新工科背景下應(yīng)用型導(dǎo)向的土木工程學(xué)科理論力學(xué)教學(xué)探索

劉良坤，潘兆東，龐書(shū)孟，秦任遠(yuǎn)，邸 博

（東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東 東莞 523808）

新工科建設(shè)對(duì)工程專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)提出了新的需求[1-2]。“新工科”建設(shè)是中國(guó)工程教育應(yīng)對(duì)新技術(shù)和新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措。土木工程屬于傳統(tǒng)工科，面對(duì)新技術(shù)、新經(jīng)濟(jì)的變革更加需要適應(yīng)當(dāng)前的新形勢(shì)，并主動(dòng)“升級(jí)”。理論力學(xué)課程作為土木工程專(zhuān)業(yè)的重要核心基礎(chǔ)課程，重點(diǎn)在于培養(yǎng)土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的計(jì)算分析能力，是土木工程行業(yè)工程師力學(xué)思維培養(yǎng)的前提，更是后續(xù)材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等專(zhuān)業(yè)力學(xué)課程的重要基礎(chǔ)。

然而，工程學(xué)科強(qiáng)調(diào)知識(shí)的應(yīng)用能力，理論力學(xué)的理論性較強(qiáng)，其概念及原理相對(duì)復(fù)雜，學(xué)生容易產(chǎn)生疑惑；而且，在教學(xué)過(guò)程中，很可能因授課教師的專(zhuān)業(yè)背景及承擔(dān)課程不同，缺乏有效引導(dǎo)，導(dǎo)致理論力學(xué)的獨(dú)立性過(guò)強(qiáng)，無(wú)法將其與其他課程建立有效聯(lián)系，從而導(dǎo)致學(xué)生的力學(xué)思維能力培養(yǎng)不足，力學(xué)概念與原理的應(yīng)用能力有限。因此，提高學(xué)生對(duì)理論力學(xué)課程的重視，實(shí)施應(yīng)用型導(dǎo)向的教學(xué)模式，有利于培養(yǎng)土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的力學(xué)工程思維及理論聯(lián)系實(shí)際的工程應(yīng)用能力[3-5]。本文將以筆者承擔(dān)的理論力學(xué)為例，對(duì)近幾年應(yīng)用型導(dǎo)向理論力學(xué)教學(xué)改革進(jìn)行探討。

1 理論力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

理論力學(xué)是一門(mén)理論性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容相對(duì)枯燥，公式較多，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中往往存在較多疑問(wèn)。目前在教學(xué)上存在以下問(wèn)題：

（1）教學(xué)內(nèi)容過(guò)于抽象，不利于力學(xué)概念的理解。相對(duì)而言，由于理論力學(xué)是一門(mén)偏于理論的基礎(chǔ)核心課程，力學(xué)概念較多，內(nèi)容相對(duì)抽象枯燥，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的熱情。教師在教學(xué)過(guò)程中容易出現(xiàn)誤區(qū)，將過(guò)多的時(shí)間用于公式講解與推導(dǎo)，缺少對(duì)力學(xué)概念的理解，導(dǎo)致學(xué)生陷入誤區(qū)，使原本晦澀難懂的力學(xué)理論理解“雪上加霜”。因此，重視力學(xué)概念的理解是保證力學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（2）教學(xué)過(guò)程重視理論學(xué)習(xí)，缺乏有效實(shí)踐。目前的理論力學(xué)教學(xué)注重課程的講授，且以理論學(xué)習(xí)為主，缺少真正的動(dòng)手實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)力學(xué)概念的認(rèn)知僅僅在于對(duì)力學(xué)概念文字上的認(rèn)知，無(wú)法了解其真正內(nèi)涵，也無(wú)法對(duì)理論進(jìn)一步深化；而實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的缺乏正加劇了這種過(guò)程的產(chǎn)生。因此，對(duì)理論力學(xué)的理論與實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行合理安排至關(guān)重要，有利于學(xué)生達(dá)到學(xué)以致用的目的。

（3）教學(xué)關(guān)聯(lián)性存在斷層，專(zhuān)業(yè)課程的力學(xué)應(yīng)用引導(dǎo)不足。理論力學(xué)作為基礎(chǔ)核心課程涉及各類(lèi)力學(xué)課程（諸如材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等）、土木專(zhuān)業(yè)課程（混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等），這使得理論力學(xué)的學(xué)習(xí)直接關(guān)系到后續(xù)課程的理解與掌握。然而，在教學(xué)過(guò)程中，很可能因授課教師的專(zhuān)業(yè)背景及承擔(dān)課程的不同，導(dǎo)致理論力學(xué)的獨(dú)立性過(guò)強(qiáng)，無(wú)法將其與其他課程建立有效聯(lián)系；加之缺乏有效引導(dǎo)，不利于學(xué)生力學(xué)思維的培養(yǎng)，導(dǎo)致對(duì)力學(xué)概念與原理的應(yīng)用能力有限。此外，土木工程專(zhuān)業(yè)課程，大多安排于大學(xué)的中后期，若教師在授課程中未及時(shí)補(bǔ)充相關(guān)的力學(xué)知識(shí)，由于學(xué)生對(duì)前期力學(xué)知識(shí)的遺忘，很可能對(duì)專(zhuān)業(yè)課程的理解不足。上述情況將阻礙其在后期的工程應(yīng)用。

2 應(yīng)用型導(dǎo)向的理論力學(xué)教學(xué)改革措施

為培養(yǎng)土木工程專(zhuān)業(yè)人才的力學(xué)工程思維，提高其工程應(yīng)用能力，應(yīng)用型導(dǎo)向的教學(xué)改革勢(shì)在必行。據(jù)此，作者根據(jù)理論力學(xué)的核心基礎(chǔ)課程定位，從三方面進(jìn)行教學(xué)改革，基本改革框架如圖1所示。

圖1 應(yīng)用型導(dǎo)向的理論力學(xué)教學(xué)改革框架

2.1 重視理論力學(xué)概念理解

土木工程應(yīng)用能力的基礎(chǔ)在于對(duì)力學(xué)概念的理解。區(qū)別于傳統(tǒng)理論力學(xué)的灌輸式教學(xué)方式，筆者采用啟發(fā)式的力學(xué)概念感知教學(xué)方式。首先，按傳統(tǒng)方式講解力學(xué)概念，使學(xué)生有初步的了解；然后，將力學(xué)概念與生活或工程中常見(jiàn)的力學(xué)現(xiàn)象相結(jié)合，引起學(xué)生求知欲，并輔以圖片或視頻方式演示力學(xué)想象，講授背后的力學(xué)機(jī)制，引出關(guān)鍵的力學(xué)概念；隨后，啟發(fā)學(xué)生產(chǎn)生聯(lián)想，并進(jìn)行力學(xué)概念的拓展與延伸；最后，以此為契機(jī)，啟發(fā)學(xué)生，用力學(xué)視角解釋并分析生活上常見(jiàn)的現(xiàn)象，從而提升對(duì)力學(xué)概念的理解，為其今后力學(xué)應(yīng)用能力提升提供基礎(chǔ)。

2.2 強(qiáng)調(diào)理論力學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐

對(duì)于土木土工程學(xué)科而言，理論力學(xué)的學(xué)習(xí)在于為后期課程學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)，而力學(xué)實(shí)踐引入將有效提高其支撐效果。因此，基于前期的力學(xué)概念理解，強(qiáng)化力學(xué)理論，并以力學(xué)理論為基礎(chǔ)進(jìn)行力學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生加深對(duì)力學(xué)概念的感知，便于后期專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)和力學(xué)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。考慮到本課程靜力學(xué)部分與土木工程學(xué)科最為密切，教學(xué)過(guò)程中以力矩、力偶、重心等概念為例，采用電子版作業(yè)的方式讓學(xué)生參與力學(xué)實(shí)踐。例如，力對(duì)軸之矩的概念，學(xué)生A根據(jù)所學(xué)的基本知識(shí)，先對(duì)該概念進(jìn)行初步理解，然后，以宿舍的門(mén)為例，分析門(mén)在開(kāi)合過(guò)程中，手對(duì)門(mén)施加不同方向作用力時(shí)，對(duì)該軸之矩的影響；同時(shí)該同學(xué)就分析過(guò)程以圖片的形式進(jìn)行了說(shuō)明。此外，如圖2，本課程還設(shè)置了趣味力學(xué)競(jìng)賽及課內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，以此來(lái)提高學(xué)生的力學(xué)實(shí)踐與應(yīng)用能力。

圖2 力學(xué)實(shí)踐活動(dòng)

2.3 促進(jìn)專(zhuān)業(yè)課程力學(xué)思維導(dǎo)向

理論力學(xué)因其課程的特殊性，學(xué)生普遍接受起來(lái)存在一定的困難，加之授課教師的專(zhuān)業(yè)背景及承擔(dān)課程不同，導(dǎo)致該課程的獨(dú)立性過(guò)強(qiáng)，影響其與后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)性建立，不利于力學(xué)工程思維培養(yǎng)。因此，理論力學(xué)教學(xué)中應(yīng)根據(jù)力學(xué)概念與原理，適當(dāng)引出后期專(zhuān)業(yè)課程可能涉及的相關(guān)工程案例，實(shí)現(xiàn)其與理論力學(xué)的初步“對(duì)接”，減少學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程時(shí)的生澀感及課程間的獨(dú)立性，完善理論力學(xué)在土木工程專(zhuān)業(yè)課程中的框架體系。具體而言，在教學(xué)過(guò)程中，首先應(yīng)重視理論力學(xué)中與土木工程專(zhuān)業(yè)最為密切的靜力學(xué)內(nèi)容，并在力學(xué)課程中突出工程應(yīng)用，培養(yǎng)初步的力學(xué)工程思維；其次，后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的授課時(shí)，應(yīng)回顧相關(guān)力學(xué)原理，并以力學(xué)思維進(jìn)行引導(dǎo)；最后，結(jié)合專(zhuān)業(yè)課程中相關(guān)的力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講授，在得到結(jié)論后再次強(qiáng)調(diào)與專(zhuān)業(yè)課程的關(guān)聯(lián)性，讓學(xué)生掌握該部分內(nèi)容的內(nèi)在力學(xué)機(jī)理。通過(guò)上述過(guò)程，既可完成理論力學(xué)對(duì)專(zhuān)業(yè)課程的有效引導(dǎo)，又可確保后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程對(duì)理論力學(xué)的有效承接，從而改善力學(xué)與土木工程專(zhuān)業(yè)課程之間教學(xué)的獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)課程的力學(xué)思維導(dǎo)向。

例如，混凝土結(jié)構(gòu)基本原理中單筋矩形截面的等效過(guò)程，其等效原則實(shí)際為合力的大小和作用點(diǎn)不變。相關(guān)原理來(lái)源于理論力學(xué)的靜力平衡：（1）合力大小不變對(duì)應(yīng)于力的平衡；（2）作用點(diǎn)不變對(duì)應(yīng)于力矩平衡。在理論力學(xué)課程中，可以適當(dāng)多準(zhǔn)備一些后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的應(yīng)用案例，引導(dǎo)學(xué)生重視靜力平衡的概念與原理學(xué)習(xí)。在混凝土結(jié)構(gòu)基本原理講授時(shí)，首先在講解前用2～5分鐘復(fù)習(xí)靜力學(xué)平衡知識(shí)；然后，根據(jù)截面等效的四個(gè)基本假定，完成混凝土梁受壓區(qū)截面應(yīng)力的矩形等效，并推導(dǎo)計(jì)算公式；最后，再次解析等效過(guò)程，并強(qiáng)調(diào)等效過(guò)程的核心在于力與力矩的平衡，從而確保在該知識(shí)點(diǎn)的講解過(guò)程中突出力學(xué)概念與原理的應(yīng)用。此外，還可介紹相關(guān)的實(shí)際工程案例，啟發(fā)學(xué)生采用靜力平衡原理進(jìn)行分析。

3 結(jié)語(yǔ)

理論力學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)的重要核心基礎(chǔ)課程，重視力學(xué)概念的理解，加強(qiáng)有效的力學(xué)實(shí)踐，并促進(jìn)專(zhuān)業(yè)課程的力學(xué)思維導(dǎo)向，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)工程思維能力非常重要。筆者針對(duì)所承擔(dān)的理論力學(xué)及部分專(zhuān)業(yè)課程進(jìn)行了為期多年的教學(xué)改革，取得了良好的效果：學(xué)生對(duì)力學(xué)概念的理解有所加深，而且由于力學(xué)實(shí)踐的引入，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有較大的提高；此外，改革過(guò)程中對(duì)力學(xué)與專(zhuān)業(yè)課程進(jìn)行了有效的“前啟后承”，降低了課程間的獨(dú)立性，有助于建立力學(xué)與專(zhuān)業(yè)課程的緊密聯(lián)系。因此，對(duì)于土木工程學(xué)科，應(yīng)用型導(dǎo)向的理論力學(xué)課程改革，有利于提高學(xué)生的計(jì)算、分析與實(shí)際應(yīng)用能力，促進(jìn)學(xué)生力學(xué)工程思維的培養(yǎng)，為培養(yǎng)“新工科”建設(shè)下土木工程專(zhuān)業(yè)復(fù)合型人才提供支撐。