以力學競賽促進力學課程教學改革探討

王敏容 鐘志恒

摘 要：文章以周培源力學競賽和結構力學競賽為契機，探討以競賽促進“力學”課程的教學改革思路。分析了力學競賽中存在的問題，提出了以提高學生的綜合應用能力和創新能力為目標，結合工程實例，訓練學生的力學建模能力，運用多種教學方法，加強學生對力學基本原理的理解和綜合問題的訓練，以競賽為依托培養學生的創新能力，實現“力學”課程教學改革措施。

關鍵詞：力學課程；教學模式；教學改革；力學競賽

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）06-0022-02

學生參與的力學競賽主要是全國周培源大學生力學競賽和中南地區高校土木工程專業結構力學競賽，均為每兩年舉辦一次。至今，周培源力學競賽已成功舉辦了十一屆，結構力學競賽已成功舉辦了六屆，越來越多的學校和學生都加入到了力學競賽中，取得了良好的成績。參加力學競賽，不僅能激發學生的學習興趣，提升學生的分析能力和創新能力，而且能提高教師的教學水平，促進力學課程的教學改革，提高人才培養質量。本文結合近兩屆學生參加力學競賽的比賽情況，總結學生參加力學競賽中存在的問題，思考力學課程教學改革的方向，以力學競賽促進力學教學改革，以期望提升力學課程教學質量，提高學生的工程綜合應用能力和創新能力。

一、力學競賽現狀

第六屆到第十屆的全國周培源大學生力學競賽試題不是學生常接觸的習題內容，充滿著趣味性、綜合性和創新性，以考查學生的綜合分析能力和創新能力為主[1]。競賽題目不同于習題中的已知條件求未知問題，而是以趣味性的魔術、雜技、生活等故事引出力學問題或現象，已知條件隱藏在故事之中，需要學生讀懂題后建立力學模型；題目求解需要綜合運用多個知識點，一道題求解需要理論力學結合材料力學的知識，考慮多種因素，采用多種方式求解。雖然試題考查的都是力學的基本知識點，但各地的競賽成績并不理想，獲獎的學生試卷分數都低于預期的分數[2]。第十一屆的周培源力學競賽試題由兩部分組成，第一部分是基礎題，和平常學生的練習題類似；第二部分是提高題，和前幾屆的競賽題目相似，綜合性和靈活性較強。以廣東賽區為例，基礎題的得分率高于提高題，其中146人的基礎題和提升題都能得分，224人僅能基礎題得分而提高題得分為0，雖然最高分較往屆有所提高，但平均分基本和前幾屆持平。結構力學競賽試題與學生平時學習考試的題目類似，競賽試題平均分遠高于周培源力學競賽，學生對靜定結構的內力普遍掌握得較好，對綜合運用力法、位移法、力矩分配法等計算超靜定結構的內力掌握較差。

二、由競賽反映出力學教學中存在的問題

力學競賽的成績不僅反映出了學生對基礎知識的掌握程度和綜合運用能力，也反映出了基礎力學課程教學效果中存在的問題。

（一）基礎知識不牢固

參與力學競賽的學生大多數是經過學校選拔或對力學有興趣的學生，以大三學生居多，他們已學過了理論力學、材料力學、結構力學等課程，但在力學競賽輔導中仍表現出力學原理不清晰，基礎知識不牢固的現象。第十一屆的周培源力學競賽試題基礎題有25%學生得分低于5分，綜合起來對靜力學空間力系、摩擦、動力學定理的運用，強度理論以及組合變形掌握較差。

（二）力學建模能力較弱

周培源力學競賽中的綜合題，需要學生先自己分析題目、建模、簡化后再處理復雜問題，多數學生都無從下手分析，不能讀懂題意。學生們習慣了根據教材例題和習題中給定的模型求解，而將實際問題簡化為力學模型分析的能力較為薄弱。結構力學的競賽題更接近作業題，學生的得分率高于周培源力學競賽。力學課程中，給定模型的習題練習較多，問題分析太少，學生分析問題、解決問題的能力不足[3]。

（三）綜合運用能力較差

周培源力學競賽和結構力學競賽中的綜合題都需要學生準確判斷知識點、綜合運用多種知識、快速計算各個問題，對學生的綜合運用能力要求較高，這類題型在整個試卷中得分是較低的。目前在力學課程教學中，學生接受綜合題的訓練太少，將各種知識綜合運用的能力較差。

三、以競賽促進力學課程教學改革

以競賽為契機，針對競賽反映出來的問題，以賽促教，改革教學方法，加強學生分析問題、解決問題和綜合運用問題的訓練，創新學生的思維能力，提升教學效果。

（一）結合工程實例訓練學生力學建模能力

力學來源于生活和工程實例，教學內容應緊密結合工程實例，突出學生的專業工程背景。以工程實例提出問題，讓學生帶著問題思考，學會建立力學模型分析問題，利用力學知識解決問題。即在課堂教學中按照“實例—理論—實例”的原則，以典型的工程事故引出本次課需要講解的知識點，理論知識講授完畢后要求學生再結合工程實例分析事故原因及改進措施，讓力學知識從工程中來再回到工程中解決工程問題[4]。并結合專業課中的橋梁、廠房、高層等構造，要求學生建立相應的力學模型，且能正確地將約束和荷載簡化作用于力學模型上。通過將專業課程和力學課程相銜接，學生理解了力學課程與專業課的關聯，也為學生更好地學習專業課做鋪墊。

（二）多種教學方法相結合

課程教學采用基于問題的學習和基于項目的學習、探究式教學方式，以工程中的“項目”或“問題”這一類真實復雜的問題為核心，引導學生思考討論，調動學生的學習積極性，培養學生的自主學習能力，提升學生的力學分析能力和綜合應用能力。

（三）加強力學基本原理理解

在綜合題中，很多學生找不到入手點，不能正確選擇合適的公式進行分析，其根源就是對力學的基本原理理解不透徹。力學課程教學中，學生對理論公式的推導普遍不感興趣，很多教師在講解中也是簡要說明推導過程，學生對公式的基本假設、思路都不清晰，相應也就不會對這類知識進行舉一反三的運用。如彎曲切應力公式的推導思路在周培源力學競賽中作為常考點，但遇到類似題目時很多學生還是不能正確分析。在課程教學中，將基本原理、公式推導重點和難點等采用MOOC、微視頻等形式，讓學生課前預習，并將公式的推導作為課后的練習以加深學生的理解。在力學競賽培訓中，則需要注重學生對基本原理的理解，并要求學生自己對基本原理總結和梳理，找出相關知識點之間的內在聯系，理清原理的適用條件以及能解決的相關問題。

（四）加強綜合問題的訓練

力學競賽培訓中，教師對歷年考試綜合題進行逐層剖析，引導學生采用“分過程—找知識點—后綜合”的思路來分析問題[5]。先把要求解的問題分為幾個過程，后尋找每個過程所需要的相應知識點并建立對應的力學模型，最后綜合每個過程所需要的力學數學模型來尋求最終的答案[6]。練習中，要求學生按照這種思維方式來思考和分析問題，并對每道題進行總結。經過一段時間的訓練，讓學生養成這種思維方式，習慣求解綜合問題。結構力學競賽輔導中，注重綜合訓練學生靈活運用所學知識快速解題的能力，如靈活運用疊加法，不求出內力直接畫出靜定結構的內力圖，綜合運用力法、位移法、力矩分配法等快速繪制超靜定結構的內力圖等。

（五）以競賽加強創新思維能力培養

建立以課程教學為基礎，以競賽項目為載體，以能力訓練為手段的創新能力培養模式。結合國家、省、校三級力學競賽和結構模型比賽，鼓勵學生積極參與比賽，感受比賽的樂趣，激發學生學習力學的興趣。結構模型大賽，學生需要利用所學的力學知識設計模型方案，并撰寫結構模型設計說明書。模型的設計需要學生綜合利用材料的力學性質結合受力狀態建模，說明書的編寫充分體現學生力學建模、力學分析與計算的能力，是對力學知識的最好展現，也培養了學生的工程應用、分析和創新能力。

四、結論

力學競賽不僅激發了學生的學習積極性，對力學課程的教學改革也有重要的促進作用。從力學競賽中反映出來的問題入手，以提高學生的綜合應用能力和創新能力為目標，結合工程實例訓練學生的力學建模能力，多種教學方法相結合提升學生的自主學習能力，加強對力學基本原理的理解和綜合問題的訓練，以競賽為契機培養學生的創新能力。今后筆者將繼續以力學競賽促進課程教學改革，提高教學質量，提升學生的綜合能力。

參考文獻：

[1]劉安中，張速. 基于全國周培源大學生力學競賽創新思維培養能力的實踐[J].淮北師范大學學報：自然科學版，2013，（2）.

[2]趙玉萍.芻議基礎力學課程教學的改革——透過力學大賽看基礎力學課程教學[J].湘潭師范學院學報：自然科學版，2008，（1）.

[3]趙麗霞，劉丹丹.基于周培源力學競賽的基礎力學教學方法的思考[J].亞太教育，2015，（8）.

[4]劉志勇.混凝土結構課程四位一體探究式教學法改革與實踐[J].高等建筑教育，2016，（1）.

[5]張速.基于全國周培源大學生力學競賽材料力學新教學模式的實踐[J].淮北師范大學學報：自然科學版，2015，（2）.

[6]劉安中，張速.幾種邏輯方法在力學競賽輔導中的應用[J].力學與實踐，2012，（3）.