面向新工科的基礎力學課程群建設的探索與實踐

陳 雪，劉 榮，李雪梅，陳炳森，高興宇

（1.桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004；2.廣西機械工程學會，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著新一輪科技革命和產業變革的加速進行，中國科技創新驅動進入新的發展階段，“中國制造2025”“互聯網+”等戰略相繼實施，為科技的創新發展提供了新機遇[1-3]。“新工科”教育是當今世界工程教育的根本性變革，是新時代回答“培養什么人，如何培養，為誰培養人”這個根本問題的源泉[4]。隨著傳統機械制造行業的不斷升級改造，對高校培養的應用型人才有了更高的要求。需要他們掌握扎實的基礎、涉獵廣泛的交叉學科知識、具備較強的實踐創新能力等。具體來說就是需要“一專多能”的人才，不僅需要掌握機械、控制、計算機技術的人才，也需要同時具備理論與應用知識的人才，其中力學基本理論是課程體系的重中之重。面向新工科的基礎力學課程群主要包括理論力學、材料力學、工程流體力學、工程熱力學等力學課程，著重培養學生的力學邏輯思維和力學素養，提升學生解決復雜工程問題的力學能力。如何滿足機械制造行業對相關人才的廣泛需求，培養具有扎實力學基礎的創新人才是目前機械專業所面臨的巨大挑戰。

1 基礎力學課程群建設的必要性

力學是近代科學發展的先驅，既是基礎學科也是應用學科。作為基礎學科，它是機械制造、車輛工程、土木工程等傳統工科專業的基礎；作為應用學科，它幾乎與所有的新工科專業相互交叉，解決工程實際中的力學難題[5，6]。隨著新興學科的快速發展，力學在交叉學科領域表現出連接基礎學科和應用學科的重要橋梁作用。近年來，國家非常重視基礎力學學科的研究和發展，提倡高影響力和原創性基礎研究工作[7]。2018 年由楊衛院士牽頭創建浙江大學“交叉力學研究中心”，以把握變革機遇，提前布局、匯聚研究，推動了我國基礎力學學科的發展，也為提升力學學科國際影響力和我國綜合研究實力提供重要助力。在“新工科”的視角下，工程實際中出現了一系列處于科學前沿的新問題和新領域，必須發揮力學學科的基礎作用，加強與各學科交叉融合，推動基礎力學與工程應用的協同發展。力學技能和力學素養的能力提升是培養應用型創新人才的核心基礎[8]。然而，目前大多數工科院校人才培養體系中少有理論支撐基礎學科人才培養，也少有高校重視基礎力學學科課程群的建立。作為地方高水平應用型本科院校，開展多樣化、多途徑和多形式的“新工科”人才培養模式改革與創新迫在眉睫。

根據國家《中國制造2025》規劃，以及廣西目前正實施的創新驅動戰略，打造“先進制造業”“新一代信息技術”“高性能新材料”等創新發展“九張名片”的總體要求，力學與廣西地區的優勢產業的發展密不可分。它對從物理科學到生命科學再到社會科學領域的幾乎所有的研究都有著重要的推動作用。重視基礎力學學科人才的培養，聚焦前瞻性力學交叉前沿科學研究，是落實國家西部和東盟戰略的需要，將為廣西優勢產業提供強大的科技支撐，成為引領廣西產業轉型升級的創新力量，推動廣西經濟的發展。

2 基礎力學課程群建設的現狀

新工科背景下，機械工程專業中基礎力學課程主要開設“理論力學”“材料力學”“工程熱力學”“工程流體力學”“機械動力學基礎”等五門力學課程，著重培養學生的力學邏輯思維和力學素養，鍛煉學生分析、解決工程問題的力學能力。這些課程在專業基礎課中起著呈上啟下的作用，是后續專業課的基礎。在理論教學和實踐教學方面的建設現狀如下：

首先，目前各門基礎力學課程相對獨立，但存在理論教學授課內容出現部分重疊、不同課程中教師所用授課案例雷同、同一專業先后修習課程間的支撐性強度欠缺、關聯性差等問題。由于各任課老師較少或只在較小范圍內根據學生高效學習和發展需求進行聯合備課，往往使后續課程的任課教師不得不重復講授關聯課程的相關知識點，學生也難以在先修課程學習時明確哪些部分需強化學習，哪些知識點與后續課程知識關聯。出現的原因是：學院、教研室沒有重視教學團隊的組建，沒有聯合基礎力學課程群中不同課程授課教師對培養方案中關聯性課程的知識點進行刪、減、并、聯，使得核心課程的關聯性差、課程間的支撐性強度欠缺。

其次，在實踐教學環節設計欠缺實用性和關聯性考慮，課內實驗、課程設計、專業認知實習、專業綜合創新設計等環節存在目標定位低、內容更新慢、與社會嚴重脫節等問題，影響課程群中實踐教學體系的構建。例如：工程流體力學課內實驗多以觀察性實驗為主，考察學生對知識點的理解，并沒有重視學生動手能力的培養。實踐教學環節的這些主要是由于學院對實踐教學環節的重視程度不夠，多數實踐教學教師都是資深年長的工程師，對于前沿科學技術了解不深，且企業調研的經歷少，對于創新的內涵理解不到位。在教學中一定要轉變思維觀念，要圍繞企業需要什么樣的技能來設計教學內容，培養學生的實踐創新能力。這種由社會向大學提需求的新模式，即“知識生產的逆向流動”模式告訴我們，實踐教學的內容缺乏新工科實用性背景，不利于培養學生的新工科力學思維和創新精神，難以激發學生的學習興趣。

鑒于此，基于校企會合作平臺，在進行廣西機械工程學會會員單位調研的基礎上，優選并合理排布基礎力學學科中不同課程間的理論和實踐教學內容，凝練出助力“新工科”人才培養、高效成長的優化課程體系理念和方案，以實現有利于學生高效成長的拓展版、強化版基礎力學課程體系建設勢在必行。

3 基礎力學課程群建設的探索

3.1 基礎力學課程群體系的建設

基礎力學課程具有較強的關聯性。先修課程“理論力學”“材料力學”讓學生形成扎實的力學基礎和完整的知識結構；在“工程熱力學”“工程流體力學”的學習中，對力學知識有感性認識；通過“機械CAD/CAM”“系統建模與仿真”課程的學習，抽象出物理模型進行力學、熱學方面的分析。基礎力學課程群體系，如圖1所示。通過基本理論-感性認識-抽象建模，培養學生解決復雜工程力學問題的綜合能力和辯證思維，突出“兩性一度”（高階性、創新性、挑戰度）的“金課”標準。其次，深度調研學生，全面了解學生的關注點和困惑點。通過課堂提問、問卷調查、訪談的形式搜集學生關注的問題和容易產生困惑的知識點，建立數據庫，為后續教學大綱、授課計劃的制定提供信息。最后，結合教材重難點和學生關注點，形成教學結合點，優選并合理排布基礎力學學科中不同課程間的理論和實踐教學內容，構建課程群的教學內容體系。通過梳理課程群的知識網絡系統，得到課程知識授課方案，凝練出助力“新工科”人才培養、高效成長的優化課程體系理念和方案，以此為依托和引導，深度挖掘課程群中的思政育人元素，將其融入知識網絡系統，并關聯成以成果為導向的基礎力學課程群新體系。

圖1 基礎力學課程群體系

3.2 基礎力學課程群教學團隊的建設

構建校企會合作的基礎力學課程群教學團隊，團隊成員由長期從事基礎力學學科的本科教學、管理和教學研究工作的教師，以及行業、企業專家組成。由學校教師主導的基礎力學相關理論教學，由行業和企業專家教授前沿的技術，在產教融合的協同下，確定基礎力學課程群的教學大綱和教學內容。從人員分布上來看教學過程呈現三層級配合模式，企業-教師-學生，融合本科生培養的三層級的思考維度，為課程群建設的實施、推進提供全方位信息和思維保障。項目組成員長期致力于工程一線和教育一線，學校教師長期指導學生開展科教協同或課外科技創新活動，企業專家長期奮戰在工程一線，這為項目人才培養模式的效果提供了更廣泛的實踐提升途徑。項目組核心成員一直堅持潛心鉆研教學研究，并通過參與各項教學比賽進行檢驗和提升，例如：團隊成員在團隊的指導下榮獲全國高校教師教學創新比賽-3D/AR/VR 數字化虛擬仿真主題賽全國三等獎，為本項目課程思政的實施提供強有力的前導性思維和實踐支撐。企業專家結合企業的工程實際，講授實操經歷，強調動手實踐能力的提升。此外，項目組多位成員都具有海外留學經歷，可整合國外先進的教學理念和教學方法，更有助于人才培養模式的構建和持續改進，以及基礎力學課程的提升，有望將基礎力學課程群建設為雙語一流本科課程。

3.3 基礎力學課程群教學資源的建設

一是，教學團隊研討后，確保緊扣教學目標主旨框架下，調整教學大綱、授課計劃、授課課件等，對核心知識點分層級授課，實現教材要求與學生需求的有機結合，對每門力學課程的課件資源進行精細化打磨。二是，建設以基礎型、提高型、創新型為主線的多樣化、層次化基礎力學課程題庫。題庫題型涵蓋選擇、填空、判斷、名詞解釋、簡答、計算和大作業創新題。三是，開發教學案例庫。針對機械工程領域的工程案例，如內燃機、發動機、凸輪蝸桿、液壓傳動件等，搜集動畫資源，在課程講授過程中結合案例講解知識點。并搜集力學趣味知識庫，在課前、課間、課后讓學生搜集答案，了解其中的原理，增加基礎力學課程的趣味性。四是，在教學團隊的引導下，撰寫教材。

3.4 以賽促學的創新實踐教學模式建設

理論教學缺乏趣味性，很難激發學生的學習熱情。專業選修課程中可以采用以賽促學的創新實踐教學模式。教師根據理論力學、材料力學等核心課程的知識框架設計相應的小課題。學生以自由組隊的形式，分工完成課題，引入自評、互評的打分機制，通過趣味性的競賽，激發學生興趣與自主創新的潛力。團隊成員運用所學的基礎力學知識，解決工程實際中的力學問題，在融會貫通的過程中對專業核心技能突破和強化。輔助文獻檢索、三維建模、力學實驗、仿真模擬等方法，實現從填鴨式被動接收到主動挖掘知識的思維轉變。該模式也提升了課程的挑戰性，增強師生之間的互動，是培養應用型人才創新能力的一種有效實踐教學模式。

其次，指導學生參加全國周培源大學生力學競賽、大學生工程實踐與創新能力大賽、“挑戰杯”大學生課外學術科技作評競賽、全國大學生機器人大賽等，引領學生探索新技術。這些比賽具有跨專業、多學科知識融合的特點，力求功能強大、結構簡單、節能減排，是對學生綜合能力的考察。在不斷豐富技能的過程中，促進學生對基礎力學課程的理解和掌握，實現學與教的相輔相成。

4 結語

在新工科教育的背景下，注重對基礎學科課程群體系的構建和學生綜合能力的提升，急需一種契合當前OBE 以學生為中心理念的創新人才培養模式。桂林電子科技大學作為一所地方理工科院校要聚焦世界科技前沿和國內薄弱學科專業，把基礎學科人才培養作為高等教育的首要任務，借助新穎的教學方法充分激發學生的學習主動性和潛能，基于校企會合作平臺，利用多樣化的協同育人模式引導學生成長為既“專”又“能”的“新工科”人才。在基礎力學課程群建設的探索中，通過基礎力學課程群體系的建設，將課程群中的教學內容整合，實現了從單個核心課程到課程群體系構建的轉化；通過組建基礎力學課程群教學團隊，整合了國外先進的教學理念和教學方法，更有助于人才培養模式的構建和持續改進；通過基礎力學課程群教學資源的建設，在教學過程融合了數字化教學方式，引導教學、激發學生興趣和潛能，實現基礎學科理論深刻性與教學生動性融會貫通；在OBE 理念引導下，探索了適用于新工科基礎學科的以賽促學的創新實踐教學模式，實現學與教的有機結合，提升學生解決復雜工程問題的能力。重視基礎力學學科人才的培養，充分體現了學生的主體地位，培養學生科學的力學思維，提升學生的力學實踐能力，受到企業的高度評價，切實落實“新工科”培養全面發展高素質應用型人才的要求。