基礎力學課程體系改革的頂層設計、綜合措施與宏微觀實踐

楊慶生 葉紅玲 劉夏

摘 ?要：基礎力學課程是工科大學生的技術基礎課程，不僅是學生進行后續專業課程學習的基礎，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，它在培養學生的工程能力和創新能力方面起著關鍵的作用。文章闡述了在新形勢下基礎力學課程體系的改革設計、實施方法和改革效果。構建了以反映課程本質的核心知識、滿足專業要求的選配模塊和體現教師特點的特色內容三層次組成的“有核心無邊界”的知識體系和特色各異、規格不一的課程結構;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。教學改革經驗對于面向新工科建設的專業基礎類課程改革具有一定的借鑒意義和參考價值。

關鍵詞：基礎力學;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

圍繞質量提升內涵是高等教育教學改革最核心最緊迫的任務。教育理念的轉變、人才培養模式的發展、教學體系的創新和教師教學能力的提升是促進教育教學改革的關鍵因素。基礎力學作為許多工科專業的重要專業基礎課，很多學者從教學內容、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計劃的實施和新工科建設的發展，在科學、人文、工程的交叉融合中，如何培養具有工程實踐能力和創新能力的復合型綜合性人才，對于基礎力學課程建設提出了新的任務和要求。本文結合作者的教學實踐，闡述了基礎力學課程系列的改革設計、實施方法和改革效果，希望對于工科基礎類課程的建設提供一些思路和借鑒。

一、基礎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力學課程系列以《理論力學》、《材料力學》課程為主，輔以《結構力學》、《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課程，它們的內容經過不同組合，又形成了各種學時規格的《工程力學》課程，由此形成了基礎力學的課程系列，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、測控技術與儀器、環境工程、水務工程、經濟管理等專業開設。目前我國大多數院校以《工程力學》的課程名稱進行基礎力學課程教學，國外多數院校也基本如此[5]。

基礎力學作為一門學生最早接觸到的、系統地將理論知識與工程實際相結合的課程，具有完整系統的基本概念、基本原理和基本方法，具有獨特的數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、設計等過程貫穿于教學中，使嚴密科學推理與靈活工程應用相結合，以便于學生掌握解決工程中力學問題的基本方法和技能，從而培養學生的工程意識、科學素質與創新能力。基礎力學課程不僅是后續相關課程的基礎，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，因此基礎力學已經成為相關工科專業必不可少的基礎知識。經過長期的發展，無論是傳統的土類、機類專業，還是新興的循環材料、智能交通、工業設計等專業，都把基礎力學作為一門重要的專業基礎課程。

二、基礎力學課程面臨的新形勢與改革迫切性

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

（一）專業大類招生與培養模式的實施，迫使基礎力學課程系列必須進行實質性改革

為培養適應新世紀各類學科交叉的寬口徑復合型人才，目前各高校紛紛打破專業壁壘和學科界限，普遍實行了按專業大類招生和培養的模式，學生在入學一年半或兩年的時間內全部學習基礎課程，高年級才進行專業學習和拓展學習，從而實現廣泛的通才教育。例如本校的土木工程類專業包含結構工程、給排水科學與工程、建筑環境與能源利用、水務工程等二級本科專業，除了結構工程專業要求多學時的基礎力學課程之外，其他專業只要求中等學時的力學課程。原來這些專業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招生以后，給基礎力學的教學帶來了不可協調的困難。同樣，機械類專業中偏機類和偏電類的二級專業也存在類似問題。因此，基礎力學課程系列改革勢在必行。

（二）工程教育專業認證的普遍推行，對基礎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改進為核心理念的工程教育專業認證，是我國高等教育與國際接軌的重要途徑，也是提高人才培養質量的重要抓手。各學校都非常重視工程教育專業認證的開展，在專業認證標準中，盡管明確規定具體課程由學校根據自身定位、培養目標和辦學特色自主設置，但是多數工科專業都把基礎力學列為工程基礎類的核心課程。要求課程以數學與自然科學為基礎，培養學生應用數學或數值方法，著重培養解決復雜問題的能力和解決實際工程問題的能力。這就要求基礎力學課程的教學目標要與專業或者行業特點相結合，符合行業對于人才知識結構的一般與特殊要求，使得工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求。

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

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

面對新形勢和新問題，必須將基礎力學課程的改革納入到整個高等教育改革的大系統中，納入到學校人才培養目標的大框架下，把握新局面，實現新轉變，主動適應調整并推行改革，不斷提升課程教學質量。

三、基礎力學課程系列綜合改革的頂層設計

基礎力學課程改革從未停止過，在教學內容的更新、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，通過繼承和創新形成發展的新動力。成功的改革必定需要認真地進行頂層設計，將宏觀的目標與具體的舉措結合起來，將教學理念與課程體系建設結合起來，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展，特別是要適應即將拉開序幕的新工科教育改革。

（一）以促進學生全面發展為核心，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、素質提高和協調發展相融合，提升課程教學質量。作為以培養高素質應用型人才為主的院校，還應該以知識的實際應用為課程教學的根本宗旨。基礎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。“有用”不僅指所學知識能夠密切聯系實際工程與生活，而且也包含對學生綜合素質和思維方式的訓練價值，以及后續學習和終生學習的知識傳承作用;“能用”是指符合現代社會和科學技術的發展階段，具有知識運用的條件和環境;“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。“三用”導向的教學理念體現了課程教學目標、人才培養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計

基礎力學歷經200多年的提煉和完美的數學表達，許多經典內容達到了潔如詩、美如畫的境界。但是我們還須靜下心來認真反思，基礎力學課程在高素質人才培養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，進一步明確基礎力學的科學方法、知識傳遞作用、思維訓練價值和工程應用意義，以及這些功能所對應的核心知識載體。對于基礎力學課程，核心就是以平衡為主題的力的分析和以平面假設為基礎的變形分析，二者通過簡單的胡克定律相聯系。這是一條主線。如果把變形看作運動的一種特殊形式，那么，運動與力的聯系就是經典的牛頓定律。這樣就形成以主對角線為核心的基礎力學知識矩陣，如圖1所示。這個以主線為核心的知識體系覆蓋了基礎力學的所有基本內容，衍生了適合各個專業的不同規格的工程力學課程。

確定知識主線以后，將其他內容分為不同的知識模塊，這些模塊包括：質點與剛體運動學、質點與剛體動力學、剛體虛位移原理、哈密頓原理及分析力學基礎、變形體能量原理、變形體疲勞及動態效應和實驗應力分析模塊等。為了滿足不同專業的特殊要求，可以有選擇地采用這些專業模塊。同時，我們允許任課教師根據自己的研究興趣和研究方向，向學生介紹體現自己教學特點和研究專長的特色內容。例如，研究復合材料力學的老師，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，增加了數值方法的計算結果對照，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”的基礎力學知識體系有三個層次組成，即體現課程本質的核心知識、滿足專業要求的選配模塊和體現教師特點的特色內容組成。

（三）宏微觀貫通的課程結構的建立

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

在實際教學中，我們充分發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計教學環節，凝練教學方法，精煉教學內容等微觀改革，達到課程教學的宏觀目標。

四、基礎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計相一致，在主要教學環節實施了如下改革措施。

（一）運用啟發式教學，注重知識發生的過程

啟發式教學以啟發學生的思維為核心，從而調動學生的學習主動性和積極性。啟發式教學的關鍵在于設置問題情境，鼓勵學生大膽想象，啟發學生模擬當時知識發生的情形，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現的過程。比如介紹一個知識點時，引導學生想象出知識發生、傳播和應用的各種不同路徑和情境，通過交流討論，互相啟發、共同提高，從而明晰獲得基礎力學中的定理、公式及結論的過程，引發學生探究的樂趣，鼓勵學生創新性思維。

（二）探索面向實際、實踐和實驗的教學新方式，注重知識的內涵與外延

以知識的應用為導向，突出與實際工程的結合，突出力學的實踐和體驗，突出典型實驗的原理實現和普適作用。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。在重視基礎型實驗的情況下，為學生開設多個綜合型、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進行實驗。采用面向實際、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，促進學生全面發展的重要環節。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重，鼓勵學生通過學習研究寫出創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計實際問題，自己建立力學模型、求解，并自行證明其結論的正確性。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、鍛煉自我和發展自我的機會，提升了學生的綜合能力。

（四）將現代教育技術與傳統教學手段有機結合，實現課堂教學和實驗教學及其課程管理相統一

現代教育技術對激發學生的學習興趣，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，有著明顯的優勢。特別是在當前的“互聯網+”時代，如何將有效的教學與新媒體技術手段相結合，充分激發學生的學習興趣，提高教學效率，是當前教學改革的熱點之一。基礎力學課程電子多媒體課件實現了聲、光、動畫等視覺效果的完美統一;開發的基礎力學網絡智能答疑系統、網上作業提交批改系統、網上師生互動平臺，為學生提供了多種學習途徑和交流渠道;基礎力學實驗中心電子化實驗指導書和管理系統，可方便地為學生提供有效的學習指導。此外，微信公眾號、微信打賞評價系統的開發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，需要抓好兩個關鍵因素：一是高水平教師隊伍的建設，二是教學基礎工程的建設。下面結合我校教學改革情況做一簡單介紹。

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

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新精神，是保障教學改革順利進行并取得成功的關鍵和原發動力。近年來，我們依托國家基礎力學教學與實驗教學團隊的建設，加強了教師隊伍的建設，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水平的基礎上，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，加強對外學術交流，營造良好的學術研究氛圍。邀請國內外著名科學家、教育家來學校講學和指導工作，同時積極選派教師到國內外大學參觀訪問或進修學習，學習和觀摩國內外著名大學的教學、科研動態等等。一支治學嚴謹、要求嚴格，注重教學質量、教學與科研有機結合、層次合理的教學隊伍是教學改革質量保障的關鍵。

（二）加強教學基礎條件建設，建設一流的軟硬件環境

隨著國家“十三五”規劃和“雙一流”戰略的推進，課程教學的軟硬件條件建設如鳥之兩翼，車之雙輪，相輔相成，缺一不可。教材和其他教學資料的基礎建設不容忽視。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條件[10-14]。

“互聯網+”條件下的基礎力學網站建設隨著時代發展不斷更新換代，學生可以在網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，充足的實驗設備、先進的計算機仿真軟件、開放的實驗場地、豐富經驗的實驗教輔人員，也為學生主動學習和探索提供了寬松自由的學術交流環境。當然，基礎課程的軟硬件環境是需要社會、學校、教師和學生共同參與共同努力建設的，并需要不斷去完善，去發展。

六、結束語

經過一系列的改革舉措，形成了與學校人才培養定位相一致的基礎力學教學體系和課程結構，取得了明顯的教學效果。在校內專家和學生評價中，基礎力學課程始終名列前茅，學生在全國性力學大賽、結構設計大賽和機械設計大賽中取得優異成績，課程教師多次在全國和北京市教學技能比賽中獲得佳績。在專業評估和專業認證中，基礎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。

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

參考文獻：

[1]鄧宗白，陳建平，范欽珊，等.在基礎力學教學中強化工程能力和創新能力的培養[J].中國大學教學，2011（11）：26-28.

[2]韓省亮，張陵，伍曉紅.基礎力學課程教學中的工程教育[J].中國大學教學，2011（2）：39-40.

[3]王琪，郭易圓，王士敏.力學類課程探究型教學模式的研究與實踐[J].中國大學教學，2014（11）：14，15-17.

[4]葉紅玲，劉趙淼，李曉陽.理論力學課程研究型教學模式的探索與實踐[J].力學與實踐，2015，37（3）：40-443.

[5][德]K馬格努斯，H.H繆勒.工程力學基礎[M].張維，譯.北京理工大學出版社，1997.

[6]馬英忱，韓保紅，張淑琴，等.大學力學基礎課程教學中學生能力培養的研究與實踐[J].大學教育，2014（13）：126-127.

[7]李道奎，李東，黃海兵，等.以力學競賽促進基礎力學教改的創新與實踐[J].力學與實踐，2011（3）：80-81.

[8]楊慶生.傳統基礎課程教學改革中的幾個關鍵問題[M].人民教育出版社，2007.

[9]葉紅玲，劉趙淼，李曉陽.基于3S學習模式的理論力學課程教學研究與實踐[J].力學與實踐，2017，39（1）：71-74.

[10]楊慶生，崔蕓，龍連春.工程力學（第二版）[M].科學出版社，2014.

[11]隋允康，宇慧平，杜家政.材料力學-桿系變形的發現[M].機械工業出版社，2014.

[12]秦飛.材料力學[M].科學出版社，2012.

[13]張亦良，張偉，葉紅玲.工程力學實驗[M].北京工業大學出版社，2010.

[14]邱棣華，宇慧平.材料力學學習與考試指導[M].中國電力出版社，2010.