新工科背景下“基礎力學”課程教學方法探索

賀云 李曉麗 薛慧君 杜娟

摘?要：在新工科背景下，新工科教學建設實現是工科類專業教育的必然導向，為新時代高等教育教學改革奠定了堅實的基礎。“基礎力學”作為工科類專業的基礎課程，在教學過程中應貫徹新工科建設思路，探索適應新形勢下的教學模式。該文從新工科實施背景出發，分析現階段農林院校“基礎力學”課程教學現狀及存在的主要問題，探究新工科深度融合背景下“基礎力學”課程的教育教學模式，對推動我國工科類專業教育發展具有重要意義。

關鍵詞：新工科；基礎力學；農林院校；教學模式

一、概述

教育部圍繞推動高等工程教育改革舉辦了相關研討會，形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，為我國的高等工程教育改革指明了方向。2017年2月，教育部發布的《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》中強調，新工科研究和實踐要圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量和新體系開展。新工科建設是全局考量，是在新科技、產業革命和新經濟背景下工程教育改革的重大戰略選擇，是今后我國工程教育發展的新思維和新方式［12］。相比于傳統工科教育，新工科在強調人才培養的新模式和教育教學的新質量的基礎上，更加強調學科的實用性、延續性、交叉性以及綜合性，要求新工科人才具備更強的實踐能力、創新能力和國際競爭力［3］。為了探索我國工科人才的培養模式，我國于2016年6月成為《華盛頓協議》的正式會員國。加入《華盛頓協議》是促進中國工程類人才培養邁入國際標準、提高工程技術人才培養質量的重要舉措，對中國工程技術領域具有國際競爭力有著重要意義［4］。

“基礎力學”課程是農林院校土木工程、農業水利工程、水利水電工程、交通工程、道路橋梁與渡河工程、機械設計制造及其自動化、材料科學與工程、新能源科學與工程等諸多工科專業的專業基礎課，具有非常強的理論性與實踐性。同時力學也是現代工程應用技術的堅實基礎，是基礎學科與應用學科相結合的復合型學科，作為應用學科解決相關專業的力學工具，是工科類人才今后從事相關研究及工作的基礎，同時也是新時代建設新工科的重要抓手。因此，在新工科背景下對“基礎力學”課程進行教育教學改革具有鮮明的時代及實踐意義［5］。

本文以農林院校為例對“基礎力學”課程教學進行探索、改革與實踐，旨在新工科背景下進一步提高“基礎力學”課程教學質量，夯實學生“基礎力學”理論知識素養，同時探索新的課程教學方式能充分發揮學生作為學習主體的中心作用，實現以學生為中心，盡可能充分地調動學生學習的自主性、積極性和創造性的目標。

二、“基礎力學”課程的教育教學現狀

（一）“基礎力學”課程的設置情況

“基礎力學”課程是各工程類專業理論性較強的專業基礎課。先學習“高等數學”“普通物理學”等課程，具備利用高等數學知識中微積分、矢量初步分析、微分方程的理論及應用，普通物理中力學的基本原理等基礎知識。其基本概念和基本理論是土木、水利、機械、交通、材料類工程專業的“結構力學”“彈性力學”“土力學”“水力學”等專業基礎課程的基礎，是支撐鋼筋混凝土、橋梁工程、水工結構、交通運輸等后續專業課程應用、設計等的力學基礎［6］。

“基礎力學”課程是由公共基礎課過渡到工程實踐類課程的專業基礎課，使學生初步學會應用力學的理論方法分析并解決一些簡單的工程實際問題；為學習有關的后繼專業課程打好必要的基礎，并為將來學習和掌握新的科學技術知識創造條件，結合本課程的特點，培養學生科學的思維方式、邏輯思維和辯證唯物主義世界觀等多方面能力。

“理論力學”課程的主要內容即靜力學、運動學和動力學的基本理論、方法及應用。掌握該課程的點和剛體力學的靜力學平衡條件、點和剛體基本運動、合成運動、動力學基本定律的基本理論和方法［7］。“材料力學”課程的內容有軸向拉壓、扭轉、彎曲、應力狀態及強度理論、組合變形等基本理論和方法，掌握基本力學原理在解題中的準確應用。“工程力學”課程是理論力學靜力學和材料力學內容的結合。以內蒙古農業大學的具體情況，課程適用于土木工程、農業水利工程、水利水電工程、農業機械化及其自動化、機械設計制造及其自動化、新能源科學與工程、車輛工程、材料科學與工程、家具設計、木材科學與工程等專業的農林院校本科學生。

通過“基礎力學”課程的學習，了解課程在今后專業課學習中的作用，積累必要的力學基礎知識，通過課程學習具備比較熟練的力學計算能力，并具有一定的力學分析能力。

（二）“基礎力學”課程教育教學現狀與存在的問題

1.理論講授與實際工程聯系不緊密

雖然“基礎力學”課程是工科專業的基本課程，但其教學內容滯后，知識體系過于煩瑣，偏向于理論推導，無法適應科技的發展步伐，也不能緊隨計算機的快速發展和其在各行業的普遍使用，這并不能滿足現代的、高質量的人才培養需求。此外，工科“基礎力學”課程對理論的深入解釋較多，對實際工程應用的研究明顯不足，特別是缺乏將實際問題轉化為力學模型這一重要步驟。在教學過程中，過于注重理論知識的教導，而忽視了實際技能和方法的培養，因此學生的實際應用能力難以提高。

2.學生的學習主動性不足

一方面，教育教學改革持續深化，導致“基礎力學”的課程時長持續縮減，同時教學進度中的課程布置過于緊密，難以為學生提供額外學習的空閑時間，這使得絕大多數學生沒有充足的時間把握“基礎力學”的知識點，從側面反映了學生學習的主動性和積極性不夠。另一方面，力學專業的“基礎力學”對數學知識要求高，不適合非專業力學學生的學習；而有很多非力學專業的“基礎力學”，涉及的力學內容較多，由于大部分處于地方的農林院校，學生數學基礎普遍較為薄弱，因此在教學過程中學生反應難度太大，許多內容接受程度有限。在“基礎力學”課程的日常教學中，要盡可能地調動學生學習的主動性與積極性，提升學生的學習能力。

三、新工科背景下“基礎力學”課程教學探索

“基礎力學”是工科學生的基礎教育核心課程，學習期間處于由基礎理論課向專業課過渡的階段。目前在培養學生的動手能力、創新能力、工程意識、解決實際問題的能力等方面存在不足，不能很好地支撐培養“新工科”提出的具有工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才目標。

（一）打基礎、重實踐

針對地方農林院校工科學生以“應用為主”的特點，盡量減少數理推導及論證，加強分析方法及思路的講授；著重于學習能力、學習方法及應用能力的培養，力求在潛移默化中得到提高學生的科學素質及創新能力。基于新工科背景，可以從課堂教學、實踐教學以及課程考核等方面，對“基礎力學”教學方法進行改革探索，新工科背景下“基礎力學”課程教學方法示意圖見圖1。

從教學方法出發，加強“基礎力學”課程的關鍵銜接，重實踐，少理論推導，在每一章內容編排上，先介紹工程背景及問題提出，再介紹模型簡化，引出基本原理及方法，然后綜合應用，最后是研究結論及討論等開放性教學素材。實現學時少、內容新、效果好、授之以漁的應用型復合人才培養總體目標。

特殊設計教學環境，將學生進行分組，在課前線上學習的基礎上，引導學生在課堂上開展充分討論，并且將教學內容進行分割，既要考慮到夯實基礎，也要有難度進階，有一定的挑戰性，經過小組的合作能夠順利解決問題。將部分課堂教學時間交給學生，并為學生做好優質教學資源的選取工作。學生完成在線的學習后，利用課堂部分時間共同探討拔高性問題。課堂探討內容主要來源于專業課及生活中的力學問題，不僅有助于提高興趣，通過解決趣味力學問題，培養學生工程意識及解決實際問題的能力。

在前期已形成的基于長江·雨課堂等智慧教學工具的輕度混合式教學的基礎上，進一步進行深度混合式教學，同時開展互聯網實驗教學。為優化教學模式，構建了一個全方位的教學系統，涵蓋課前、課中、課后學習。也就是將教學時間從課中延伸到課前和課后，同時將學習空間從教室擴大到寢室和其他可能的學習場所。教學資源不僅限于教科書，還拓展到了包括線上線下各種媒體和資源的范圍內。所有這些擴展都是從學生的學習習慣和能力出發，旨在提升學生的學習效果。

（二）促進以學生為中心的課程教學改革

為了滿足當前高等院校教學的實際需求，運用新的教學理念，教學內容注重與工程實際應用相結合，易學、易懂、易記，采取模塊式、導圖式編法、啟發式教法，著重培養學生力學知識的分析能力及綜合應用能力，進而增強學生創新思維意識。從人才培養目標出發，深入研究知識目標、能力目標和素質目標的教學培養模式，打造優秀的師資團隊，促進以學生為中心的課程教學改革，導圖如圖2所示。

在教學過程中強調以學生為中心，結合“基礎力學”實驗，有效運用現代化教學手段開展線上線下靈活多樣的教學方式，科學地應用雨課堂、網絡平臺等先進教學模式，提升教學質量，提高學生學習的積極性。

增加國內外“基礎力學”及力學結構系列課程教改新成果，充分利用信息技術和影像素材及優質理論力學教學資源，通過二維碼識別獲得更多信息及知識；重點突出總體思路、基本理論及基本方法應用。對于內容較抽象或者實踐性較強或者行業發展動態等信息量較大的內容，力求做到由淺入深，提高學生理解能力。重點培養學生應用力學知識解決工作中實際問題的能力，初步具有力學學習的能力，提升學生的綜合素養，為其職業生涯發展和終身學習奠定基礎。

（三）增加工程實例教學內容

增加我國先進的工程建設、機械制造案例，增強學生的民族自豪感和愛國情懷。課程力求做到內容精煉，由淺入深，便于自學，并特別重視反映現代水利工程、土木工程、農業工程的特點，以培養和造就“厚基礎、強能力、高素質、廣適應”的復合型應用人才為宗旨，在講授“基礎力學”基本概念、基本原理和基本方法的基礎上，力求實現在體系上和內容上的更新，為學生今后繼續學習和掌握新方法、新技術提供必要的“基礎力學”基礎知識，也為學生的獨立思考留有空間，以利于創新能力的培養。

“基礎力學”是工科專業的基礎課程，通過力學模型建立，讓學生掌握分析力學問題由淺入深，從點到面。從具體的教學內容上看，理論力學可以由點的矢量法延伸至衛星發射定位，進而引入我國航空航天成就，樹立民族自豪感和責任意識。根據剛體平移引申至汽車的運動，引入近年我國新能源汽車發展及彎道超車，提高對力學學習的興趣。從動力學基本定理中進一步了解力學奠基人牛頓，分享力學領域科學家們的經驗。生活中力學無處不在，花滑動作各異影響加速減速、齒輪的設計對剛體的轉動慣量的影響，培養學生對力學知識的探索。材料力學可以從工程實例出發，結合力學知識豐富課程內容，例如，現澆混凝土房屋、大型橋梁、大型體育場鋼架、鋼木組合桁架、起重機吊裝重物、鉚接頭中的鉚釘或螺栓、水輪發電機的主軸、房屋建筑中的大梁等。

對于農林院校的工科專業“基礎力學”課程，使廣大農林院校工科類教師能夠更加準確地了解新時期“基礎力學”課程的任務和教學目標，能夠準確掌握新版大綱所規定的教學內容，能夠對課程教學質量的提高起到保障作用。

結語

推動新型工科教育建設是工科專業教育的必然趨勢，為新時代高等教育教學改革打下了堅實的基礎。作為工科專業基礎課程的一部分，“基礎力學”在當前的課程教育教學模式下需要進一步深入研究專業認證理念，積極尋找新工科背景下的教育教學新模式。基于專業認證的畢業要求，指導學生在掌握專業技術能力的同時，培養創新能力和工程實踐能力。進一步將工程實踐的內容貫穿在整個教學過程中，使“基礎力學”課程成為工科學生培養過程中的關鍵部分，對于推動土木、水利、機械等行業的發展具有至關重要的作用。

參考文獻：

［1］張海生.“新工科”的內涵、主要特征與發展思路［J］.山東高等教育，2018，6（01）：3642.

［2］周海龍，李昊，王海龍.淺析新工科背景下產學研協同創新研究生培養機制［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2022（04）：79.

［3］薛慧君，劉鑫，侯雨豐.課程思政與專業認證協同育人下鋼結構課程教學模式探索［J］.科教文匯，2022（08）：7881.

［4］朱海清，徐豐，周麟.工程教育認證背景下土木工程專業結構力學課程教學設計［J］.西部素質教育，2021，7（21）：162164.

［5］李勇，王琛，戴峰.新工科背景下基于WACOM與雨課堂的基礎力學課程教學改革實踐［J］.高教學刊，2022，8（24）：140143.

［6］李曉麗.雨課堂助推材料力學教學改革實踐探索［J］.大學教育，2022（03）：98100.

［7］張燕.理論力學課程教學改革探究［J］.西部素質教育，2018，4（13）：174175.

基金項目：內蒙古農業大學教育教學改革研究項目（KTJX202309；KTJX202307）；教育部產學合作協同育人項目（201902198004）

作者簡介：賀云（1989—?），男，漢族，內蒙古烏蘭察布人，博士，講師，研究方向為基礎力學課程教學改革；李曉麗（1969—?），女，漢族，內蒙古赤峰人，博士，教授，研究方向為基礎力學課程教學改革及一流課程建設；薛慧君（1989—?），男，漢族，內蒙古包頭人，博士，講師，研究方向為土木工程教學改革；杜娟（1988—?），女，漢族，山東泰安人，博士，講師，研究方向為統計學教學改革。