楊慶生 葉紅玲 劉夏

摘 ?要：基礎(chǔ)力學課程是工科大學生的技術(shù)基礎(chǔ)課程，不僅是學生進行后續(xù)專業(yè)課程學習的基礎(chǔ)，而且它自身的科學方法具有直接解決實際工程問題的能力，它在培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力方面起著關(guān)鍵的作用。文章闡述了在新形勢下基礎(chǔ)力學課程體系的改革設(shè)計、實施方法和改革效果。構(gòu)建了以反映課程本質(zhì)的核心知識、滿足專業(yè)要求的選配模塊和體現(xiàn)教師特點的特色內(nèi)容三層次組成的“有核心無邊界”的知識體系和特色各異、規(guī)格不一的課程結(jié)構(gòu);提出了有用、能用、會用的“三用”教學理念和實際、實踐、實驗的“三實”教學原則;詳細介紹了教學改革中的具體措施和實施方法。教學改革經(jīng)驗對于面向新工科建設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)類課程改革具有一定的借鑒意義和參考價值。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)力學;工程力學;課程改革;課程體系

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）13-0109-05

Abstract： Fundamental mechanics course is the basic technical course for engineering students. It is the basis for students to learn the following professional courses， and its own scientific method has the ability to solve practical engineering problems directly. It plays a key role in cultivating students' engineering ability and innovation ability. This paper expounds the reform design， implementation method and reform effect of the curriculum system of fundamental mechanics under the new situation. We have constructed a "core and borderless" knowledge system which is composed of three levels： the core knowledge reflecting the essence of the course， the selecting and matching modules that meets the professional requirements， and the specific contents reflecting the characteristics of teachers， and a course structure with different features and specifications; we put forward the "Three U's" teaching idea of useful， usable and using knowledge and the "Three P's" teaching principle of possible， practical and experimental skills; and we introduced the concrete measures and implementing methods in teaching reform in detail. The experience of teaching reform has certain reference significance and value for the reform of specialized basic courses for new engineering construction.

Keywords： fundamental mechanics; engineering mechanics; course reform; course system

圍繞質(zhì)量提升內(nèi)涵是高等教育教學改革最核心最緊迫的任務(wù)。教育理念的轉(zhuǎn)變、人才培養(yǎng)模式的發(fā)展、教學體系的創(chuàng)新和教師教學能力的提升是促進教育教學改革的關(guān)鍵因素。基礎(chǔ)力學作為許多工科專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，很多學者從教學內(nèi)容、教學方法、實驗教學等方面進行了有益的探索與實踐[1-4]。當前，隨著卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的實施和新工科建設(shè)的發(fā)展，在科學、人文、工程的交叉融合中，如何培養(yǎng)具有工程實踐能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型綜合性人才，對于基礎(chǔ)力學課程建設(shè)提出了新的任務(wù)和要求。本文結(jié)合作者的教學實踐，闡述了基礎(chǔ)力學課程系列的改革設(shè)計、實施方法和改革效果，希望對于工科基礎(chǔ)類課程的建設(shè)提供一些思路和借鑒。

一、基礎(chǔ)力學課程系列在工程教育中的地位與作用

工科本科生階段的基礎(chǔ)力學課程系列以《理論力學》、《材料力學》課程為主，輔以《結(jié)構(gòu)力學》、《彈性力學》、《工程熱力學》、《流體力學》和《有限元法》等。其中《理論力學》和《材料力學》是面向眾多學科的基礎(chǔ)課程，它們的內(nèi)容經(jīng)過不同組合，又形成了各種學時規(guī)格的《工程力學》課程，由此形成了基礎(chǔ)力學的課程系列，面向機械工程類、土木工程類、材料科學與工程、交通工程、熱能與動力工程、建筑學、測控技術(shù)與儀器、環(huán)境工程、水務(wù)工程、經(jīng)濟管理等專業(yè)開設(shè)。目前我國大多數(shù)院校以《工程力學》的課程名稱進行基礎(chǔ)力學課程教學，國外多數(shù)院校也基本如此[5]。

基礎(chǔ)力學作為一門學生最早接觸到的、系統(tǒng)地將理論知識與工程實際相結(jié)合的課程，具有完整系統(tǒng)的基本概念、基本原理和基本方法，具有獨特的數(shù)學推理和分析與求解問題的科學思維方法，將工程問題的分析、近似、抽象、建模、求解、設(shè)計等過程貫穿于教學中，使嚴密科學推理與靈活工程應(yīng)用相結(jié)合，以便于學生掌握解決工程中力學問題的基本方法和技能，從而培養(yǎng)學生的工程意識、科學素質(zhì)與創(chuàng)新能力?；A(chǔ)力學課程不僅是后續(xù)相關(guān)課程的基礎(chǔ)，而且它自身的科學方法具有直接解決實際工程問題的能力，因此基礎(chǔ)力學已經(jīng)成為相關(guān)工科專業(yè)必不可少的基礎(chǔ)知識。經(jīng)過長期的發(fā)展，無論是傳統(tǒng)的土類、機類專業(yè)，還是新興的循環(huán)材料、智能交通、工業(yè)設(shè)計等專業(yè)，都把基礎(chǔ)力學作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。

二、基礎(chǔ)力學課程面臨的新形勢與改革迫切性

隨著國家社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及對于人才素質(zhì)要求的不斷提高，基礎(chǔ)力學課程與其他基礎(chǔ)類課程一樣，一直面臨適應(yīng)新形勢、解決新問題的巨大挑戰(zhàn)。特別是近幾年高等教育的改革深化，使得基礎(chǔ)力學課程面臨的改革任務(wù)越來越迫切。

（一）專業(yè)大類招生與培養(yǎng)模式的實施，迫使基礎(chǔ)力學課程系列必須進行實質(zhì)性改革

為培養(yǎng)適應(yīng)新世紀各類學科交叉的寬口徑復(fù)合型人才，目前各高校紛紛打破專業(yè)壁壘和學科界限，普遍實行了按專業(yè)大類招生和培養(yǎng)的模式，學生在入學一年半或兩年的時間內(nèi)全部學習基礎(chǔ)課程，高年級才進行專業(yè)學習和拓展學習，從而實現(xiàn)廣泛的通才教育。例如本校的土木工程類專業(yè)包含結(jié)構(gòu)工程、給排水科學與工程、建筑環(huán)境與能源利用、水務(wù)工程等二級本科專業(yè)，除了結(jié)構(gòu)工程專業(yè)要求多學時的基礎(chǔ)力學課程之外，其他專業(yè)只要求中等學時的力學課程。原來這些專業(yè)采用不同的教學大綱，分別進行教學，而按土木工程類大專業(yè)招生以后，給基礎(chǔ)力學的教學帶來了不可協(xié)調(diào)的困難。同樣，機械類專業(yè)中偏機類和偏電類的二級專業(yè)也存在類似問題。因此，基礎(chǔ)力學課程系列改革勢在必行。

（二）工程教育專業(yè)認證的普遍推行，對基礎(chǔ)力學課程教學目標提出新要求

以成果導向、學生為中心以及持續(xù)改進為核心理念的工程教育專業(yè)認證，是我國高等教育與國際接軌的重要途徑，也是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要抓手。各學校都非常重視工程教育專業(yè)認證的開展，在專業(yè)認證標準中，盡管明確規(guī)定具體課程由學校根據(jù)自身定位、培養(yǎng)目標和辦學特色自主設(shè)置，但是多數(shù)工科專業(yè)都把基礎(chǔ)力學列為工程基礎(chǔ)類的核心課程。要求課程以數(shù)學與自然科學為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學生應(yīng)用數(shù)學或數(shù)值方法，著重培養(yǎng)解決復(fù)雜問題的能力和解決實際工程問題的能力。這就要求基礎(chǔ)力學課程的教學目標要與專業(yè)或者行業(yè)特點相結(jié)合，符合行業(yè)對于人才知識結(jié)構(gòu)的一般與特殊要求，使得工科專業(yè)畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質(zhì)量標準要求。

（三）每一輪新培養(yǎng)方案對基礎(chǔ)課程的學時壓縮，使基礎(chǔ)力學課程教學不斷面臨新壓力

由于基礎(chǔ)力學課程教學內(nèi)容本身的豐富性和基礎(chǔ)性，使得學生學起來感到很困難。課程的學時與學業(yè)的矛盾本來就存在，甚至很嚴重。而進入新世紀以后，在強調(diào)素質(zhì)教育和寬口徑育人的大環(huán)境下，基礎(chǔ)力學課程成為每一次教學改革的壓縮對象，課程內(nèi)容多與課程學時少的矛盾愈加突出與嚴峻。面對現(xiàn)實壓力，從事基礎(chǔ)力學教學的教師要主動順應(yīng)新形勢，研究新問題，在教學改革中發(fā)揮主導作用，提高教學效率和教學質(zhì)量。

面對新形勢和新問題，必須將基礎(chǔ)力學課程的改革納入到整個高等教育改革的大系統(tǒng)中，納入到學校人才培養(yǎng)目標的大框架下，把握新局面，實現(xiàn)新轉(zhuǎn)變，主動適應(yīng)調(diào)整并推行改革，不斷提升課程教學質(zhì)量。

三、基礎(chǔ)力學課程系列綜合改革的頂層設(shè)計

基礎(chǔ)力學課程改革從未停止過，在教學內(nèi)容的更新、教學方法的改革等方面取得了豐富的成果[6-9]。多年的教育教學改革歷程啟示我們，課程改革一定是以問題為導向，通過改革超越問題，通過繼承和創(chuàng)新形成發(fā)展的新動力。成功的改革必定需要認真地進行頂層設(shè)計，將宏觀的目標與具體的舉措結(jié)合起來，將教學理念與課程體系建設(shè)結(jié)合起來，不僅要解決目前面臨的矛盾和困境，而且要面向未來的長遠發(fā)展，特別是要適應(yīng)即將拉開序幕的新工科教育改革。

（一）以促進學生全面發(fā)展為核心，以“三用”為導向的教學理念

課程教學的核心理念是以學生為本，將知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高和協(xié)調(diào)發(fā)展相融合，提升課程教學質(zhì)量。作為以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才為主的院校，還應(yīng)該以知識的實際應(yīng)用為課程教學的根本宗旨?；A(chǔ)力學課程教學改革中學習有效知識就成為要解決的根本問題，就是學生學習了知識以后，能夠有用、能用、會用?！坝杏谩辈粌H指所學知識能夠密切聯(lián)系實際工程與生活，而且也包含對學生綜合素質(zhì)和思維方式的訓練價值，以及后續(xù)學習和終生學習的知識傳承作用;“能用”是指符合現(xiàn)代社會和科學技術(shù)的發(fā)展階段，具有知識運用的條件和環(huán)境;“會用”是指學生對于知識深刻理解，并將知識運用于工程實際的能力?！叭谩睂虻慕虒W理念體現(xiàn)了課程教學目標、人才培養(yǎng)目標與成果導向的評價指標的一致性。

（二）“有核心無邊界”的放射型知識體系設(shè)計

基礎(chǔ)力學歷經(jīng)200多年的提煉和完美的數(shù)學表達，許多經(jīng)典內(nèi)容達到了潔如詩、美如畫的境界。但是我們還須靜下心來認真反思，基礎(chǔ)力學課程在高素質(zhì)人才培養(yǎng)的知識鏈和訓練鏈上占有什么位置？這些作用是否具有不可替代性？它的核心知識載體有哪些？通過對這些根本性問題的深入思考，進一步明確基礎(chǔ)力學的科學方法、知識傳遞作用、思維訓練價值和工程應(yīng)用意義，以及這些功能所對應(yīng)的核心知識載體。對于基礎(chǔ)力學課程，核心就是以平衡為主題的力的分析和以平面假設(shè)為基礎(chǔ)的變形分析，二者通過簡單的胡克定律相聯(lián)系。這是一條主線。如果把變形看作運動的一種特殊形式，那么，運動與力的聯(lián)系就是經(jīng)典的牛頓定律。這樣就形成以主對角線為核心的基礎(chǔ)力學知識矩陣，如圖1所示。這個以主線為核心的知識體系覆蓋了基礎(chǔ)力學的所有基本內(nèi)容，衍生了適合各個專業(yè)的不同規(guī)格的工程力學課程。

確定知識主線以后，將其他內(nèi)容分為不同的知識模塊，這些模塊包括：質(zhì)點與剛體運動學、質(zhì)點與剛體動力學、剛體虛位移原理、哈密頓原理及分析力學基礎(chǔ)、變形體能量原理、變形體疲勞及動態(tài)效應(yīng)和實驗應(yīng)力分析模塊等。為了滿足不同專業(yè)的特殊要求，可以有選擇地采用這些專業(yè)模塊。同時，我們允許任課教師根據(jù)自己的研究興趣和研究方向，向?qū)W生介紹體現(xiàn)自己教學特點和研究專長的特色內(nèi)容。例如，研究復(fù)合材料力學的老師，增加了各向異性、變形耦合的知識、從事計算力學研究的老師，增加了數(shù)值方法的計算結(jié)果對照，而研究材料疲勞斷裂的老師，則在材料的失效破壞方面強化了教學力度。因此，這個“有核心無邊界”的基礎(chǔ)力學知識體系有三個層次組成，即體現(xiàn)課程本質(zhì)的核心知識、滿足專業(yè)要求的選配模塊和體現(xiàn)教師特點的特色內(nèi)容組成。

（三）宏微觀貫通的課程結(jié)構(gòu)的建立

根據(jù)專業(yè)和任課教師的特點，將核心知識、選配模塊和特色內(nèi)容有機結(jié)合，形成主干一致但特色各異的基礎(chǔ)力學課程體系，如圖2所示。新課程體系的特點是強化經(jīng)典的靜力學平衡和桿件的基本變形（拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲及其它們的組合）等核心基礎(chǔ)知識，拓展在專業(yè)中應(yīng)用和實踐選配模塊的知識，完善和融入特色內(nèi)容。這個特點可以概括為：強化基礎(chǔ)，拓展新知;模塊組裝，接口靈活;核心一致，特色各異。目前，我校除了個別專業(yè)保留理論力學和材料力學兩門課程之外，大部分專業(yè)都按照新的設(shè)計，改為工程力學課程，根據(jù)專業(yè)不同，形成128學時、88學時、64學時等不同學時規(guī)格的課程新體系。

在實際教學中，我們充分發(fā)揮和尊重教師在課堂教學中的主導作用與改革實踐，鼓勵主講教師通過精心設(shè)計教學環(huán)節(jié)，凝練教學方法，精煉教學內(nèi)容等微觀改革，達到課程教學的宏觀目標。

四、基礎(chǔ)力學課程系列綜合改革的實施方法

為了有效實施新的基礎(chǔ)力學課程體系，并取得切實的教改效果，使微觀的教學改革與宏觀的頂層設(shè)計相一致，在主要教學環(huán)節(jié)實施了如下改革措施。

（一）運用啟發(fā)式教學，注重知識發(fā)生的過程

啟發(fā)式教學以啟發(fā)學生的思維為核心，從而調(diào)動學生的學習主動性和積極性。啟發(fā)式教學的關(guān)鍵在于設(shè)置問題情境，鼓勵學生大膽想象，啟發(fā)學生模擬當時知識發(fā)生的情形，并展開熱烈的討論，使學習理論知識的過程成為一個知識發(fā)現(xiàn)的過程。比如介紹一個知識點時，引導學生想象出知識發(fā)生、傳播和應(yīng)用的各種不同路徑和情境，通過交流討論，互相啟發(fā)、共同提高，從而明晰獲得基礎(chǔ)力學中的定理、公式及結(jié)論的過程，引發(fā)學生探究的樂趣，鼓勵學生創(chuàng)新性思維。

（二）探索面向?qū)嶋H、實踐和實驗的教學新方式，注重知識的內(nèi)涵與外延

以知識的應(yīng)用為導向，突出與實際工程的結(jié)合，突出力學的實踐和體驗，突出典型實驗的原理實現(xiàn)和普適作用。為提升學生的工程實踐能力，將工程項目與教學實驗相結(jié)合。在課程中將科研項目與實際工程問題分層次引入課程教學，給學有余力的同學有挖掘潛力和拓展能力的空間。在重視基礎(chǔ)型實驗的情況下，為學生開設(shè)多個綜合型、研究型實驗，包括實體模型的電測、光測、射線測試實驗以及虛擬模型的數(shù)值計算實驗等。所有實驗采取完全開放形式，學生可以在全天的任意時間內(nèi)進行實驗。采用面向?qū)嶋H、實踐和實驗的教學方式，既鍛煉了學生的動手能力，又增強了科學思維能力和綜合創(chuàng)新能力。

（三）改革考核考試方式，增強課程評價的有效性

課程評價是改革課堂教學，促進學生全面發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。目前，我們實施了三種考核考試方式對學生進行綜合評價。一是加大平時成績的權(quán)重，鼓勵學生通過學習研究寫出創(chuàng)新性的實驗報告和課程論文，并計入平時成績。二是理論考試增加綜合能力題，要求學生自己選擇設(shè)計實際問題，自己建立力學模型、求解，并自行證明其結(jié)論的正確性。三是實驗考試對學生進行操作過程的考核，考察學生在儀器和軟件使用、基本操作和把握實驗的能力。所有的實驗考試，如果學生對自己成績不滿意，在時間允許的情況下，可以重新進行實驗，重新提交材料，進行考試。通過考核考試方式的改革，增強了對學生的全過程管理和全方位評價，為學生提供了一個展示自我、鍛煉自我和發(fā)展自我的機會，提升了學生的綜合能力。

（四）將現(xiàn)代教育技術(shù)與傳統(tǒng)教學手段有機結(jié)合，實現(xiàn)課堂教學和實驗教學及其課程管理相統(tǒng)一

現(xiàn)代教育技術(shù)對激發(fā)學生的學習興趣，幫助學生透徹地理解教師講授的新知，“省時高效”的達到教學目標，有著明顯的優(yōu)勢。特別是在當前的“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，如何將有效的教學與新媒體技術(shù)手段相結(jié)合，充分激發(fā)學生的學習興趣，提高教學效率，是當前教學改革的熱點之一?；A(chǔ)力學課程電子多媒體課件實現(xiàn)了聲、光、動畫等視覺效果的完美統(tǒng)一;開發(fā)的基礎(chǔ)力學網(wǎng)絡(luò)智能答疑系統(tǒng)、網(wǎng)上作業(yè)提交批改系統(tǒng)、網(wǎng)上師生互動平臺，為學生提供了多種學習途徑和交流渠道;基礎(chǔ)力學實驗中心電子化實驗指導書和管理系統(tǒng)，可方便地為學生提供有效的學習指導。此外，微信公眾號、微信打賞評價系統(tǒng)的開發(fā)對于改善學生學習的參與度和學習熱情提供了有效途徑。

五、基礎(chǔ)力學課程系列綜合改革的保障措施

為了保證系列改革的順利實施，增強教學改革效果，需要抓好兩個關(guān)鍵因素：一是高水平教師隊伍的建設(shè)，二是教學基礎(chǔ)工程的建設(shè)。下面結(jié)合我校教學改革情況做一簡單介紹。

（一）充分發(fā)揮教師在教學改革中的主導作用，構(gòu)建教、學、研一體的高質(zhì)量教學體系

教師隊伍的先進理念、突出的科研教學能力和銳意進取的創(chuàng)新精神，是保障教學改革順利進行并取得成功的關(guān)鍵和原發(fā)動力。近年來，我們依托國家基礎(chǔ)力學教學與實驗教學團隊的建設(shè)，加強了教師隊伍的建設(shè)，通過大力引進新教師，聘請國家教學名師對青年教師進行一對一傳幫帶等舉措，使青年教師在具有較高學術(shù)水平的基礎(chǔ)上，迅速掌握先進的教學理念和教學技巧。制定了定期和不定期的教學研究交流制度，鼓勵教師探索教學改革，撰寫教學研究論文。定期開展教學研討，在制定教學方案、引入新的知識點和工程案例時，大家共同準備、一起切磋，促進了課程教學質(zhì)量的提高和教師教學能力的提升。采用走出去、請進來的方式，加強對外學術(shù)交流，營造良好的學術(shù)研究氛圍。邀請國內(nèi)外著名科學家、教育家來學校講學和指導工作，同時積極選派教師到國內(nèi)外大學參觀訪問或進修學習，學習和觀摩國內(nèi)外著名大學的教學、科研動態(tài)等等。一支治學嚴謹、要求嚴格，注重教學質(zhì)量、教學與科研有機結(jié)合、層次合理的教學隊伍是教學改革質(zhì)量保障的關(guān)鍵。

（二）加強教學基礎(chǔ)條件建設(shè)，建設(shè)一流的軟硬件環(huán)境

隨著國家“十三五”規(guī)劃和“雙一流”戰(zhàn)略的推進，課程教學的軟硬件條件建設(shè)如鳥之兩翼，車之雙輪，相輔相成，缺一不可。教材和其他教學資料的基礎(chǔ)建設(shè)不容忽視。目前，形成了教材、課件、實驗指導書、習題解答和其他輔助材料等完善的課程系列的教學基礎(chǔ)條件[10-14]。

“互聯(lián)網(wǎng)+”條件下的基礎(chǔ)力學網(wǎng)站建設(shè)隨著時代發(fā)展不斷更新?lián)Q代，學生可以在網(wǎng)站上了解豐富的力學知識、瀏覽教師的教學科研工作、進行問題討論和學習交流，目前成為學生學習本課程的重要園地。此外，充足的實驗設(shè)備、先進的計算機仿真軟件、開放的實驗場地、豐富經(jīng)驗的實驗教輔人員，也為學生主動學習和探索提供了寬松自由的學術(shù)交流環(huán)境。當然，基礎(chǔ)課程的軟硬件環(huán)境是需要社會、學校、教師和學生共同參與共同努力建設(shè)的，并需要不斷去完善，去發(fā)展。

六、結(jié)束語

經(jīng)過一系列的改革舉措，形成了與學校人才培養(yǎng)定位相一致的基礎(chǔ)力學教學體系和課程結(jié)構(gòu)，取得了明顯的教學效果。在校內(nèi)專家和學生評價中，基礎(chǔ)力學課程始終名列前茅，學生在全國性力學大賽、結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽和機械設(shè)計大賽中取得優(yōu)異成績，課程教師多次在全國和北京市教學技能比賽中獲得佳績。在專業(yè)評估和專業(yè)認證中，基礎(chǔ)力學課程的教學理念、教改措施和教學效果得到專家們的一致認可與好評。

基礎(chǔ)力學課程作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，不僅可以培養(yǎng)訓練學生的綜合研究與工程素質(zhì)、邏輯思維與抽象簡化能力，還能增強學生的工程實踐能力，在現(xiàn)代科學技術(shù)和工科教育中占有重要地位。本文闡述了基礎(chǔ)力學課程系列的改革設(shè)計，介紹了實施方法、保障措施與教學成果，教學改革經(jīng)驗對于面向新工科改革中的專業(yè)基礎(chǔ)類課程建設(shè)具有一定的借鑒意義和參考價值。但是，基礎(chǔ)力學課程建設(shè)是一項長期的系統(tǒng)工程，需要精益求精，不斷繼承、突破、創(chuàng)新，仍須以提高教學質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量為中心，在高等教育改革的大背景下和人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)的大框架下不斷進行探索和實踐。

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