新工科背景下應用型導向的土木工程學科理論力學教學探索

劉良坤，潘兆東，龐書孟，秦任遠，邸 博

（東莞理工學院生態環境與建筑工程學院，廣東 東莞 523808）

新工科建設對工程專業人才的培養提出了新的需求[1-2]。“新工科”建設是中國工程教育應對新技術和新經濟發展的重要舉措。土木工程屬于傳統工科，面對新技術、新經濟的變革更加需要適應當前的新形勢，并主動“升級”。理論力學課程作為土木工程專業的重要核心基礎課程，重點在于培養土木工程專業學生的計算分析能力，是土木工程行業工程師力學思維培養的前提，更是后續材料力學、結構力學等專業力學課程的重要基礎。

然而，工程學科強調知識的應用能力，理論力學的理論性較強，其概念及原理相對復雜，學生容易產生疑惑；而且，在教學過程中，很可能因授課教師的專業背景及承擔課程不同，缺乏有效引導，導致理論力學的獨立性過強，無法將其與其他課程建立有效聯系，從而導致學生的力學思維能力培養不足，力學概念與原理的應用能力有限。因此，提高學生對理論力學課程的重視，實施應用型導向的教學模式，有利于培養土木工程專業學生的力學工程思維及理論聯系實際的工程應用能力[3-5]。本文將以筆者承擔的理論力學為例，對近幾年應用型導向理論力學教學改革進行探討。

1 理論力學教學現狀

理論力學是一門理論性較強的專業基礎課程，其內容相對枯燥，公式較多，學生在學習過程中往往存在較多疑問。目前在教學上存在以下問題：

（1）教學內容過于抽象，不利于力學概念的理解。相對而言，由于理論力學是一門偏于理論的基礎核心課程，力學概念較多，內容相對抽象枯燥，難以調動學生對學習的熱情。教師在教學過程中容易出現誤區，將過多的時間用于公式講解與推導，缺少對力學概念的理解，導致學生陷入誤區，使原本晦澀難懂的力學理論理解“雪上加霜”。因此，重視力學概念的理解是保證力學應用的基礎。

（2）教學過程重視理論學習，缺乏有效實踐。目前的理論力學教學注重課程的講授，且以理論學習為主，缺少真正的動手實踐，導致學生對力學概念的認知僅僅在于對力學概念文字上的認知，無法了解其真正內涵，也無法對理論進一步深化；而實踐教學內容的缺乏正加劇了這種過程的產生。因此，對理論力學的理論與實踐內容進行合理安排至關重要，有利于學生達到學以致用的目的。

（3）教學關聯性存在斷層，專業課程的力學應用引導不足。理論力學作為基礎核心課程涉及各類力學課程（諸如材料力學、結構力學等）、土木專業課程（混凝土結構設計基本原理、鋼結構設計等），這使得理論力學的學習直接關系到后續課程的理解與掌握。然而，在教學過程中，很可能因授課教師的專業背景及承擔課程的不同，導致理論力學的獨立性過強，無法將其與其他課程建立有效聯系；加之缺乏有效引導，不利于學生力學思維的培養，導致對力學概念與原理的應用能力有限。此外，土木工程專業課程，大多安排于大學的中后期，若教師在授課程中未及時補充相關的力學知識，由于學生對前期力學知識的遺忘，很可能對專業課程的理解不足。上述情況將阻礙其在后期的工程應用。

2 應用型導向的理論力學教學改革措施

為培養土木工程專業人才的力學工程思維，提高其工程應用能力，應用型導向的教學改革勢在必行。據此，作者根據理論力學的核心基礎課程定位，從三方面進行教學改革，基本改革框架如圖1所示。

圖1 應用型導向的理論力學教學改革框架

2.1 重視理論力學概念理解

土木工程應用能力的基礎在于對力學概念的理解。區別于傳統理論力學的灌輸式教學方式，筆者采用啟發式的力學概念感知教學方式。首先，按傳統方式講解力學概念，使學生有初步的了解；然后，將力學概念與生活或工程中常見的力學現象相結合，引起學生求知欲，并輔以圖片或視頻方式演示力學想象，講授背后的力學機制，引出關鍵的力學概念；隨后，啟發學生產生聯想，并進行力學概念的拓展與延伸；最后，以此為契機，啟發學生，用力學視角解釋并分析生活上常見的現象，從而提升對力學概念的理解，為其今后力學應用能力提升提供基礎。

2.2 強調理論力學的應用實踐

對于土木土工程學科而言，理論力學的學習在于為后期課程學習與工程應用提供基礎，而力學實踐引入將有效提高其支撐效果。因此，基于前期的力學概念理解，強化力學理論，并以力學理論為基礎進行力學實踐，讓學生加深對力學概念的感知，便于后期專業課程的學習和力學應用能力的培養。考慮到本課程靜力學部分與土木工程學科最為密切，教學過程中以力矩、力偶、重心等概念為例，采用電子版作業的方式讓學生參與力學實踐。例如，力對軸之矩的概念，學生A根據所學的基本知識，先對該概念進行初步理解，然后，以宿舍的門為例，分析門在開合過程中，手對門施加不同方向作用力時，對該軸之矩的影響；同時該同學就分析過程以圖片的形式進行了說明。此外，如圖2，本課程還設置了趣味力學競賽及課內結構設計競賽，以此來提高學生的力學實踐與應用能力。

圖2 力學實踐活動

2.3 促進專業課程力學思維導向

理論力學因其課程的特殊性，學生普遍接受起來存在一定的困難，加之授課教師的專業背景及承擔課程不同，導致該課程的獨立性過強，影響其與后續課程的關聯性建立，不利于力學工程思維培養。因此，理論力學教學中應根據力學概念與原理，適當引出后期專業課程可能涉及的相關工程案例，實現其與理論力學的初步“對接”，減少學習專業課程時的生澀感及課程間的獨立性，完善理論力學在土木工程專業課程中的框架體系。具體而言，在教學過程中，首先應重視理論力學中與土木工程專業最為密切的靜力學內容，并在力學課程中突出工程應用，培養初步的力學工程思維；其次，后續專業課程的授課時，應回顧相關力學原理，并以力學思維進行引導；最后，結合專業課程中相關的力學內容進行講授，在得到結論后再次強調與專業課程的關聯性，讓學生掌握該部分內容的內在力學機理。通過上述過程，既可完成理論力學對專業課程的有效引導，又可確保后續專業課程對理論力學的有效承接，從而改善力學與土木工程專業課程之間教學的獨立性，實現專業課程的力學思維導向。

例如，混凝土結構基本原理中單筋矩形截面的等效過程，其等效原則實際為合力的大小和作用點不變。相關原理來源于理論力學的靜力平衡：（1）合力大小不變對應于力的平衡；（2）作用點不變對應于力矩平衡。在理論力學課程中，可以適當多準備一些后續專業課程的應用案例，引導學生重視靜力平衡的概念與原理學習。在混凝土結構基本原理講授時，首先在講解前用2～5分鐘復習靜力學平衡知識；然后，根據截面等效的四個基本假定，完成混凝土梁受壓區截面應力的矩形等效，并推導計算公式；最后，再次解析等效過程，并強調等效過程的核心在于力與力矩的平衡，從而確保在該知識點的講解過程中突出力學概念與原理的應用。此外，還可介紹相關的實際工程案例，啟發學生采用靜力平衡原理進行分析。

3 結語

理論力學是土木工程專業的重要核心基礎課程，重視力學概念的理解，加強有效的力學實踐，并促進專業課程的力學思維導向，對于培養學生的力學工程思維能力非常重要。筆者針對所承擔的理論力學及部分專業課程進行了為期多年的教學改革，取得了良好的效果：學生對力學概念的理解有所加深，而且由于力學實踐的引入，學生的學習興趣有較大的提高；此外，改革過程中對力學與專業課程進行了有效的“前啟后承”，降低了課程間的獨立性，有助于建立力學與專業課程的緊密聯系。因此，對于土木工程學科，應用型導向的理論力學課程改革，有利于提高學生的計算、分析與實際應用能力，促進學生力學工程思維的培養，為培養“新工科”建設下土木工程專業復合型人才提供支撐。