基于OBE的工程教育模式下土木工程專業理論力學教學設計改革與實踐

艾心熒　劉良坤　潘兆東　潘美萍　劉洪濤

［摘 要］文章基于東莞理工學院土木工程專業理論力學課程教學設計改革實際，針對當前土木工程專業理論力學教學普遍存在的理論性強、內容繁雜、學生興趣低、專業聯系弱、缺乏實踐教學等問題，從教學理念、教學目標、教學內容、教材選擇、教學方法、課程思政、實踐教學、課程考核等方面，開展教學設計改革與實踐，取得了較好的教學效果，可為兄弟院校土木工程專業理論力學教學開展提供借鑒。

［關鍵詞］土木工程；理論力學；教學設計；工程教育

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0061-04

引言

理論力學是土木工程專業的學科基礎（核心）課程，是研究物體機械運動基本規律的學科，是一般力學各分支學科的基礎。課程通常分為三個部分：靜力學、運動學與動力學。靜力學研究作用于物體上的力系的簡化理論及力系平衡條件；運動學只從幾何角度研究物體機械運動特性而不涉及物體的受力；動力學則研究物體機械運動與受力的關系[1-3]。該課程以力學理論為基礎、與實際密切結合，著重培養學生理論聯系實際的能力、分析和解決實際工程問題的能力，是后續專業課程學習及從事專業技術和科學研究工作的必要基礎。因此，做好理論力學課程教學設計工作，對培養學生的專業能力及素養具有十分重要的意義。

通過兄弟院校調研及文獻研究，結合本課程前期教學效果反饋及內部課程團隊研討，筆者發現當前土木工程專業理論力學教學設計面臨如下主要問題[1-3]。

第一，教學內容側重于機械工程領域，與土木工程專業聯系不緊密。受課程內容特點及應用領域影響，現有理論力學教材多由機械工程類專業或力學類教師編撰，教材中的例題、習題多側重于機械領域，運動學、動力學部分尤為明顯，導致學生缺乏對題目情境的體驗感，從而影響其對相關知識點的理解，學生課程學習興趣較低。

第二，教學內容理論性極強，學生容易產生畏難及學習懈怠情緒。理論力學依據一些基本概念和反映理想物體運動基本規律的公理、定律作為研究的出發點。例如，靜力學可由五條靜力學公理演繹而成；動力學是以牛頓運動定律、萬有引力定律為研究基礎的。理論力學的另一特點是廣泛采用數學工具，進行數學演繹，從而導出各種以數學形式表達的普遍定理和結論。因此，全書公式、定理、數學演繹推導較多，理論性極強，學生學習難度較大，容易產生學習懈怠。

第三，缺乏實踐教學內容，容易造成“紙上談兵”的誤解，實用性及趣味性不夠。大多數高校理論力學課程只包含理論教學，未設置實踐性教學環節，導致學生缺乏對工程實際的感性認識，無法將力學理論與生產實際問題較好地結合。

本文基于東莞理工學院（以下簡稱“我校”）土木工程專業理論力學課程實際教學，針對上述存在的問題，同時結合我校土木工程專業人才培養目標，從教學理念、教學目標、教學內容、教材選擇、教學方法、課程思政、實踐性教學、課程考核等方面，對理論力學教學設計改革與實踐進行總結分析，為理論力學課程教學工作提供有益借鑒。

一、教學理念——基于OBE的工程教育模式

OBE理念是以期望達成的學習成果來反思、修訂教育教學的內容，為達到成果導向教育的最終目標，教師的教學方法必須不斷變革以滿足課程需求。工程教育專業認證領域全面接受了OBE的思想，要求專業課程體系設置、師資隊伍配備、辦學條件配置等都圍繞學生畢業能力達成這一核心任務展開，并強調建立專業持續改進機制以保證專業教育質量和專業教育活力[4-5]。

基于OBE的工程教育模式，即工科專業辦學應以行業認可的人才培養目標及畢業生能力素質要求為導向，圍繞這一核心目標任務，設置課程體系、配備師資隊伍、配置辦學條件、開展教學改革與研究，并建立持續改進機制措施，以確保導向目標的優化、達成及質量。

從我校土木工程專業的人才培養目標看，其定位區別于綜合性及研究型高校同專業人才培養的目標和要求。我校著重培養“懂設計、擅施工、能管理”的復合型、應用型高素質工程建設人才，側重于培養“以實踐能力為主”的應用型人才。而理論力學課程主旨是希望學生通過學習掌握力學基本理論和基本方法，培養學生對實際工程問題的簡化能力、力學分析能力和計算能力，為學習有關后續課程和專業課奠定扎實的基礎。

基于OBE的工程教育模式要求，本課程教學改革工作必須圍繞如何讓學生具備扎實的力學理論基礎和清晰嚴密的力學思維，圍繞如何培養學生具備應用力學知識發現、分析、解決實際工程問題的應用能力來展開，使其既能滿足傳統建筑行業的人才需求，又能適應新興產業發展的需要，成為新型卓越土木工程人才。

二、課程教學目標

課程教學目標必須圍繞畢業生核心能力及專業人才培養目標的達成來制訂，即理論力學的課程教學目標必須支撐畢業生某若干項核心能力的達成，最終為人才培養目標的達成奠定基礎。理論力學是一門理論性強且非常重要的專業基礎課程，是研究物體機械運動一般規律的科學。課程內容主要包括剛體靜力學、運動學和動力學的基本原理和實際應用等，主要是培養學生的力學思維，為將來從事工程結構分析、設計及工程建設提供理論支持。在我校土木工程專業的人才培養方案中，理論力學課程所支撐的人才培養核心能力如表1所示。

基于上述分析，課程團隊將教學目標確定為：使學生掌握剛體機械運動的基本規律、研究方法以及處理力學問題的一般方法，理解并掌握力學模型及其數學物理方程的建立過程、方法，能夠運用這些規律及方法分析工程實際中的力學問題，培養學生清晰嚴密的力學思維能力、計算分析能力、理論聯系實際的工程應用能力，為后續相關課程的學習及工程應用實踐奠定良好基礎。

三、課程內容

首先，基于上述教學目標，同時考慮到土木工程專業工程問題主要為靜止狀態下的力學問題，課程團隊將課程內容重點確定為靜力學，兼顧運動學和動力學。其次，因課程學時較以往有較大壓縮，且部分內容與大學物理重疊，故刪除“動能定理”“動量定理”“動量矩定理”“振動”“碰撞”等章節內容。最后，在課時分配上：靜力學占50%，運動學、動力學各占25%，具體課程內容及要求如下。

第一，掌握靜力學公理及推論；掌握基本力學量的基本概念、性質及計算；掌握常見約束的基本概念、性質及其對應的約束力；掌握各類力系的簡化方法，熟悉簡化結果；掌握平面力系的平衡及物系平衡問題的應用；掌握桁架內力的常用計算方法；理解滑動摩擦的概念和摩擦力的特征，能求解考慮摩擦時的平衡問題，了解滾阻的概念。

第二，掌握點的運動描述方法，能求解點的軌跡、速度和加速度等相關問題；熟悉剛體平動和定軸轉動的特征；掌握運動合成與分解的基本概念和方法，熟練掌握點的速度合成定理、加速度合成定理及其運用。

第三，能建立質點的運動微分方程；掌握剛體轉動慣量的計算，了解慣性積和慣性主軸的概念；能運用剛體定軸轉動和平面運動的微分方程求解有關問題；了解慣性力的概念，掌握慣性力系簡化結果的計算；熟練掌握達朗伯原理（動靜法）的運用；熟悉廣義坐標、自由度、虛位移和理想約束等概念；掌握虛位移原理的運用。

四、教材選擇

教材選擇遵循優先選用國家及省部級獲獎優秀教材、國家或省部級規劃教材、國家或省部級精品教材、國外引進的優秀教材、近三年出版的新教材，且教材內容符合教學大綱課程目標及內容要求。基于此，課程團隊最終從數十本《理論力學》教材中確定選用2016年機械工業出版社的賈啟芬、劉習軍主編的《理論力學》（第4版）作為教材，該教材為“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材。

五、教學方法

豐富多樣的教學方法與信息技術手段是保障良好教學效果，提高師生互動、學生學習效果和效率的重要載體。本課程所用到的教學方法與信息技術手段如下。

六、課程思政設計

為了深入學習貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想，教師在知識傳授中要注重強調價值引領，有機融入社會主義核心價值觀、中國優秀傳統文化教育，善于挖掘各類思想政治教育元素并融入教學各環節。2019年秋季開始，理論力學課程結合授課要點，設計了3個思政育人的典型教學案例（思政映射與融入點），包括力學人物介紹、力學在各專業領域的應用、工程事故案例分析等教學設計環節，注重在知識傳授中強調價值引領，通過課堂講授、學生互動等潤物細無聲的方式，在力學原理實際運用中有機融入社會主義核心價值觀，引導學生形成嚴謹的科學態度和良好的工程素質。

表3 課程思政設計

[序號 課程思政融入點 課程思政作業 1 介紹中國的力學史和力學在土木工程中的應用，通過介紹我國歷史上和近現代的偉大建筑物，培養學生的民族自豪感，增進其專業熱情 通過課外閱讀（至少3篇文章），積極參與優學院課程平臺發布的討論從而獲得積分（發帖、回帖、點贊等），主題：中國的力學史和力學在土木工程中的應用 2 介紹中國力學大家的成長之路及其對社會的巨大貢獻，培養學生崇尚科學、積極進取的學習熱情 通過課外閱讀（至少3位力學大家），積極參與優學院課程平臺發布的討論從而獲得積分（發帖、回帖、點贊等），主題：力學大家的成長之路 3 引入由于力學計算不合格而產生的工程事故案例，以此培養學生作為工程師的責任意識，引導學生樹立良好的職業道德 通過課外閱讀（至少3項工程事故案例），積極參與優學院課程平臺發布的討論，從而獲得積分（發帖、回帖、點贊等），主題：工程師的職業道德與責任 ]

七、實踐教學創新與實踐

針對理論力學課程內容理論性強、缺乏針對性實踐教學、部分學生學習興趣不高、理論聯系實際的能力偏低等問題，理論力學課程團隊從2018年秋季開始增加課內結構設計競賽環節，并納入課程考核，讓學生在競賽中掌握力學分析、計算的原理和方法，培養其利用力學知識發現、分析、解決實際問題的能力，這極大地調動了學生的學習積極性，突出了理論力學的實踐應用，有效推動了本課程實踐性教學進展，詳見圖1、圖2。

學生以小組為單位，用竹皮等材料親手制作指定要求的結構模型；通過模型稱重、計算書編制、現場講解和結構加載等環節完成該項內容考核。這種以“實際項目”為載體的競賽形式實踐教學，大大提高了學生學習的積極性和參與度，能培養學生的學習興趣和解決問題的能力；課堂教學真正實現把理論和實踐相結合，這種方式深受學生的喜愛。

八、課程考核方式與成績評定

理論力學課程考核基于教學過程的考查與學習效果考查并重的思想，根據理論力學教學過程及環節特點，采用平時作業、期中測驗、課內結構設計競賽、期末考試等多個環節、多種形式來檢查學生的學習效果，避免“一考定終身”的單一考核模式，綜合考核學生的學習效果。

九、結語

理論力學作為工科專業重要的專業基礎課，具有理論性強、與工程技術聯系密切等特點，是溝通自然科學理論與工程實際的橋梁。東莞理工學院理論力學課程團隊通過近3年的努力，基于OBE工程教育模式開展土木工程專業理論力學教學設計改革與實踐，取得了良好的教學效果。學生學習興趣得到提高，成效明顯，近3年本課程主講教師的學生評教平均為90.91分，學生獲第十三屆全國大學生結構設計競賽二等獎1項，2018年、2019年廣東省大學生結構設計競賽一、二等獎各2項，廣東省第二屆大學生力學競賽優秀獎2項。同時，本課程獲評東莞理工學院2020—2021學年第一學期課程評估“優秀”等級，相關教學設計改革成果可為兄弟院系土木工程專業理論力學的教學提供參考和借鑒。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 侯龍清，徐紅梅.理論力學教學改革的實踐[J].安徽工業大學學報（社會科學版）， 2002（4）：140-141.

[2] 陳孝珍，胡公哲. 土木工程專業《理論力學》教學改革實踐與探索[J].南陽師范學院學報，2017（12）：76-78.

[3] 趙穩軍，黎永索，麻彥娜.應用型本科理論力學教學改革探討[J].教育教學論壇，2017（12）：116-117.

[4] 顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式：汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育研究， 2014（1）：27-37.

[5] 王士龍，江濤，曹現雷.新工科建設背景下理論力學課程教學改革探究[J].安徽工業大學學報（社會科學版）， 2020（3）：69-70，75.

［責任編輯：陳 明］