力學(xué)課程教學(xué)模式優(yōu)化探討

黃林沖 梁基冠 馬建軍 梁禹

[摘 要]傳統(tǒng)力學(xué)課程教學(xué)體系中存在著實驗與課程內(nèi)容教學(xué)分離、力學(xué)課程教學(xué)與模擬仿真分離以及難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情三個問題。為解決上述問題，提升教學(xué)效果，適應(yīng)“雙一流”建設(shè)的新形勢，文章提出一體化力學(xué)課程教學(xué)模式，通過采用一體化的教學(xué)模式，將實驗、教學(xué)、模擬仿真有機結(jié)合，輔以一體化的考評方式，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)良好的力學(xué)思維。

[關(guān)鍵詞]力學(xué)課程;一體化;雙一流;教學(xué)模式

[基金項目]2016年廣東省高等教育教學(xué)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(xué)教務(wù)部教務(wù)管理處副處長、航空航天學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要從事工程力學(xué)的教學(xué)與研究;梁基冠（1993—），男，廣東陽江人，中山大學(xué)航空航天學(xué)院2020級力學(xué)博士研究生，研究方向為巖土力學(xué)。

[中圖分類號] G642.0[文獻標(biāo)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(shè)正在如火如荼地展開，為實現(xiàn)“雙一流”建設(shè)的目標(biāo)，各高校和學(xué)科必須根據(jù)學(xué)科發(fā)展的科學(xué)規(guī)律，結(jié)合自身的特點及現(xiàn)階段教學(xué)中存在的問題進行課程改革和優(yōu)化[1]。力學(xué)課程在機械、土木、船舶、航空航天、水利水電等專業(yè)教學(xué)中，具有承上啟下、夯實專業(yè)基礎(chǔ)、建立良好力學(xué)和抽象思維的重要作用[2]。通過力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步具備依靠力學(xué)基本原理，將實際問題抽象成為力學(xué)模型（如圖1所示），并通過求解相應(yīng)的力學(xué)模型將實際問題解決的能力[3，4]。

但在現(xiàn)階段的教學(xué)實踐中，本科教學(xué)學(xué)時減少使得課程內(nèi)容安排不合理，造成學(xué)生掌握程度不高、學(xué)習(xí)熱情降低等問題[5]，嚴重地影響了力學(xué)課程的教學(xué)效果和相關(guān)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。為解決這一問題，高教領(lǐng)域內(nèi)的管理者[6]和教學(xué)工作者[7]經(jīng)過長期的實踐和研究，認為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念至關(guān)重要。另外，在教學(xué)過程中，學(xué)生力學(xué)思維的培養(yǎng)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(xué)課程的教學(xué)效果，優(yōu)化力學(xué)課程教學(xué)模式，促進“雙一流”建設(shè)，本文作者在多年力學(xué)教學(xué)實踐經(jīng)驗和總結(jié)前人研究[4，8，9，10，11]的基礎(chǔ)上，提出了“一體化”力學(xué)課程教學(xué)體系。該體系將課程內(nèi)容教學(xué)與探究性課題研究、課程實驗以及計算機模擬仿真等結(jié)合起來，綜合培育學(xué)生的力學(xué)思維和動手能力，并提出一體化的考核方式，以達到優(yōu)化現(xiàn)有力學(xué)教學(xué)體系，提升教學(xué)效果和學(xué)生綜合素質(zhì)的目標(biāo)。

二、現(xiàn)有力學(xué)課程教學(xué)體系

經(jīng)過多年的實踐，我國高校中的力學(xué)課程，包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)以及考慮各專業(yè)實際問題的土力學(xué)、建筑力學(xué)、工程力學(xué)等力學(xué)課程的教學(xué)體系都存在著一個問題，即課程內(nèi)容的教學(xué)和實驗的分開教學(xué)，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(zé)課程內(nèi)容教學(xué)，并另外安排教師負責(zé)實驗操作的教學(xué)，課程內(nèi)容和實驗操作的考核也是分開的。在傳統(tǒng)的力學(xué)課程教學(xué)模式中，課程內(nèi)容的考核由平時作業(yè)和期末考試來實現(xiàn)，而實驗課程的考核則主要為實驗課教師對學(xué)生實驗報告進行檢查和評分。

這一教學(xué)體系中，課程內(nèi)容教學(xué)和實驗教學(xué)實際上是分開的，課程內(nèi)容的教學(xué)和實驗操作的考核也采取了不同的標(biāo)準(zhǔn)。這樣一來，不易讓在學(xué)生潛意識中將實驗現(xiàn)象和課程中的內(nèi)容結(jié)合起來，也不利于學(xué)生形成力學(xué)思維[2，12]。但力學(xué)思維的形成是力學(xué)課程教學(xué)的重要目標(biāo)之一，是各個專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的重要目的。

另外，在現(xiàn)有的力學(xué)課程教學(xué)體系當(dāng)中，模擬仿真這一將力學(xué)原理和動手操作緊密結(jié)合的過程幾乎在教學(xué)實踐中游離于這一體系之外。在此情況下，模擬仿真相關(guān)課程會放在高年級（大三大四）進行單獨教學(xué)，以基本的彈性力學(xué)概念介紹為鋪墊，后續(xù)主要為某一兩種商用軟件的操作教學(xué)。而在另一些情況下，則安排單獨的模擬仿真課程與力學(xué)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(huán)節(jié)基本上游離于力學(xué)課程體系之外。

三、現(xiàn)有力學(xué)課程教學(xué)體系不足

正如以上的描述，現(xiàn)有力學(xué)課程教學(xué)體系與有關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)以及力學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)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(xué)中，大多數(shù)的力學(xué)模型皆是從實際現(xiàn)象中抽象出來的數(shù)學(xué)模型，通過求解和修正數(shù)學(xué)模型，得到可以較為有效模擬實際現(xiàn)象的力學(xué)模型并用之指導(dǎo)工程實踐。現(xiàn)有的力學(xué)實驗大多屬于反映基礎(chǔ)力學(xué)模型和力學(xué)概念的經(jīng)典實驗，這些實驗設(shè)置的基本目的就是令學(xué)生通過實驗操作，通過觀察實驗現(xiàn)象體會教材中的所建立的基本力學(xué)模型的思想和方法。然而由于教材內(nèi)容教學(xué)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(xué)生將理論和實踐結(jié)合，并建立良好的力學(xué)思維這一目的。反之，由于兩者的分離，使得學(xué)生更容易產(chǎn)生厭倦感和應(yīng)付心理，學(xué)習(xí)熱情的降低造成了課程教學(xué)效果的降低。

在大多數(shù)時候，由于考試的存在，使得學(xué)生更加“重視”課程內(nèi)容的教學(xué)，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(xué)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(xué)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(xué)生掌握程度和教學(xué)效果的方式也無法達到目的。

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

（二）模擬仿真無法有效與力學(xué)課程教學(xué)結(jié)合

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，計算機算力不斷增加，這為采用計算機模擬現(xiàn)實環(huán)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(xué)課程的教學(xué)，由于相關(guān)的實驗內(nèi)容往往著重經(jīng)典且簡單的實驗，對于較為復(fù)雜的力學(xué)模型，難以安排相關(guān)的實驗操作。計算機模擬仿真的應(yīng)用則可以較好地解決這一難題，通過鼓勵學(xué)生應(yīng)用各種模擬仿真軟件，將實驗室“轉(zhuǎn)移”到計算機上，應(yīng)用計算機來模擬各種工況，一方面學(xué)生通過模擬仿真程序可以加深對基本力學(xué)概念的理解，另一方面也有利于提高學(xué)生的動手能力。

而在當(dāng)前的力學(xué)課程教學(xué)體系中，由于模擬仿真這一重要環(huán)節(jié)長期游離于力學(xué)教學(xué)—實驗操作這一體系之外，等學(xué)生開始學(xué)習(xí)模擬仿真軟件時，可能已經(jīng)忘記了相關(guān)的力學(xué)概念。如此一來，很多時候?qū)W生只是將模擬仿真的學(xué)習(xí)當(dāng)成了另外一種形式的考核或者考試，并不能激發(fā)起學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)思想。

（三）課程體系無法有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

在現(xiàn)有的教學(xué)中，理論部分的教學(xué)一般都是采取老師在課堂上講授內(nèi)容，學(xué)生課后通過完成作業(yè)來鞏固學(xué)習(xí)，遇到問題再由教師進行答疑的方式。實驗教學(xué)部分則由學(xué)生先預(yù)習(xí)實驗步驟，實驗教師在學(xué)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(dǎo)學(xué)生操作，課后由學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果來撰寫實驗報告。這樣的力學(xué)課程安排往往需要教師使用豐富的教學(xué)技巧和教學(xué)經(jīng)驗來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，否則容易造成學(xué)生注意力不集中，隨著課程內(nèi)容難度增加而逐漸喪失學(xué)習(xí)熱情。

四、“一體化”力學(xué)課程教學(xué)體系

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

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

如此一來，傳統(tǒng)力學(xué)課程教學(xué)體系中游離的模擬仿真這一重要環(huán)節(jié)將被并入力學(xué)課程教學(xué)體系中。由于模擬仿真的學(xué)習(xí)和運用具有明確的問題導(dǎo)向，學(xué)生將在模擬仿真的學(xué)習(xí)和應(yīng)用中明確地以力學(xué)問題抽象、力學(xué)建模和求解這一主干過程為核心，以軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用為手段。以往單純地以軟件操作為導(dǎo)向的模擬仿真學(xué)習(xí)將被更為主動且注重力學(xué)思維培養(yǎng)的模擬仿真學(xué)習(xí)所替代，學(xué)生的學(xué)習(xí)目的性和參與感加強，學(xué)習(xí)熱情也會提升。

在“一體化”力學(xué)教學(xué)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(xué)生分組課題的推動而進行，以解決問題為目標(biāo)，推動學(xué)生逐步地建模、求證和仿真，在此過程中逐步培養(yǎng)出良好的力學(xué)思維。

課程內(nèi)容的教學(xué)作為傳統(tǒng)教學(xué)的重點之一，在“一體化”課程教學(xué)體系中將具有重要的作用，由于探究性課題的驅(qū)動作用，合理地設(shè)置和安排探究性課題，并將課題與教學(xué)內(nèi)容緊密連接，通過課程的教學(xué)，幫助學(xué)生掌握解決課題所需的必要力學(xué)知識和思維方法。利用課題的目的性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和課堂參與程度，最終提升教學(xué)效果。

與“一體化”力學(xué)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(xué)課程的評分由課程最終考試成績、探究性課題匯報表現(xiàn)、探究性課題研究貢獻、平時課堂參與程度等按照不同的權(quán)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(biāo)準(zhǔn)有利于提升學(xué)生在整個課程學(xué)習(xí)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(yǎng)學(xué)生良好的力學(xué)思維和提升參與度。

五、結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)力學(xué)課程教學(xué)體系實驗與課程內(nèi)容教學(xué)分離、力學(xué)課程教學(xué)與模擬仿真分離以及難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情這三個問題，提出了“一體化”的力學(xué)課程教學(xué)體系，以適應(yīng)“雙一流”建設(shè)的要求，提升教學(xué)效果并幫助學(xué)生培養(yǎng)起良好的力學(xué)思維。“一體化”的力學(xué)教學(xué)體系將課程內(nèi)容與探究性課題小組研究進行有機結(jié)合，將課程知識與解決實際問題相融合，通過引導(dǎo)學(xué)生積極設(shè)計和參與實驗求證，主動學(xué)習(xí)和應(yīng)用模擬仿真方法，將傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)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(yīng)的“一體化”課程考核方案，將有效地提升學(xué)生的參與程度和學(xué)習(xí)熱情，提升力學(xué)課程的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生良好的力學(xué)思維。

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