂教學過程中，選擇合適的力學雙語教材，嘗試采用雙語教學模式，培養學生的專業語言表達能力。另一方面，現代化教育技術為高水平的教學質量保駕護航。從教師角度而言，教師需要樹立現代化教育技術為基礎力學課程教學服務的理念，進一步明確以提高基礎力學課程的教學質量為宗旨;從學生角度而言，教師把現代數值計算技術引入基礎力學課程教學，并增添計算機輔助分析的教學與實踐內容，積極引導學生利用計算機數值方法完成力學問題的分析求解。比如，重視學生的工程科學計算軟件MATLAB或Python的初步掌握，能夠編寫簡易程序解決力學問題，以便適應“新工科”高素質人才培養的要求。

（四）改革力學實驗教學形式

除了熟練掌握力學理論知識以外，力學實驗技能也是“新工科”高素質專業人才應當具備的一項基本技能，而這也是培養學生動手操作實踐能力的一個重要途徑。為了提高“新工科”人才培養質量，增強學生實踐能力，基礎力學課程實驗教學可開設具有基礎性、開放性和設計性的實驗內容和實驗環節，其中基礎性是指實驗內容對基礎知識的鞏固吸收和舉一反三，開放性主要指實驗內容和操作方式的開放性，而設計性著重強調實驗內容可不受課程教學范圍限制，由學生自主設計實驗方案和內容，充分發揮學生的主觀能動性，充分培養學生綜合能力和創新精神。

為了扭轉學生參與實驗積極性不高的現狀，可引入類似翻轉課堂的教學方式，積極引導學生運用所學力學知識自主分析、判斷故障類型并獨立解決，以培養學生的動手操作實踐能力。另外，也可采用啟發式教學，讓學生感受到力學實驗科學研究和創新探索的樂趣，增強學生對實驗課的興趣。按照“新工科”人才培養理念，增設《理論力學》實驗實踐環節和《材料力學》綜合性實驗。理論聯系實際，注重消化吸收基本力學原理和力學知識。另外，基礎力學實驗考核除了關注實驗成績以外，還要突出以成效導向的評價方式，更要重視挖掘學生的實踐動手能力。因此，基礎力學實驗考核評價方式改革勢在必行，可將其分為平時成績和考核成績，考慮將學生實驗成績按比例分成出勤10%、實驗過程10%、動手操作50%和實驗報告30%。

（五）建立力學課程成效評價機制

突出成效導向，創新性地引入基礎力學課程成效評價機制，激發學生學習力學課程的興趣和熱情，進而提高基礎力學課程的教學質量和水平。具體而言，明確課程考核成績由幾個部分構成，考核的側重點，相對于知識單元（或課程的各個構成部分）大致的比例分配，采用諸如隨堂測驗、單元測試、總結報告、閉卷考試等多種考核方式，并結合平時多種考核形式獲得的成績，及時掌握學生學習情況，綜合評定學生學習成效，反饋形成閉環預警機制。通過基礎力學課程教學成效評價機制，使學生明確以力學知識為載體進行力學能力訓練和力學素質培養的觀點，掌握課程教學中所傳授的力學所特有的思維方法、研究手段，明白力學課程教學中如何通過知識單元或若干個知識點的傳授過程來達到何種素質的培養和何種能力的訓練。總而言之，通過力學課程的講授、討論、實驗、習題等各個教學環節，訓練和培養學生的建模能力、思維能力、計算能力和自學能力，最終形成綜合性力學素養，惠及其他后續工科課程。

四、結束語

按照“新工科”人才培養理念，應用型高校探索構建突出成效導向的基礎力學課程教學體系，創新基礎力學課程教學模式和基礎力學實驗教學模式，建立課程成效評價機制，培養一流人才，以點帶面，最后惠及其他工科專業。突出成效導向的基礎力學課程教學改革，充分體現學生的主體地位，培養學生嚴謹的力學思維和崇高的科學精神，提升學生的力學實踐能力，培養全面發展的“新工科”高素質應用型人才。

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