金春花 徐小麗

(南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇南通 226019)

力學(xué)是土木工程專業(yè)面向工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，是架設(shè)基礎(chǔ)課程到專業(yè)課程的一個(gè)橋梁，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度工程師而言，力學(xué)是根基。當(dāng)前隨著專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的不斷修訂，力學(xué)課程的學(xué)時(shí)一再被壓縮，而后續(xù)專業(yè)課對(duì)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的要求卻不降反升，應(yīng)用型人才、復(fù)合型人才、“現(xiàn)場(chǎng)工程師”等新型人才需求對(duì)力學(xué)的教學(xué)不斷提出更高的要求。因此，土木工程專業(yè)的力學(xué)教學(xué)迫切需要進(jìn)行整合和優(yōu)化，從課程群的角度建立新的力學(xué)知識(shí)體系，從而適應(yīng)新形勢(shì)下的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

1 整合教學(xué)內(nèi)容，建立模塊化大體系

課程群不同于課程建設(shè)的一個(gè)重要標(biāo)志是課程內(nèi)容和課程體系的改革［1］，它講究系統(tǒng)性，在力學(xué)課程群建設(shè)中，教學(xué)內(nèi)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(yōu)越性決定的。在重組知識(shí)點(diǎn)時(shí)，刪除課程間的重復(fù)內(nèi)容，不強(qiáng)求單門課程內(nèi)容的完整性，而是面向全局，面向工程實(shí)踐，打破原有的壁壘，融合重塑全新的知識(shí)模塊，在夯實(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)強(qiáng)調(diào)知識(shí)的應(yīng)用性。模塊化的知識(shí)結(jié)構(gòu)既可以單列又可以融合，符合當(dāng)前的形勢(shì)和需求。土木工程專業(yè)的力學(xué)課程主要指理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)(俗稱三大力學(xué))。力學(xué)課程群的建設(shè)主要就是圍繞這三門課的教學(xué)展開。在內(nèi)容的整合時(shí)，主要有以下關(guān)鍵幾點(diǎn):

1)理論力學(xué)教學(xué)中，靜力學(xué)部分是土木專業(yè)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，特別是物系的受力分析和約束反力的求解直接服務(wù)于后續(xù)材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)課程，所以需要重點(diǎn)講解。而在后續(xù)梁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性學(xué)習(xí)中就可以簡(jiǎn)單提及，不再占用學(xué)時(shí)進(jìn)行重復(fù)教學(xué);在力和力矩的概念學(xué)習(xí)時(shí)，由于高中和大學(xué)物理中已經(jīng)學(xué)過，所以就可以直接用，而把有限的學(xué)時(shí)放到力偶和空間力矩等新的知識(shí)點(diǎn)上去;對(duì)于平面簡(jiǎn)單桁架部分，早期課程基本用不到，所以可以直接放到后續(xù)的結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行詳細(xì)講解。對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)部分，可以略去已經(jīng)在大學(xué)物理學(xué)過的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)計(jì)算，只對(duì)常用的公式進(jìn)行簡(jiǎn)單回顧，而將學(xué)時(shí)重點(diǎn)放在點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)和剛體的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)這兩部分，并加深擴(kuò)寬，引入經(jīng)典工程實(shí)例進(jìn)行重點(diǎn)講授。動(dòng)力學(xué)部分的動(dòng)量定理、動(dòng)量矩定理和動(dòng)能定理在大學(xué)物理中也作為重點(diǎn)知識(shí)學(xué)習(xí)過，所以簡(jiǎn)單提及公式及運(yùn)用的注意事項(xiàng)，而把重心放到知識(shí)的運(yùn)用上，結(jié)合案例進(jìn)行講解對(duì)提高學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用能力和綜合分析解決問題的能力大有益處。2)材料力學(xué)教學(xué)中，主要任務(wù)是解決材料的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算問題。因此，教學(xué)中圍繞這一主線展開，并以拉伸和壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)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(chǔ)知識(shí)，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(shù)學(xué)計(jì)算部分，并把單位載荷法的知識(shí)移到后續(xù)結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行重點(diǎn)講授。超靜定結(jié)構(gòu)求解、剛架內(nèi)力圖繪制以及能量法的應(yīng)用等知識(shí)也都是材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的重合部分，也是后續(xù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要學(xué)習(xí)任務(wù)，所以在材料力學(xué)學(xué)習(xí)中可以刪減，而把有限的學(xué)時(shí)放到實(shí)驗(yàn)中去，培養(yǎng)動(dòng)手能力，提升實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力。3)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，由于對(duì)理論力學(xué)靜力學(xué)部分(特別是支座反力的求解)以及材料力學(xué)的內(nèi)力圖的繪制(特別是梁的內(nèi)力圖的繪制)依賴性很強(qiáng)，所以該部分內(nèi)容仍需要反復(fù)練習(xí)，進(jìn)一步提高解題速度。但同時(shí)需要?jiǎng)h除一些理論性強(qiáng)，學(xué)時(shí)占用較多的章節(jié)，例如虛功原理的證明。此外，基于學(xué)時(shí)限制，對(duì)于一些較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(例如拱、組合結(jié)構(gòu)、間接荷載作用下的結(jié)構(gòu)等)則需要進(jìn)行刪減，弱化筆算教學(xué)而利用各類現(xiàn)有軟件，代之以電算進(jìn)行。例如結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器和PKPM軟件等。這和“卓越工程師”培養(yǎng)的理念也相符合。

2 改革實(shí)驗(yàn)體系，培養(yǎng)大局觀念

將三大力學(xué)的內(nèi)容從力學(xué)課程群的角度進(jìn)行重新洗牌整合的過程中，修訂教學(xué)大綱是核心環(huán)節(jié)。從以往的教學(xué)大綱來看，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對(duì)較少。例如材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)是課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并不單獨(dú)成課，實(shí)驗(yàn)課成績(jī)納入平時(shí)成績(jī)進(jìn)行考核，使學(xué)生忽視了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要性。此外，內(nèi)容也基本是驗(yàn)證性的演示實(shí)驗(yàn)，例如學(xué)生能夠親自操作的彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)也只是進(jìn)行加載和讀數(shù)操作，對(duì)于應(yīng)變片的布局和黏貼操作由多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)取代，雖然節(jié)省學(xué)時(shí)，但對(duì)于獨(dú)立思考和獨(dú)立研究能力的培養(yǎng)不利，缺乏大局觀念。因此，針對(duì)當(dāng)前力學(xué)教學(xué)中缺乏獨(dú)立思考和實(shí)踐操作的現(xiàn)狀，以及中國力學(xué)學(xué)會(huì)開展多年的力學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽要求，我們借鑒國內(nèi)知名高校的做法，把實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)層次［2］。具體如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次圖

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)層次的實(shí)驗(yàn)主要包括金屬材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)(拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)性能)、彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)、彎扭組合變形實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)知識(shí)一定要保證是力學(xué)教師們的共識(shí)，這部分實(shí)驗(yàn)主要在于奠定力學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)與能力基礎(chǔ)，在教學(xué)中要求不折不扣保證學(xué)時(shí)、場(chǎng)地和實(shí)際操作質(zhì)量。

綜合研究型實(shí)驗(yàn)重在能力、素質(zhì)與個(gè)性能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)性質(zhì)也由驗(yàn)證性向綜合探索型轉(zhuǎn)變。綜合實(shí)驗(yàn)往往是多門課程的交叉和融合，學(xué)生自由組隊(duì)，自我管理，綜合所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，例如薄壁復(fù)合梁實(shí)驗(yàn)。內(nèi)容可以是以往的競(jìng)賽題也可以是老師自主命題。整個(gè)實(shí)驗(yàn)從內(nèi)容、方案到報(bào)告設(shè)計(jì)全都由學(xué)生自主完成，這給學(xué)生們提供了一個(gè)很好的獨(dú)立思考和創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。試點(diǎn)改革的成效非常好，一掃以往程式化的教學(xué)模式，受到同學(xué)們的一致好評(píng)。

第三個(gè)層次就是創(chuàng)新、創(chuàng)造意識(shí)和能力的培養(yǎng)。這就需要結(jié)合力學(xué)教師的科研課題進(jìn)行。三大力學(xué)均學(xué)完后，可以刪選出一部分優(yōu)秀的同學(xué)進(jìn)入老師的課題，不管是大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目還是結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽都需要有前期練習(xí)的過程，參與其中才會(huì)迸發(fā)出新的想法和靈感，這對(duì)教師也是一種教學(xué)相長(zhǎng)，不斷提升的途徑。實(shí)踐證明，很多立志考研的同學(xué)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(xù)性

教學(xué)改革與創(chuàng)新模式最終都需要一個(gè)約束機(jī)制或是公平公正的考核評(píng)價(jià)方式。要求既保證學(xué)生均能參與其中，也能保證教學(xué)的初心，保質(zhì)保量的圓滿完成教學(xué)任務(wù)，還要具有可持續(xù)性。

本次力學(xué)課程群的考核評(píng)價(jià)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行:一是期末考試，在常規(guī)試題外設(shè)計(jì)一個(gè)綜合已學(xué)知識(shí)的力學(xué)附加試題，通常會(huì)抽掉一部分以往作為已知的條件，要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)并建模，給出強(qiáng)度和剛度等分析的思路，在注重定量計(jì)算的同時(shí)要求給出部分定性的判斷。既可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合和創(chuàng)新能力，也為力學(xué)競(jìng)賽的選拔給出了參考。二是平時(shí)成績(jī)，除了平時(shí)課堂互動(dòng)、單元測(cè)驗(yàn)、作業(yè)以及考勤外，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)考核單列，實(shí)行一票否決制，提高基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的地位。此外還加入綜合實(shí)驗(yàn)部分的考核，把小組最終的平均得分作為組內(nèi)每一位同學(xué)的平均得分，計(jì)入平時(shí)成績(jī)之中。期末閉卷考試的成績(jī)和平時(shí)成績(jī)的比例設(shè)置在7∶3，多方位考核學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，杜絕僅靠一張考卷定高下的弊端。

力學(xué)課程群的建設(shè)，涉及到理論和實(shí)踐的方方面面，是土木工程專業(yè)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的根本。整合三大力學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，優(yōu)化各個(gè)教學(xué)模塊，并注重彼此間的聯(lián)系是首要任務(wù);保證基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，開辟豐富多彩的綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是新時(shí)代復(fù)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(xué)課程群的改革，對(duì)本校力學(xué)學(xué)科的發(fā)展也大有益處。