三本院校力學教學改革思考

楊立斌

摘要：力學教學在工程教育中占有舉足輕重的地位，工程師的力學素養對于他的事業有重要影響。本文首先敘述了當前力學本科教育，尤其是三本院校中所面臨的挑戰，然后指出力學教學改革的目標應當以力學知識的學習和提高學生解決實際工程問題的能力培養為目的。最后，本文從教材建設、教學方式轉變、計算力學成果引入、教學實驗、教師素質提高等方面闡述一些提升力學教學果效的思路。

關鍵詞：力學教育；教學改革；力學素養；能力培養

一、引言

在工程類學科中，力學在工科的知識結構中占有舉足輕重的地位。在普通高等學校力學基礎課程教學情況調研報告中記錄比較了國內外大學力學基礎課程在幾個典型專業所占的比例。以機械、土木、航空等專業為例，國外的知名大學相關的力學類課程設置占到專業總學分的10%以上，而我國的相應專業的基礎課程所占比例通常都達不到10%，有的專業甚至不到5%。可以說，國內相關專業的力學基礎課程設置的比重是低于國外相關專業的。如何在教學時數較少的情況下提高教學質量，提升學生學習力學學科的興趣及實際解決問題的能力，是工科院校力學教學改革的重點，也是培養面向未來，有創新能力的工程技術人員，提升我國制造業整體水平的重要因素。而學時少與提高教學質量的矛盾，對于基礎知識相對較為薄弱的三本院校、高職院校來說，就更為突出。

二、當前力學教學的挑戰

近些年，由于高校的辦學規模迅速擴大，高等教育的教學質量也成為社會關注的問題。力學教育因其重要性在教學改革中有獨特的地位。21世紀，“力學+計算機”將成為工程設計的主要手段。力學教學從傳統上說，主要是教師課堂講授知識，學生聽課做筆記，而教師主要靠布置課后作業、課后答疑等方式來加強教學效果。長遠來看，這種教學方式仍然會在力學教育中占據主要地位。但由于高校的辦學條件以及學生的學習環境、心態以前有明顯不一樣，這也使得提高力學學科的教學質量面臨一些實際的困難，現歸納一下，大體有如下幾點。

1.學生的要求與傳統力學教育模式的沖突。傳統力學教學重點關注的是學科體系的完整性、邏輯的嚴密性、結構的嚴謹性等，這就不可避免地在教學中較多地進行力學理論知識的傳授。但理論知識比較抽象，學生學習相對困難，尤其某些力學學科需要用到一些微積分的知識，這些對于基礎較弱的三本、高職院校的學生來說，難度偏大。另一方面，過多地講授理論知識，力學的實踐環節較為薄弱，學生缺少對工程問題的真實體驗，難以培養起運用力學知識解決實際工程問題的能力。長此以往，學生就會認為力學不過是些枯燥的公式推導，從而失去學習力學的興趣。例如，筆者在講授“流體”力學時，就有學生提出，能否不講公式推導，只講相關力學知識的應用。這個建議雖然難以全盤實施，但對于講授力學的教師來說，未嘗不是一個值得注意的教學側重點。

2.力學教學方法。傳統的力學教學方法以教師講授為主，學生被灌輸力學的理論知識，而力學教材往往也是采用簡化的力學理論模型，但對于為何采用簡化模型？如何簡化？簡化后的意義等等問題，較少敘述。這使得學生在學習時，缺少研究式、啟發式的學習氣氛，所學到的是有關的力學知識，但解決問題的思路卻常常沒有學會，難以把所學的力學知識與隨后要學習的專業問題聯系起來，使得力學的學習與專業知識學習出現脫節。

3.教學實驗條件。這些年高校擴招，由于經費有限，加上重視不夠，使得力學實驗室的建設速度嚴重落后于學生的擴招速度。工科的力學實驗內容被大幅縮減，實驗條件嚴重不足。現有的力學課程也以輔助教學為主，主要是驗證有關的力學理論，缺少工程性與設計性的實驗內容。學生在實驗課時主要是旁觀，缺少實際操作的機會，因而興趣有限，使得力學實驗設置的目的很難達到。因為學校擴招，使得師生比例低，力學課通常采用大班授課方式，雖然能夠滿足教學要求，但師生的交流的機會減少。教師也很難對單獨每個學生的學習狀況進行跟蹤和指導。

4.學生的考評方式。長期以來，力學教育的考評主要是靠期末的考試來測試學生的實際水平。考試以筆試為主，考試內容通常是上課所講述的力學知識以及相應的力學解題過程。學生為了應付考試，就需要花費大量的時間來記憶力學公式和教學筆記。客觀上，這種方式可以促進學生對力學理論知識的掌握，但是否有利于培養學生解決工程實際問題的能力，就無法肯定了。

三、力學教學改革的目的

力學教育改革常常被談論，但改革的目標是什么？這是需要首先明確的問題，顯然我們不能為改革而改革。但對于力學改革而言，應當是力學知識與運用力學知識解決實際工程問題能力的培養并重的。力學知識的學習是基礎，實際解決問題的能力的培養是目標，兩者不應偏廢。理想的力學教育模式中應當是知識學習與能力培養并重，以達到互相促進的目的。目前的教育模式過多關注知識的傳遞，對于能力的培養較少顧及。以筆者在英國學習研究的體會，也感受到這種解決實際問題能力的缺乏，在經歷了一些西式的訓練和學習后，這種能力才逐步建立起來。

目前在三本院校中有一些悲觀情緒，認為能夠在三本院校中能夠成功地把力學知識講清楚，讓學生掌握就算不錯了，至于能力的培養，就不要奢求了。誠然，有一個扎實的力學知識基礎，對于能力的培養是很有利的，但解決實際問題的能力，并不要求相關的技術人員有全備的知識體系。以英國的大學本科教育為例，一般只有三年，所學的力學科目、學時數都會少于我國的本科學生。筆者在英國求學期間也發現，通常英國的本科學生的力學知識并不算多，但英國培養的工程師的質量在國際上還是得到公認的。英國的教育表明，在較少的學時的情況下培養出一批高素質的、有解決實際問題能力的工程師是完全有可能的，而如何把能力培養的方針貫穿到整個教學過程中去是相當重要的。

四、力學教育的幾點思考

如何在力學教育中加強能力的培養，如何在三本、高職院校中培養出一批有創新能力的合格工程師，可以考慮從以下幾方面努力。

1.教材的建設。一本好的力學教材對于保證好的教學質量是很重要的。目前國內的力學教材已經出版了不少，但適用于應用型人才培養的優秀教材并不多見。衡量一本教材的好壞不應該以其包含力學知識的多少來衡量，而主要以是否把問題講明白、講透徹，通俗易懂，深入淺出為原則。筆者在英國求學期間，接觸到西方的一些經典教材，這些教材對于那些學生不太容易明白，或者容易搞混的地方，常常花費很多筆墨，盡量講得清楚明白。雖然是英文教材，也讓人很有收獲。讀者有一種感受：這些國外經典教材的作者似乎生怕讀者不能搞懂，總是盡量把問題說清楚。這種出書的態度是讓人敬佩的，也是值得國內出書人學習的。

2.教學方式的轉變。一名力學教師如果單純采用“填鴨式”的教學，恐怕是難以讓學生滿意，也難以有好的教學效果。在力學教育中，力學建模的能力的培養是極重要的，這就需要教師在教學過程中有意識地加強學生在這方面的訓練。一方面可以盡量采用高質量的教學課件，以強化學生從抽象模型聯系具體模型，以及從具體模型到抽象模型的抽象化思維的訓練。另一方面，教師在講課時可考慮多采用“提問+對話”及“問題+討論”等啟發式的教學方法加強課堂上的互動，活躍課堂氣氛，提高學生的興趣。

3.引入計算力學成果。二十一世紀的工程設計的主要模式就是“力學+計算機”。在力學教學的過程中，適當引入一些計算力學的教學成果是完全必要的。目前在力學教學中，比如工程力學、材料力學等課程，力學模型的建立、應力和變形分析都是采用手工方式，所采用的分析方法一般是理論解析法。這些分析模型通常有一定的簡化，而實際的工程問題所研究的幾何對象，所受載荷和約束條件通常都較復雜，難于用理論分析的方法求解。這樣，學生在面對實際工程問題時難以下手，會有力學學習與實際應用脫節的感覺。而借助計算機，力學上的一些概念，如應力、應變、位移等可以借助數值、曲線和圖像進行直觀地表達出來，而且借助于有限元分析，一些較為復雜的工程問題也可以求解，所得的結果直觀、明白，可以有效地幫助學生理解力學上的基本概念，鞏固所學知識。而且可以提高學生興趣，增強學生解決實際工程問題的能力。

對于計算力學方面的教育與訓練，某些人可能認為計算力學的有關知識要求較高，并不適合在本科階段學習。誠然，計算力學的某些方面的知識，如有限元的數學原理、數值分析等對學生的數學基礎有一定的要求，但掌握一兩種數值模擬軟件并不需要高深的數學、力學知識。英國的機械工程專業的本科只有三年學制，有限元及模型建立方面的實用知識卻學得不少。而據著名的金屬成形分析軟件Deform的創始人吳慰祖先生（W.T.Wu）介紹，美國很多Deform軟件的使用人員都是高中畢業生。由此可見，某些工程分析軟件的使用門檻其實是不高的，若能加以選擇、使用，對促進力學教學改革是大有益處的。目前計算機技術發展很快，在普通的個人電腦上運行有限元程序已經很普遍。因此，選擇一兩種合適的軟件平臺，在本科學生當中開展有限元等數值分析建模技術的課程與培訓是完全可行的。

4.力學實驗的改革。力學實驗目前是以驗證性的實驗為主，學生對此興趣有限。教師可以考慮增加設計性實驗、綜合性實驗來滿足不同學習程度的學生要求。尤其可以鼓勵學生學習使用有限元、有限體積分析軟件，對有關實驗內容進行幾何建模，確定邊界條件并分析計算結果。這在某種程度上以數值模擬實驗代替實際的實驗操作，可以避免學生在實驗時以看為主，并可加深對所學知識的理解。總之，計算機建模與力學知識的結合是一個發展方向，各個院校在進行工程實驗室建設時，應當大力創造條件，為學生營造良好的軟、硬件環境。

對學有余力，希望進一步深造的學生，應在本科學生中實行導師制，鼓勵學生早進實驗室，參與教師以及企業課題的研發工作。

5.教師素質的提高。一名任課教師本身的素養對他的教學效果是有重要的影響。教師的素質至少包含兩方面的內容：一方面教師需要有對工作、學生高度的責任感，對學生有愛心和耐心，力求誨人不倦，愛人如己。另一方面教師也需要提高自身的力學素養，積極參加相關的科研和進修項目，加深對力學知識及概念的理解，提高解決工程實際問題的能力。

五、結束語

力學教育的重要性對于培養工程人才是毋庸置疑的。如何提升力學教育的質量，培養滿足未來社會發展要求，能肩挑重擔的工程師，單靠教師和學校的努力是不夠的，需要整個社會的努力，營造一種積極、上進、正面的文化，以利于人才的培養。

參考文獻：

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2.崔玉紅、亢一瀾、羅紀生，《科學素質和人文素質教育的發展對力學專業課的影響》《天津大學學報》（社會科學版），2002，（4）

3.曲艷東、郭鵬飛、賈艷東等，《工程類專業力學教育與工程師培養》，中國電力教育，2011，（8）

4.單輝祖、謝傳鋒，《工程力學（靜力學與材料力學）總序》，高等教育出版社，2004

【責編 張景賢】