力学基础课中培养学生应用能力的探索与实践

于月民 孙立红 闫龙海

（黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150022）

一、研究背景

力学基础课是工科专业的基础课，是培养学生工程意识的启蒙课程，对培养学生的工程素质和处理工程问题的能力具有重要作用。传统的力学基础课教学是以学科知识为核心，以课堂讲授为主，对学生应用能力培养不足。随着我国经济的快速发展，知识和技术密集型产业增多，社会对人才的需求呈现多元化特点。为更好地适应各层次、各级别的社会需求，各高校必须从过去的精英教育模式向大众化教育模式转变，应用型本科人才培养由此应运而生[1]。对于培养应用型人才的高校，如何在力学基础课教学过程中培养学生的应用能力，提高人才培养质量，成为力学基础课教学改革的关键。

二、力学基础课中培养学生应用能力的实践

培养高素质的应用型人才，要构建新的课程体系，更新教学内容、教学环节、教学方法和教学手段，全面提高教学水平[2]。CDIO工程教育模式，是近年来国际理工科教育改革的最新成果。CDIO 是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）4个英文单词的缩写，是“做中学”和“基于项目教育和学习”的集中概括和抽象表达。实践证明，按CDIO模式培养的学生深受社会与企业欢迎[3]。

为培养具有扎实理论基础知识的应用型工科人才，黑龙江科技大学根据力学基础课教学的实际情况和学生的专业特点引进CDIO工程教育理念，将其与学校“大工程、大德育、大实践”的应用型人才培养教育理念[4]相结合，按模块化构建包含理论教学体系和实践教学体系的兼顾知识、能力和素质培养“三位一体”的力学基础课教学体系框架（见图1），对理论教学和实践教学进行改革创新。

（一）改革理论教学，夯实力学知识基础

长期以来力学基础课的理论教学过于关注理论知识的灌输，以教材为唯一依据，从书本到书本，从概念到概念，理论教学与工程实际相脱节。这种教学方式必然导致学生“坐不住”“听不进”“学不懂”，更不会运用力学知识分析工程实际问题。在模块化的力学基础课教学体系框架中，理论教学体系包括基本理论、综合应用和综合设计三个模块：基本理论突出基本概念、基本理论与基本方法的讲授。在综合应用模块中，结合工程实际讲授相关知识点，强调理论知识与实际应用相结合。综合设计作业侧重培养学生理论应用于实际，解决实际工程问题的能力。

图1 模块化力学基础课教学体系框架

1.实施案例式教学法。案例教学法要求教师通过典型教学案例，引导学生参与分析、讨论和总结，在问题情境中积极思考、主动探索，得出结论或解决方案，从而深化对相关理论的认知和对科学知识的系统掌握。

力学基础课的概念抽象，缺乏工程实践经验的学生很难将力学课程的内容与工程和生产实际联系起来，遇到实际的工程问题时，会感到无从下手。为培养学生的工程意识和工程素质，提高学生建立力学模型解决实际工程问题的能力，根据学生的专业特点选取工程实例作为教学案例进行讲解，使学生在分析工程实际问题过程中掌握相关力学理论。理论教学中，将实际工程经验和案例引入课堂，体现了“大工程”教育理念。

为更有效地实施案例教学，根据教学内容选编教学案例，组建力学基础课教学案例素材库。案例的选择要考虑以下因素：一是工程性，即所选案例具有一定工程背景。二是典型性，即所选案例应具有代表性，充分体现力学课程的理论知识。三是适当性，即所选案例难易适中。案例太简单，容易得出答案，难以激发学生的学习兴趣；案例太难，学生难以入手进行分析，减弱学习积极性。四是关联性，即所选案例应与学生专业密切关联。还可在案例中利用工程图片和录像，让学生直观地了解工程实物，增强感性认识。如，例举建筑工程中塔吊的平衡问题，介绍工程力学中平行力系的平衡理论；例举振动筛的运动学问题，介绍理论力学中的曲线平动理论；例举建筑工程中梁的放置问题，介绍材料力学中弯曲正应力和弯曲强度条件。

2.编写案例式教材。为配合力学基础课的案例教学，力学教研室组织具有丰富教学经验的一线教师编写力学基础课案例教材。教材以工程为背景，强化基本概念、基本理论和基本方法，通过大量案例阐述分析问题、解决问题的思路及方法。将工程教育、自然科学教育与人文社会科学教育相融合，使学生在掌握力学知识和基本技能的同时，工程素质和应用能力得到培养。

3.布置综合设计作业。根据学生的专业特点确定综合设计作业的题目，如对机械专业的学生布置机械传动装置的综合设计作业，对土建专业的学生布置桥梁的综合设计作业。学生充分利用所学力学和相关专业知识，以团队协作的方式完成。设计过程中，不仅培养学生解决实际工程问题的能力，还可培养其建模、分析、设计和计算等综合能力以及一丝不苟的学习和工作态度，体现“大德育”教育理念。综合设计作业不仅实现“学中做、做中学”，达到以“用”导“学”、以“用”促“学”的教学目的；同时实现课内与课外、理论与实践、基础与专业的结合，达到为专业课服务的目的。

（二）改革实践教学，提升工程应用能力

在模块化的力学基础课教学体系框架中，实践教学包括课程实验和科技活动两个模块，重点培养学生的动手能力和工程应用能力，体现“大实践”教育理念。

1.改革课程实验教学。实验教学环节是学生实践能力培养的重要环节，是理论联系实际和验证理论的重要手段。课程实验分为基础性、设计性和综合性实验。基础性实验主要是演示性和验证性实验，培养学生基本实验技能。设计性和综合性实验教学可提高学生分析问题和解决问题的能力，促使学生独立制定实验方案、设计实验步骤、完成实验。改革课程实验教学体系与内容，实现验证性实验向设计性和综合性实验的过渡，扭转学生在实验过程中被动学习状态，有利于提高实验教学质量。黑龙江科技大学在机械专业和土建专业对材料力学实验单独设课。并与开设理论力学课程的机械和土建专业教师对接座谈，了解到学生后续专业课程运用理论力学中振动力学的内容较多，在机械和土建专业的理论力学课程中均增设8学时的振动实验。

2.积极开展科技活动。科技活动包括大学生力学竞赛、大学生科研立项和创新设计竞赛。开展以实际工程为背景的大学生科技活动，能够培养学生的动手能力、创新能力、团队协作意识、工程实践能力和综合应用能力。从2002年开始，全校范围内开展力学创新设计大赛、力学双语竞赛和力学理论与应用设计大赛。从2004年开始，学校参加由中国力学学会和周培源基金会组织的第五至八届全国周培源大学生力学竞赛和由黑龙江省力学学会组织的第一至四届黑龙江省高校结构设计大赛。通过参加校内外科技活动，学生制作与课程内容相关的力学结构模型、电子课件和动画，并对现有工程结构进行初步分析，将力学理论与工程实际联系起来，学生实践能力得到提高。

大学生科研立项项目将科研工作的内容、研究方法和手段融入实践教学，以实验室为实践基地，利用先进实验仪器设备，培养学生的科研实践能力。此外，为提高学生实验知识在实际工程中的应用能力，以实际工程结构的强度应力测试与分析为内容，组织开展大学生创新设计竞赛。先由学生提供设计方案，审核通过后，进行工程结构设计、制作、实验及从强度要求论证工程结构设计的合理性，再提出工程结构的改进方案，全部工作均由学生独立完成。答辩委员会对每项作品的设计、制作、实验和现场答辩等环节进行评定。这种真题真做的竞赛受到学生普遍欢迎，提高了实验研究与操作能力[6]。

（三）改革考试内容，实现应用能力考核

力学基础课原有考核方式中，期末考试所占比重较大，未体现对学生应用能力和实践技能的考核。根据应用型人才培养要求，结合学生实际情况，对考核内容进行调整。一是对二、三表学生实施分类考核，把“学会了什么”作为考核目标。二是加强对平时学习的监督，将平时成绩和期末考试结合，实施分阶段、全程性的评定考核。其中平时成绩占30～40分，期末成绩占60～70分。三是从学习态度、基本知识、综合知识、应用能力和实践能力五方面出发，全方位、多角度地测评学习成果。通过考试改革，引导学生从注重“考试结果”向注重“学习过程”转变，增强学生学习主动性。力学基础课综合素质评价体系各项权重系数如表1所示。

表1 力学基础课综合素质评价体系权重系数

力学基础课综合素质评价体系中，平时成绩的考核内容包括阶段测验、综合设计作业、课程实验、平时作业、课堂笔记、课堂表现和出勤情况等部分。其中，阶段测验侧重考核学生基础知识的掌握情况，使教师可根据反馈信息及时调整教学进度。综合设计作业的布置结合学生专业和工程实际，考核学生运用基本原理、基本方法解决实际工程问题的能力，同时培养学生利用图书资料、校园网和光盘检索等工具处理信息的能力。

三、应用能力培养取得的成效

在力学基础课教学中引进CDIO工程教育理念是一次全新尝试。通过对我校2011级力学基础课进行基于CDIO工程教育理念的教学改革，实施二、三表分层次教学和分类考核，夯实了学生应用基础，学习质量得到提高。通过对2010级和2011级学生力学基础课成绩进行统计：改革前的2010级力学基础课中工程力学课程二表生及格率为90%，三表生及格率为85%；理论力学课程二表生及格率为80%，三表生及格率为85%；材料力学课程二表生及格率为91%，三表生及格率为85%。改革后2011级力学基础课中工程力学课程二表生及格率为90%，三表生及格率为96%；理论力学课程二表生及格率为81%，三表生及格率为88%；材料力学课程二表生及格率为98%，三表生及格率为89%。

通过实践教学改革，学生应用能力得到提升，在国家级和省级力学竞赛中取得丰硕成果。在周培源全国大学生力学竞赛中，我校共获国家三等奖2人、国家优秀奖4人、省级一等奖9人、省级二等奖16人、省级三等奖20人，获得优秀组织奖1项。黑龙江省大学生结构设计竞赛中，我校学生共获得二等奖3组，三等奖16组，优秀奖3组，获得团体二等奖3项，优秀组织奖2项。通过竞赛活动，学生将所学的专业知识运用到实践中，激发了创新意识，培养了科学思维，提高了动手能力，调动了学习力学课程积极性，达到以赛促学的效果；通过参与教师科研，学生培养了自身科研意识和科研能力，自制力学实验设备2套，发表EI检索论文1篇，申请专利2项。

四、结语

应用型人才培养是一项长期工作。在力学基础课的教学改革中，存在如何进一步调整和完善教学计划，强化对在职在岗教师实践教学环节的培训，培养和提高实践教学师资力量等问题，今后需深入探索和实践，进一步深化基于CDIO教育理念的兼顾知识、能力、素质培养“三位一体”的教育模式改革，将“大工程、大德育、大实践”的应用型人才培养教育理念融入各个教学环节。

[1]朱福兴,上官敬芝.应用型本科院校人才培养模式改革探析[J].经济研究导刊,2008(18).

[2]秦悦悦.高校应用型本科人才培养模式研究与实践[D].重庆:重庆大学,2009.

[3]王伟,王殿君,申爱明.基于CDIO人才培养模式的机械电子工程专业实践教学体系的改革与探索[J].安徽师范大学学报,2010,33(2).

[4]赵国刚.实施特色发展战略着力提升办学质量[J].中国高等教育,2012(18).

[5]伍少霞.案例教学法在高校思想政治理论课中的应用[J].黑龙江教育,2010(2).

[6]缪正华,杨德生,赵国臣.力学实验教学创新与改革[J].实验室研究与探索,2008,27(3).