力學課程教學模式優化探討

黃林沖 梁基冠 馬建軍 梁禹

[摘 要]傳統力學課程教學體系中存在著實驗與課程內容教學分離、力學課程教學與模擬仿真分離以及難以激發學生學習熱情三個問題。為解決上述問題，提升教學效果，適應“雙一流”建設的新形勢，文章提出一體化力學課程教學模式，通過采用一體化的教學模式，將實驗、教學、模擬仿真有機結合，輔以一體化的考評方式，有助于提高學生的學習熱情，培養良好的力學思維。

[關鍵詞]力學課程;一體化;雙一流;教學模式

[基金項目]2016年廣東省高等教育教學改革項目（粵教高函〔2016〕236）;2017年廣東省新工科研究與實踐項目（粵教高函〔2017〕170）

[作者簡介]黃林沖（1980—），男，湖北咸寧人，博士，中山大學教務部教務管理處副處長、航空航天學院教授、博士生導師，主要從事工程力學的教學與研究;梁基冠（1993—），男，廣東陽江人，中山大學航空航天學院2020級力學博士研究生，研究方向為巖土力學。

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）32-0186-03[收稿日期] 2020-02-12

一、引言

我國高校的“雙一流”建設正在如火如荼地展開，為實現“雙一流”建設的目標，各高校和學科必須根據學科發展的科學規律，結合自身的特點及現階段教學中存在的問題進行課程改革和優化[1]。力學課程在機械、土木、船舶、航空航天、水利水電等專業教學中，具有承上啟下、夯實專業基礎、建立良好力學和抽象思維的重要作用[2]。通過力學課程的學習，使學生初步具備依靠力學基本原理，將實際問題抽象成為力學模型（如圖1所示），并通過求解相應的力學模型將實際問題解決的能力[3，4]。

但在現階段的教學實踐中，本科教學學時減少使得課程內容安排不合理，造成學生掌握程度不高、學習熱情降低等問題[5]，嚴重地影響了力學課程的教學效果和相關專業學生的培養質量。為解決這一問題，高教領域內的管理者[6]和教學工作者[7]經過長期的實踐和研究，認為激發學生的學習熱情，轉變學生的學習觀念至關重要。另外，在教學過程中，學生力學思維的培養和實踐能力的提升，也是解決問題的重點和難點。為達到提升力學課程的教學效果，優化力學課程教學模式，促進“雙一流”建設，本文作者在多年力學教學實踐經驗和總結前人研究[4，8，9，10，11]的基礎上，提出了“一體化”力學課程教學體系。該體系將課程內容教學與探究性課題研究、課程實驗以及計算機模擬仿真等結合起來，綜合培育學生的力學思維和動手能力，并提出一體化的考核方式，以達到優化現有力學教學體系，提升教學效果和學生綜合素質的目標。

二、現有力學課程教學體系

經過多年的實踐，我國高校中的力學課程，包括理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學以及考慮各專業實際問題的土力學、建筑力學、工程力學等力學課程的教學體系都存在著一個問題，即課程內容的教學和實驗的分開教學，如圖2。由于教師精力和資源分配等限制，分別安排不同的教師負責課程內容教學，并另外安排教師負責實驗操作的教學，課程內容和實驗操作的考核也是分開的。在傳統的力學課程教學模式中，課程內容的考核由平時作業和期末考試來實現，而實驗課程的考核則主要為實驗課教師對學生實驗報告進行檢查和評分。

這一教學體系中，課程內容教學和實驗教學實際上是分開的，課程內容的教學和實驗操作的考核也采取了不同的標準。這樣一來，不易讓在學生潛意識中將實驗現象和課程中的內容結合起來，也不利于學生形成力學思維[2，12]。但力學思維的形成是力學課程教學的重要目標之一，是各個專業的學生學習力學的重要目的。

另外，在現有的力學課程教學體系當中，模擬仿真這一將力學原理和動手操作緊密結合的過程幾乎在教學實踐中游離于這一體系之外。在此情況下，模擬仿真相關課程會放在高年級（大三大四）進行單獨教學，以基本的彈性力學概念介紹為鋪墊，后續主要為某一兩種商用軟件的操作教學。而在另一些情況下，則安排單獨的模擬仿真課程與力學課程在同一階段展開。無論是上述的哪一種安排。模擬仿真這一重要環節基本上游離于力學課程體系之外。

三、現有力學課程教學體系不足

正如以上的描述，現有力學課程教學體系與有關專業的人才培養目標以及力學課程的教學目標差距較大，其不足之處主要有三點：

（一）理論知識與實驗操作分離

在力學中，大多數的力學模型皆是從實際現象中抽象出來的數學模型，通過求解和修正數學模型，得到可以較為有效模擬實際現象的力學模型并用之指導工程實踐?，F有的力學實驗大多屬于反映基礎力學模型和力學概念的經典實驗，這些實驗設置的基本目的就是令學生通過實驗操作，通過觀察實驗現象體會教材中的所建立的基本力學模型的思想和方法。然而由于教材內容教學和實驗操作往往分離成兩個體系，實驗室和課堂在時空上的距離較遠，無法有效地促進學生將理論和實踐結合，并建立良好的力學思維這一目的。反之，由于兩者的分離，使得學生更容易產生厭倦感和應付心理，學習熱情的降低造成了課程教學效果的降低。

在大多數時候，由于考試的存在，使得學生更加“重視”課程內容的教學，而對于難以量化考核的實驗課程的重視程度則不夠，所提交的實驗報告也往往難以反映學生對實驗操作和其中思想的理解。另一方面，由于考試成績可以量化，也使得部分學生采用“刷題”“背題庫”等所謂“捷徑”通過考試或取得好成績。這樣一來，考試作為量化反映學生掌握程度和教學效果的方式也無法達到目的。

實驗操作和課程教學的分離使得考核指標無法準確反映學生的掌握水平和教學效果，也不能有效地幫助學生逐步建立良好的力學思維。

（二）模擬仿真無法有效與力學課程教學結合

隨著現代科技的發展，計算機算力不斷增加，這為采用計算機模擬現實環境，并彌補試驗研究由于成本和條件限制無法深入的缺點提供了有效的解決方案。對于力學課程的教學，由于相關的實驗內容往往著重經典且簡單的實驗，對于較為復雜的力學模型，難以安排相關的實驗操作。計算機模擬仿真的應用則可以較好地解決這一難題，通過鼓勵學生應用各種模擬仿真軟件，將實驗室“轉移”到計算機上，應用計算機來模擬各種工況，一方面學生通過模擬仿真程序可以加深對基本力學概念的理解，另一方面也有利于提高學生的動手能力。

而在當前的力學課程教學體系中，由于模擬仿真這一重要環節長期游離于力學教學—實驗操作這一體系之外，等學生開始學習模擬仿真軟件時，可能已經忘記了相關的力學概念。如此一來，很多時候學生只是將模擬仿真的學習當成了另外一種形式的考核或者考試，并不能激發起學習熱情。

另外，模擬仿真游離于課程體系之外造成的另一個不良后果，就是學生往往無法真正理解模擬仿真的作用，只是著眼于具體的模擬仿真軟件的操作，無法深入理解模擬仿真過程中包含的力學思想。

（三）課程體系無法有效激發學生的學習熱情

在現有的教學中，理論部分的教學一般都是采取老師在課堂上講授內容，學生課后通過完成作業來鞏固學習，遇到問題再由教師進行答疑的方式。實驗教學部分則由學生先預習實驗步驟，實驗教師在學生操作前講授操作方法和注意事項，此后由實驗教師從旁指導學生操作，課后由學生根據實驗結果來撰寫實驗報告。這樣的力學課程安排往往需要教師使用豐富的教學技巧和教學經驗來激發學生的學習熱情，否則容易造成學生注意力不集中，隨著課程內容難度增加而逐漸喪失學習熱情。

四、“一體化”力學課程教學體系

為解決傳統力學課程教學體系的問題，本文提出了“一體化”力學課程教學體系，如圖3所示。所謂的“一體化”，就是將課程內容教學與力學實驗課程和之前游離于力學課程教學體系中的計算機模擬仿真有機結合起來。

為了解決傳統力學課程教學體系中的學生學習熱情降低和參與感不足等問題，充分調動學生的學習熱情和主觀能動性，將探究性課題的研究加入力學課程教學體系中。前人研究表明[8]，通過將學生分組并安排不同的與課程內容相關的探究性課題，利用學生的主觀能動性和參與感，可以有效地激發學生的學習熱情。通過探究性課題研究的開展，讓學生在研究中應用所學的力學知識和實驗操作技能，并主動地開展模擬仿真和數值實驗。

如此一來，傳統力學課程教學體系中游離的模擬仿真這一重要環節將被并入力學課程教學體系中。由于模擬仿真的學習和運用具有明確的問題導向，學生將在模擬仿真的學習和應用中明確地以力學問題抽象、力學建模和求解這一主干過程為核心，以軟件的學習和應用為手段。以往單純地以軟件操作為導向的模擬仿真學習將被更為主動且注重力學思維培養的模擬仿真學習所替代，學生的學習目的性和參與感加強，學習熱情也會提升。

在“一體化”力學教學模式中，以往單純的驗證性實驗將擴展為驗證+探究性實驗，通過驗證性實驗掌握操作過程，而探究性實驗的開展將圍繞著學生分組課題的推動而進行，以解決問題為目標，推動學生逐步地建模、求證和仿真，在此過程中逐步培養出良好的力學思維。

課程內容的教學作為傳統教學的重點之一，在“一體化”課程教學體系中將具有重要的作用，由于探究性課題的驅動作用，合理地設置和安排探究性課題，并將課題與教學內容緊密連接，通過課程的教學，幫助學生掌握解決課題所需的必要力學知識和思維方法。利用課題的目的性，激發學生的學習熱情和課堂參與程度，最終提升教學效果。

與“一體化”力學課程相匹配的是“一體化”的課程考核方案，在此框架之下，整個力學課程的評分由課程最終考試成績、探究性課題匯報表現、探究性課題研究貢獻、平時課堂參與程度等按照不同的權重組成。而實驗部分的成績將包含在探究性課題的各個部分之中，引入課題貢獻這一評價標準有利于提升學生在整個課程學習過程中的參與感和熱情。與以往實驗分開打分相比，這一評價體系將有助于培養學生良好的力學思維和提升參與度。

五、結語

本文針對傳統力學課程教學體系實驗與課程內容教學分離、力學課程教學與模擬仿真分離以及難以激發學生學習熱情這三個問題，提出了“一體化”的力學課程教學體系，以適應“雙一流”建設的要求，提升教學效果并幫助學生培養起良好的力學思維?！耙惑w化”的力學教學體系將課程內容與探究性課題小組研究進行有機結合，將課程知識與解決實際問題相融合，通過引導學生積極設計和參與實驗求證，主動學習和應用模擬仿真方法，將傳統力學教學體系中的三大難題一起解決。進一步地，通過建立與之相適應的“一體化”課程考核方案，將有效地提升學生的參與程度和學習熱情，提升力學課程的教學效果，培養學生良好的力學思維。

參考文獻

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