以職業能力為導向的工程力學課程教改嘗試

姜寶石　張宏斌　張楊

摘要：工程力學是土木工程學科的專業基礎課，通過教學方式的創新來改善教學效果，對增強學生職業能力具有重要意義。文章介紹了在教學改革中進行的六個方面嘗試：引導學生樹立正確的職業道德觀與人生觀，增強與工程實踐的關聯性，增加開放式大作業以改進成績考核體系，建立與后續課程內容的聯系，增強實驗的多樣性，以及鼓勵學生參加力學競賽等。實踐結果表明這些措施受到了學生的歡迎和認可，能有效加強和提高學生的職業能力。

關鍵詞：教學改革；工程力學；職業能力；職業道德

中圖分類號：G6420 文獻標志碼：A 文章編號：10052909（2015）05004705

為提高工程教育人才培養質量，教育部于2010年啟動了“卓越工程師教育培養計劃”，很多高校以此為契機，探索行之有效的教育教學方法，以適應新時期大學生的特點以及國家建設的需要[1-2]。基于此，我們以工程力學課程為平臺，開展了以職業能力為導向的教學改革。土木工程師的職業能力除了專業素質外，組織管理、人際交往、溝通表達、團隊合作、自主學習、計算機軟件操作、分析和解決問題等綜合能力也不可或缺，職業道德素質也格外重要。因此，教學需要以職業能力為導向，提高學生的競爭力，打好專業基礎。結合工程力學課程教學，采取全方位探索的改革思路，多角度促進學生各方面職業能力的提高。

一、價值觀教育

“師者，所以傳道受業解惑也。”目前在大學教育中，教師的作用更多的是關注專業知識的傳授，而與職業相關的職業道德、職業成長和職業規劃等內容卻很少涉及。

大學生普遍缺少這方面的知識，他們對專業基礎知識與其未來工作生活的關系，未來職業發展等都沒有一個清晰的系統認知。因此，

他們對工程力學這類專業基礎課毫無興趣，學習不積極認真，最后導致力學基礎不扎實。在授課過程中要以專業知識為出發點，利用與實際緊密結合的實例觸動學生，列舉力學名家及工程名師的經歷教育學生，逐步讓學生了解土木工程職業發展的常規過程，以及在設計和施工單位中作為技術人員所需要側重掌握的知識

體系，并深刻理解工程力學在專業知識體系中的核心地位。教學中巧妙地將力學理論與工程實際結合，使學生反思并了解作為土木工程師的能力與責任，懂得只有具有扎實的力學功底與專業知識技能，才能設計出合格的建筑作品，避免在設計和施工中發生最基本的常識性錯誤（如混凝土陽臺鋼筋布置應在上部，而不是下部）而造成不必要的經濟損失和人員傷亡。

二、開拓學生視野，加強與工程實踐關聯點的介紹

工程力學知識源自于工程實踐，在課程講授的過程中，強調知識最初的來源，即知識的邏輯起點，是人們在長期生產實踐中為解決實際問題而總結出來的客觀規律。課堂學習的缺點是脫離生產實踐，學生往往不清楚現在學的知識在將來工作中的作用。以工程實例說明知

識被運用后的力量和價值所在，可以喚醒學生的學習熱情。與此同時，授課時介紹相關理論提出時的工程背景，如魁北克大橋坍塌之謎與壓桿穩定之間的關系，以及相關理論提出者，如達朗貝爾、圣維南等的簡介等內容，能直接引發學生思考并從這些科學家的人生經歷中受益，了解科學探索的過程，培養其有理有據的科學思維習慣，體會到學有所用和學有所為，有力地激發其學習興趣。

以具體工程實例，強調工程力學在工程設計和施工中的運用方式及重要作用。以梁為例（圖1），在完成等直截面梁的應力分析與強度條件學習之后，擴展梁的合理設計內容，從材料利用率角度對承受豎向均布荷載的結構效率進行改進[3-5]。主要方式有以下幾種：

（1）比較不同截面形狀的彎曲截面系數Wz與其截面面積A的比值，設計Wz/A值較大的截面形式，典型的截面是工字梁。

（2）從梁的長度方向進一步改進，形成蜂窩梁。

（3）將蜂窩梁的形式進一步改進，形成平行弦桁架結構。

（4）根據梁的彎矩圖改變平行弦桁架的外形為拋物線形桁架。

通過這一系列的梁式結構改進，讓學生拓展創新思路，創造性地應用所學知識，并輔以工程應用圖片增強對其經濟價值的體會，感受知識運用所帶來的技術進步與力量，從而重視力學知識的學習。講授時以頭腦風暴的形式進行提問，激發和培養學生勤于思考的興趣和習慣。

三、適當調整考核內容，增加課外自主學習分數

考核手段一直是影響學生學習動力和學習方法的重要因素。學生成績的構成一般分為平時成績和期末成績，期末成績以考卷得分為評價指標，而平時成績以出席、作業及實驗情況為主。沒有學習興趣的學生為了得到平時成績，往往是人到心不到，而且大多抄襲作業。這種現象出現的原因主要是學生學習態度不端正，沒有興趣，也和被動的學習方式有關。基于此，我們提出平時考核增加工程力學大作業的方式，來激發學生的學習主動性，重新劃分了成績的組成，適當降低了期末成績比例，增加平時成績比重

。增設的工程力學大作業，以開放題目的形式發給學生，學生需要動手查找資料才能解決問題。解決問題時要形成書面報告，并為全班學生做PPT現場展示報告。通過實踐，學生反映良好，在完成作業的過程中，既提升了使用Office辦公軟件系統的技巧，又增強了他們的表達能力；既增強了他們獨立解決問題的能力，又擴展了知識面，不再只局限于學習課本的內容，開拓了學生的視野。

大作業題目的選擇形式為自由選題或選擇指定題目，各組題目有所不同，難度相近。選題內容要與工程力學課程大綱相關，其范圍涉及具有工程背景或生活實踐的問題，也可以是對經典理論的探討。下面以煙囪傾倒的簡化力學分析為例說明開放式作業的特點。

題目內容：定向爆破拆除高聳煙囪時，其傾倒過程是個較復雜的力學過程，而在傾倒過程中，往往會發現煙囪向上折斷的現象。試建立簡化的力學模型對此現象進行分析，找出可能發生斷裂的位置，指出簡化模型時所考慮的假設條件，比較采用等直圓桿和變截面圓桿兩種模型的區別。

學生采用分組形式，6人一組。組長由內部選舉產生，并負責召集、組織和記錄小組活動。組名要求個性化，提升團隊凝聚力與歸屬感。學生進行作業活動的流程是：確定題目→查閱文獻資料→確定解題思路→小組答疑→公式推導與理論分析→撰寫書面報告→課堂PPT成果展示。

要解決這樣的問題，首先要對問題進行物理過程分析，并將其簡化為常見的力學模型，運用達朗貝爾原理求出外力和內力，進而再利用材料力學彎曲應力和強度條件概念求出最大應力位置，從而確定煙囪折斷點的位置。在這個過程中，學生通過查閱文獻可以擴展知識面，再通過自己的思考與大家的討論獲得分析問題思路，學生在遇到難點時教師再給予指導，鍛煉學生分析解決實際問題的能力。通過撰寫書面報告與制作PPT，鍛煉學生對Office辦公軟件系統的使用技能，通過課堂隨機抽取進行成果展示（圖3），鍛煉學生的表達能力。

PPT展示成績由教師與各組組長共同評定，教師占60%，組長占40%，評分結果顯示教師評分與組長評分平均相對偏差2.98%，最大7.59%，學生評分基本與教師評分結果一致，做到了客觀公正。

學生對開放式作業的評價主要有以下幾個方面：知識得到了豐富和加深，增進了相互了解和交流，認識到分工合作的重要性，增強了解決問題的信心，掌握了使用Office辦公軟件系統的基本技能。

在教學實踐中也發現這種模式存在的一些問題與難點：題目選擇缺乏自主性，備選題庫建設具有長期性，題目設置需要具有漸進層次，個別學生以逸待勞，使用Office、MATLAB、Maple、Mathematica等軟件的能力弱，言表達能力欠缺等。

相信通過不斷地克服缺點進行改進，一定會取得更好的教學效果。

四、課堂演示實驗與動手實驗并重，理論聯系實踐

力學實驗是學習力學必不可少的內容，演示實驗是幫助學生理解力學理論的最直觀方式，可有效增強學生的感性認識。動手實驗使學生理論聯系實際，激發學習興趣，增強學生運用理論解決實際問題的能力。依托學校的力學實驗教學中心，在教學中我們設置了多個演示實驗：低碳鋼拉伸實驗[4]，梁的截面形式對梁剛度的影響[3]，壓桿失穩[4]，動、靜滑動摩擦因數的測試[6]，牛頓碰撞球演示動量定理[6]等。動手實驗主要設置了不規則形狀物體的重心測量[6]，沖擊荷載的測量[6]，動、靜滑動摩擦因數的測試[6]，固有頻率的測定與受迫振動[6]，低碳鋼拉伸實驗[4]等。

五、聯系后續課程內容，形成學科知識體系

教學中注意強調工程力學各部分知識在后續課程中的作用，并以具體例題的方式展示給學生，使學生感受到所學理論知識的直接用途和重要意義。理論力學的靜力學是材料力學截面法分析受力的基礎，而材料力學主要以單根桿件為研究對象，其基本受力狀態的力學性質是結構力學研究多桿件系統受力分析的基礎。材料力學中應力、變形、強度條件及剛度條件可在鋼結構設計時直接應用。在材料力學中彎曲問題的進一步研究中，兩種不同材料的梁的性能研究，以及組合變形中截面核心的概念、以及受力平衡分析都在混凝土結構設計原理中得到應用，還有結構試驗課中應變應力的測量原理離不開描述應力狀態的應力圓與胡克定律[4]。材料力學中基本受力狀態在結構概念體系設計中應用較多，是結構概念的基礎[3，5，7]。工程力學與土木工程本科專業課的關系具體參見圖4。

六、鼓勵學生參與競賽

力學素質的培養，除了工程力學課堂上的內容，以及通過學生在后續課程的學習加強理解外，還可以通過參加周培源力學競賽和大學生結構設計競賽等活動，進一步促進學生的學習能力、毅力培養、團隊協作、動手能力、理論與實踐結合能力、解決問題和創新的能力。

周培源力學競賽是教育部高教司主辦的大學生科技競賽之一，目前已發展到全國160多所高校參賽。參加該賽事對提高學生的力學素質有很大促進作用。學校安排教師對歷年試題進行剖析，組織學生進行集中輔導。輔導中強調理論聯系實際生產生活，激發學生發現并理解相關生產工具的力學原理，通過一系列生產工具的力學原理分析，激發學生對力學應用的識別與應用能力。

全國大學生結構設計競賽為教育部確定的全國九大大學生學科競賽之一，是土木工程學科培養大學生創新精神、團隊意識和實踐能力的最高水平的學科性競賽，影響力日益擴大。近年來該賽事使用的材料普遍為竹皮，通過膠水粘結來制作結構構件。在對學生進行培訓時，通過基本材料力學概念的擴展，使力學概念與結構設計相結合，使學生理解受力狀態和材料利用效率的關系，軸力承受荷載效率最高，理解梁的截面形式與受力效果，梁的材料重新分布形成桁架等力學概念。為了提高結構效率，結構材料布置需要盡量沿周邊對稱布置，結構中受拉部分盡可能以質量輕的受拉柔性材料制作，去掉結構中不必要的部分，以減少結構自重，結構的節點及支座連接要強，以滿足結構構件計算模型中關于剛性支座的簡化假定，以及結構構件的整體性要求。而對于動荷載的賽題，理論力學中機械振動基礎的內容顯得更加重要。

七、結語

文章通過多種措施來提高學生對工程力學的學習興趣，教學效果與學生反饋表明，所做的努力得到了學生的認可，學生學習的積極性有所提高，及格率增加。專業能力與職業素質密切相關，是職業能力的核心內容之一。人總在追求意義，通過各種措施告訴學生工程力學知識與專業能力的關聯點，從具體的知識點上理解知識的價值在于運用，是此次教改嘗試的核心思想。

參考文獻：

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