基礎力學課程教學改革淺析

戴隆超++龔俊杰

摘 要：文章從基礎力學課程的特點與現狀出發，結合“材料力學”等課程的教學、競賽輔導、研討交流等活動的體會，論述了教學改革的必要性與迫切性，闡述了基礎力學課程教學改革的理念、方法、內容和措施。

關鍵詞：基礎力學；教學改革；材料力學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2017）08-0003-03

以“理論力學”、“材料力學”、“工程力學”為代表的基礎力學課程是工科中機械、土木、車輛等許多專業的重要專業基礎課，是進一步學習相關課程的前提和基礎[1]。力學知識的重要性不僅體現在這些課程的學習中，也在其他專業課程和教學環節（如本科畢業設計）中體現。以“材料力學”為例[2]，經過該課程的學習，學生將樹立起受力與變形、破壞與安全等重要觀念，加深了對工程現象進行力學抽象與建模，進而開展結構的受力、變形和破壞分析，從而最終解決工程問題的認識，了解了發現問題、分析問題和解決問題的過程與方法，由此培養了創新精神與創造能力。所以基礎力學課程對于學生積累知識、培養能力和鍛煉思維，對于教師的研究型教學與學生的研究型學習的相互促進，對于高校的知識教育到素質教育的轉變都會起到非常重要的作用。

伴隨著經濟的持續高速發展，工程領域航空、航天、機械、動力、土木、水利等行業對于本科生的要求發生了巨大轉變。對于一般的工業企業來說，大量的結構強度計算分析工作都可通過Nastran、Ansys等有限元軟件來完成，設計分析也可以借助相關設計手冊來進行，似乎所需要的工程師人數相對較少，對其力學知識和相關能力的要求有所降低。但是，我國的產業結構正處于向自主創新的攀升過程中，更需要的不是僅僅能因循守舊、照搬設計規范來完成結構或產品設計的工程人員，而是能夠清晰地理解舊有規范背后的科學依據，準確地把握產品的當前需求以及由此帶來的技術挑戰，在此基礎上進行改進，甚至全新設計的技術人才。因此，對于絕大多數具有實力的大中型企業而言，反而是力學基礎好，概念清晰，發現問題、分析問題和解決問題的能力強，具有創新能力的本科畢業生更加受歡迎。所以，考慮到工程實際需要的差異性和多層次性，開展基礎力學課程的教學改革十分必要[3]。

一、基礎力學課程教學的特點與現狀

現階段的基礎力學課程教學出現的問題，從大的層面來看，主要表現在以下幾個方面。

（一）教學內容多與實際學時少之間的矛盾

近年來，為了拓寬學生的知識結構，擴大專業的就業面，高校不斷進行了專業調整與改革，專業課的課時普遍被大幅度壓縮。而各力學課程都是一個完整的知識體系，有其自身特點和規律，難以相應地進行大幅度削減。這就提出了如何在被大幅度壓縮的學時內，高質量完成相關教學內容的問題。

（二）力學知識體系要求較高與學校生源素質急劇下降之間的矛盾

基礎力學課程從基本概念的提出到理論體系的建立，其建模與分析的思路極為嚴謹，假設與抽象十分合理，具有堅實的現實依據和理論意義；研究方法非常嚴密，通常需要大量地運用數理方程等相關學科知識。但是，目前各本科院校的連續擴招，學校生源素質急劇下降，學生基礎知識差，在實踐中認識和提出問題、應用力學知識分析和解決問題的能力明顯不足。就“材料力學”而言，公式推導過程比較煩瑣，而且必須要以實驗課相輔助。學生普遍反映“材料力學”課程較難掌握，容易產生畏懼心理，考核結果也往往令人擔憂。

（三）實踐環節需要資源較多與高校資源相對緊張之間的矛盾

基礎力學課程是理論性和應用性都極強的課程。以“材料力學”為例，它主要分析各種工程結構和材料受力之后的變形情況，需要學生對工程實踐有一定的感性認識，能夠將理論分析與工程實際聯系起來。這就需要讓每個學生都能動手實踐，開展從材料的各種力學性能測試，到構件的拉、彎、扭、及組合變形，到靜動態力學性能分析等等多個相關實驗，進行較為充分的相關力學實驗的實驗設計、試件設計、過程操作、結果分析、數據整理、報告撰寫的練習。然而由于力學實驗設備普遍相對較貴，占用空間較大，往往都是若干學生以小組為單位，嚴格按照相關實驗過程，完成兩三個簡單實驗。充分達成課程目標所需資源與高校現有資源之間形成了較大反差。

以上矛盾都是目前客觀存在的現實，需要院校、教師、學生等管理部門、教、學各方面共同努力，確立教改觀念，理順發展思路，推出合理舉措，不斷解決問題。

二、基礎力學課程教學現存問題分析

具體到基礎力學課程的教與學來說，長期以來，基礎力學課程的教學模式仍采用傳統的模式，關注學科知識的傳授。形式上是課堂上教師滿堂講，學生埋頭記；課后學生完成作業，教師批閱；最后學生參加考試，完成課程考核。從實際教學情況來看，這種模式不僅其過程中存在許多弊端，而且該模式本身已不能滿足社會需求。這樣不利于學生對知識的全面掌握，難以衡量學生的真正水平，不能很好地培養和鍛煉學生對知識的運用能力和實踐動手能力，還容易出現作弊等違紀現象，同時不利于教師教學水平的提高，沒有充分發揮各種考核手段的導向和反饋作用。所以傳統教學模式必須改變[4-5]。

教學過程主要包括教師與學生，涉及課堂教學、實踐、與考核等環節。目前主要存在以下問題。

（一）課堂教學環節

學生通過基礎力學課程的學習，熟悉相關知識體系和內容，建立相應基本概念，了解本學科的特點，樹立采用定量分析方法解決工程實際問題的觀念，培養創新意識。這些都無法脫離課堂教學環節。課堂教學是課程學習的核心環節。目前仍存在以下幾個問題。

在教學內容方面，由于學時太少，教師往往拘泥于其系統性，不能給學生留出足夠的自由時間和思維空間，忽視了學生的創新能力和想象力的培養。在教學手段方面，普遍大量使用PPT課件，基本都是以教師滿堂灌似的講授為主。盡管表面上較為流暢，但留給學生思考的時間相對不足，會導致教與學之間缺少充分互動。在教學方法方面，由于高校教師，尤其是青年教師承擔了大量的教學、科研任務，因此會忽視對教學方法的研究。

（二）實踐教學環節

基礎力學課程是應用性非常強的課程。它通過對工程實際、生活實際的各物體、構件的分析，得到其運動、變形的知識和觀點，并與實際情況相比較，進而加以修正，從而形成普遍規律，用于指導實踐。其建立過程、認識過程與應用過程都和實踐密不可分。課程學習的最終和最重要的目標就是能熟練自如地運用相關知識，解決實際問題。因此，實踐是課程學習不可缺少的重要環節。

目前，基礎力學課程實踐環節方式較為單一，就大部分院校而言，主要是實驗；內容較為貧乏，一般都只是開展幾個最為基本的力學實驗；過程非常單調，僅是學生分組完成規定的操作流程。這很難激發學生的興趣，難以吸引學生主動思考和投身實踐，基本不能實現創新精神的培養。

（三）課程考核環節

考核環節一般包括課后作業、實驗報告、大作業、期中期末考試等，是對教學情況的反饋和總結。它具有方式多樣、內容豐富的特點，能對教學起到重要幫助作用。但是，往往實際中都只重視期末考試，采取主要以期末考試來決定課程學習通過與否的做法。

這種傳統的考試模式更多的是考查學生對基本知識點的掌握，很難實現對學生創造能力和創新能力的培養和考查。而且，這種模式形式單一，基本以筆試閉卷為主；考試比例相對集中，一般是以課程結束后的一次考試成績作為課程成績；考試的時間也比較集中，考試基本安排在學期末進行；考試內容也很少，基本上是講三學二考一。這樣往往造成學生上課不認真聽講，課后不仔細復習，平時不查閱參考資料，一心指望考前突擊、死記過關。同時，這也極易引起學生只重視做題，忽視了對本學科的規律與特點的掌握和體會，更無法談及相關創新精神和創造能力的培養。

三、基礎力學課程教學改革的思路與措施

基礎力學課程的教學改革必須注重學生創新精神與創造能力的培養，這已成為大家的共識[6]。在教學改革過程中，要貫徹“以學生為主、教師為主導”的教學原則，努力激發學生的興趣，牢牢地吸引住學生的注意力，促使學生能夠認真觀察、獨立思考、積極動手操作、樂于表達交流、隨時質疑提問、聯系工程實際，全面參與到教學的各個環節中來[7]。始終注意培養學生在觀察工程實際與生活現象、發現和提出問題、運用力學知識抽象和建立理論分析模型、運用相關力學知識解決實際問題這一完整過程中，理解、體會基礎力學課程特有的學習方法、思考原則、考慮角度、分析方法等。始終注意力學課程的教學與工程實際的結合。

在課程教學的各環節，以“材料力學”為例，不僅需要引導學生完成知識點的學習、掌握，實現知識的積累，還需要促進學生思考和理解這些知識背后的依據、原理，幫助學生體悟知識的應用過程。需要考慮的方面和可以采取的措施如下。

（一）教學環節

在組織教學內容時，應不拘泥于所授教材，注重課程知識的橫向應用，突出“材料力學”研究問題的思路和解決問題的方法；注意結合工程實例和生活事例，側重現象分析和規律探討，激發學生的學習熱情。以學生為中心，制定教學方案。在課堂教學中要激發學生的好奇心，抓住學生的注意力。盡可能結合時事、結合突發事件、結合新技術的應用，采用青年人更易接受的流行語言和詞匯來講解和體現力學規律。可適當減少習題的講解，增加工程實例的分析和探討。通過若干完整的工程實例分析，來展示力學知識的運用，體現本學科的重要性，并澄清本學科的學習特點，幫助學生盡快地適應本學科的學習。在習題的講解中，注意區分典型例題與非典型例題，厘清處理典型例題的通用方法與處理非典型例題的特殊方法的關系，盡可能地解除學生的畏難情緒，排除學習障礙。

在教學手段上，利用青年人對計算機、手機等新技術應用具有濃厚興趣的特點，可將多媒體教學與傳統教學有機結合，盡可能地將多種元素引入進課堂教學中來，比如CAI課件、動畫、電影、CAD、CAE等。

在教學方法上要轉變教學觀念，將傳統教學方法與現代化教學手段和資源結合起來，不斷優化教學方法。可通過緒論課與力學史、基礎力學教學中的人文因素[8]與力學美等的介紹[9]，以及借鑒小說與評書的論述方式，來引起學生的好奇心。

同時，教師還應不斷提升自身的專業素質，堅持開展科研，加深和拓寬對本學科的認識，始終站在學科前沿來引導學生。

（二）實踐環節

基礎力學是解決復雜工程課題的理論基礎，工程應用是基礎力學的最終目標，同時也是激發學生學好基礎力學課程和產生工程意識的前奏。基礎力學的工程應用是提高學生學習興趣的一個重要渠道。

現有的力學實驗大多內容簡單，過程死板，結果已經預知，僅僅只是驗證性實驗，而不具有探索性和創新性，難以引起學生的好奇心與求知欲。且分組完成，相對缺乏思考性和啟發性，個人的參與性不強，不利于學生創新意識的培養。

實踐環節教學改革十分重要的內容就是要增添實驗內容，增強學生的選擇性和參與性，如各種材料力學性能的測試、組合變形實驗、復合梁實驗等。并結合工程問題、結合學生的大作業等，進一步提出實驗課題，讓學生自主設計實驗及相關裝置并完成實驗，如超靜定結構實驗、各種界面梁的彎扭實驗等。對于新的實驗內容，只給定實驗要求，由學生自己完成對實驗內容的分析、制定實驗方案、選擇實驗儀器和設備、分析和處理實驗數據、撰寫實驗報告。這樣有利于加深學生對課堂教學內容的理解，提高學生的實驗動手能力、分析問題與解決問題的能力。

（三）考核環節

當前考核環節的主要弊端是以期末考試來決定課程成績。對考核環節的改革應該是全面重視課后作業、大作業、實驗報告、期中期末考試，并逐漸開拓平時測試、工程實例分析、自主實驗設計等多種考核方式，合理分配時間和設置相互之間的權重，最終形成課程成績。

其中，最為常見的考核環節是課后作業的批改。要加強學生對平時作業的重視程度，引導學生獨立、積極地完成作業。教師要及時、認真地布置和批改作業，從作業中得到課程教學的信息，并在下一階段的教學中加以處理；同時將批改情況積極反饋給學生，引導和幫助學生采納反饋信息，進行復習。

大作業與課程論文作為一種普遍性的探索模式得到了較為廣泛的認可，是創新精神和創造能力培養的很好方式。選題可以多種多樣，如學習體會、章節總結、一個知識點的深入討論或一個具體生活或工程實例的解決。選題的范圍可以源自生活的方方面面，比如瀝青路面的變形、塌陷、開裂，樹木大風過后的刮倒、樹枝折斷，交通信號燈桿的歪斜等學生可能目睹但未進行認真思考的現象，抓住學生的好奇心理，激發他們的探索熱情。一般由學生自主選題，以教學大綱為基礎，在教師的指導下自由地進行知識拓展，并按科技論文的模式來完成，從而使學生的科研素質得到初步培養。

一般說來，由于當前實驗環節都是分組同時進行的相同實驗，實驗報告也是按照固有格式完成，導致實驗報告難以反映實際情況。不妨采取自主實驗設計、完成相關實驗并最終形成實驗報告的方式來考核。這對于學生個人能力的要求較高，需要充分發揮學生的主動性等，也需要教師的積極指導和幫助。

考試可以采取閉卷與開卷相結合、平時測試與期中期末考試相結合、自我測評等多種方式，避免期末考試定成績的做法。要增加適量的綜合性和靈活性的題目，注重全面系統、深入淺出以及知識與應用相結合。開發網上訓練與測試系統。

基礎力學課程的相關學科一方面與數學、物理相仿，具有嚴謹的邏輯性和高度的系統性；另一方面又面向工程實際、服務于工程實際，能對實際問題進行定量的、準確的分析和解決。做好基礎力學課程的研究型教學，有助于加快學生從大學階段的知識積累者到工業界進行自主創新的技術骨干的成長步伐。

素質教育要求教師開展教學改革，課程建設是教學改革的主要內容。力學組近年來在揚州大學多個學院的多門力學課程教學中開展了教學改革，多次牽頭組織本校學生參加全國周培源大學生力學競賽，在探索教學改革的理念、方法、內容和措施方面取得了階段性成績。為了充分落實力學課程的培養目標，提高教學質量，還需要全方位深入推進教學改革，開展研究型教學。

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