“周培源大学生力学竞赛”对力学教学的创新

贾 杰

(东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引 言

“全国周培源大学生力学竞赛”是教育部高教司主办的大学生科技竞赛项目，其目的在于培养人才、服务教学、促进高等学校力学基础课程的改革与建设。截至目前，该竞赛已经举办了9届，其影响规模、竞赛水平得到全国各高校的认可。笔者从第七届开始作为东北林业大学的主要指导教师组织、辅导学生参加该竞赛，已连续参与了3届，本文将此过程中得到的经验、体会与力学教学创新相融合，总结如下。

1 对课堂教学的创新推动

高等院校对于素质教育的要求越来越高，怎样让学生在有限的时间内掌握更多的知识和最新的技术方法是一个亟待解决的问题[1-4]。

1.1 引入探究式教学模式

力学课程的特点是基础理论概念比较抽象，理论性较强，从力学模型提出到理论建立，往往需要应用抽象化的方法对研究对象加以分析、归纳、综合和数学推演，对学生而言并不容易[5]。然而正是因其不容易，教师更要发挥学生学习的主动性，否则课程学习将变得十分枯燥。“全国周培源大学生力学竞赛”的开展一方面是为增进大学生学习力学的兴趣，吸引、鼓励广大青年学生踊跃参加课外科技活动，另一方面有助于发现和选拔力学创新的后继人才。结合竞赛，我校力学教师变革传统教学模式，在教学过程中引入探究式教学，学生在学习概念和原理时，教师精心设计，提出难度适宜的一些事例和问题，让学生自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论、听讲等途径去独立探究，自行发现并掌握相应的原理和结论[6]。比如，在讲授轴向拉压的时候设问“箱包的什么部件最容易损坏？在拖着箱包行走的过程中，拉杆发生了何种变形？”在讲授压杆稳定的时候设问“如何定量分析击剑运动员刺中对方时在剑中发生的力学现象？”和“加大拿魁北克大桥倒塌的原因是什么？”这些问题结合了现实生活中的力学问题，创设了问题情境，引发学生主动思考的兴趣。探究式教学模式突出了学生的主体性地位，让学生主动地探索科学原理，掌握认识和解决问题的方法和步骤，这种教学方法有助于培养出具有创新意识和创新精神的人才。

1.2 应用网络教学平台

“全国周培源大学生力学竞赛”的考试内容主要包括“理论力学”和“材料力学”，以材料力学为例，教师在授课过程中发现：该门课程涉及的公式推导较多，比如关于梁横截面上正应力计算公式的推导需要分别从几何方面、物理方面、静力学方面来加以考虑；课程中有很多抽象的概念很难用语言或文字简单表达，比如复杂应力状态和广义胡克定律；教材中一般都是比较成熟经典的知识，学科的研究热点、发展应用现状介绍不够[7]。针对这些问题，传统的板书式教学或单向的多媒体教学均难以有效解决，为此，东北林业大学创新推进使用网络教学平台(见图1)，这种利用多媒体和流媒体技术，通过网络表现教学内容和实施教学活动的教学手段，使得学生可以利用课前和课后的时间浏览使用该教学平台，作为课堂学习的补充和延展，教学平台上丰富的课外资源也成为学生了解、参与力学竞赛的窗口，进一步提高了学生学习的积极性。

图1 东北林业大学材料力学网络教学平台

1.3 推行分阶段考试方式

“全国周培源大学生力学竞赛”尽管是在基础知识上进行拔高，但其根本还是对学生力学原理和基本理论学习的考核，从历次带领学生参与竞赛的经历看，教师发现最终能够在比赛中取得好成绩的同学往往对基础知识掌握十分牢固。东北林业大学目前对部分课程试点采用分阶段考试方式，基础力学课程均涵盖其中，这不得不说是一个具有前瞻性的探索。这种对考试方法的改革在一定程度上效仿了国外大学对学生的测评方式，区别了过去“一次定输赢”学生评价办法，重视了学生的学习过程。具体做法为：期末成绩=平时成绩+实验成绩+第一次考试卷面成绩×20%+第二次考试卷面成绩×20%+第三次考试卷面成绩×20%+期末考试卷面成绩×20%。其中，平时成绩按照出勤情况、作业完成次数及质量给出；实验成绩按照4次实验完成质量(预习、操作、实验报告)给出；课程测验(3次)和期末考试采取闭卷考试形式(百分制)，按照评分标准给出。分阶段考试方式促使学生边学习边检验，对所学知识掌握更为牢固，也就具备了参与高水平竞赛的基础。

2 对实验教学的创新推动

实验教学是高等教育中不可缺少的重要教学环节，具有直观、实践性强与有助于更好地理解理论知识等特点[8-10]。“全国周培源大学生力学竞赛”将实验创新能力的培养提高到与理论创新能力同样的高度，从第六届竞赛开始，进行基础力学的团体实验竞赛，以促进学生实验动手创新能力和团队合作创新精神的培养，这种做法无疑对本科力学实验教学创新起到了很好的推动、促进作用。

2.1 开放式实验室

实验室是教学实验的重要场所，为支持学生的科学研究，我校力学实验室实行开放式实验室管理制度。过去封闭式实验室虽然保障了实验设备的安全，降低了实验教师的工作量，却也造成实验室利用率低下，资源设备闲置，以及学生对实验兴趣缺乏，为应付考试而完成实验等问题。开放式实验室对学生科技创新能力的培养发挥着巨大作用，它使学生变被动学习为主动学习，为学生提供更多动手的机会，这对提高学生独立思考、独立操作能力的培养以及从事实验研究兴趣的激发是非常重要的。

我校力学实验室的开放制度主要强调以下3个方面：①根据不同层次、不同专业的学生和要求，确定开放内容，不仅鼓励学生参与教师课题的研究，学习解决实践性和研究性问题，更提倡学生自拟实验课题，进行小发明、小设计和小论文等课外科技活动，在实验过程中，指导教师注意加强对学生实验能力、创造性思维方法和严谨治学态度的培养。②鼓励学校各级社团、兴趣小组利用实验室资源进行学术讲座、培训活动，实验室提供一切可能的便利条件，此举主要为培养大学生的学习兴趣和创新意识。③实验教师注意收集、管理学生的科学研究成果，设置相应的规章制度，督促学生在实验完成后向实验室提交实验报告或论文等实验结果，同时，实验室做好成果和论文的推荐发表工作，也由此保护学生的实验学习热情。

2.2 团队协作学习

团队协作学习是一种以协作学习小组为基本形式，调动教学系统中一切积极因素，促成学习者积极互动，主动探索，并以团体绩效和组员成绩有效结协作为整体评价体系的新的教育方法[11]。“全国周培源大学生力学竞赛”的团体赛采用团队课题的研究方式进行，这就要求学生相互合作，彼此保持默契，而这些非一朝一夕就能练成。因此，我们在平时的力学实验教学中特别注意培养学生的团队精神，以团队协作学习组织学生参与实验。具体做法为：结合开放式实验室制度，以大学生创新训练项目等学生科技活动为切入点，由学生自愿组成学习小组，选定指导教师，形成小组式学习团队。在团队中，因学生有共同的学习目标，协作时能够相互监督、彼此促进，在教师的指导下求同存异的学习。这种协作学习方式使得学生增加了相互之间的交流，对科学研究问题的认识更为深入，既激发了个体学习的潜力，也培养了学生的团队责任意识。同时，教师与学生的关系从“一对多”的形式变为“一对一”，指导教师对学生学习过程的掌控也更加有效。

2.3 虚拟实验系统

在实验教学创新的洪流中，力学虚拟实验已经被多次提起。虚拟实验系统作为真实实验仪器的补充，可以在计算机上完成全部实验过程，由此大大降低了学生实验成本，也弥补了学生人数过多所引发的实验条件不足，同时降低实验的危险性，更方便学生在课余时间预习、复习，节约实验时间[12]。这些优势逐渐得到各高等院校的认可，在力学实验教学中采用虚拟实验系统也成为我校努力的方向。在实践中，力学教研室教师积极探索使用Matlab、有限元、计算机数值仿真技术开发虚拟实验平台。例如，利用Matlab仿真模拟圣维南原理点荷载的施加，避免了真实实验无法准确实施，实验难度过大的问题，学生通过计算机学习实验过程，增加了直观性，有效地加深了学生对圣维南原理的理解；还有低碳钢拉伸的实验，通过虚拟演示不仅可以使学生熟悉实验过程，还可以使学生清楚地观测到低碳钢在屈服时加载力表盘指针的摆动以及试件表面45度滑移线的产生，实验最后还可以观测到颈缩的产生以及试件断面的情况[13]，增加了实验学习的趣味性，提高了教学效果。

3 对教师能力提升的推动

参与“全国周培源大学生力学竞赛”不仅激发了学生学习的兴趣，教师的教学、科研和教学改革能力也因此得到了大幅度的提升。

3.1 教学能力

指导学生参加“全国周培源大学生力学竞赛”，教师的教育、教学理念得到升华，每一名力学教师都更加重视自身的教学水平与教学能力，不断磨练教学基本功。东北林业大学没有本科力学专业，力学教研室挂在土木工程学院，在指导学生参加竞赛的过程中，教师首先对自身的教学能力进行了审视，为更好地发现、弥补不足，专门前往省内其他院校交流学习，特别是哈尔滨工业大学，其力学是国家重点的一级学科，教师们在听课、交流、学习的过程中找到了差距，提升了自身的素质，在之后的教研室内部讨论学习过程中又进行了二次总结和提炼，实现了教师之间隐性知识到显性知识的转化过程，以及教师团队的内部知识共享。教学活动的实践效果也尤为突出，以力学教研室的青年教师为例，两名教师在连续两届东北林业大学青年教师教学竞赛中获得一等奖第一名，后一人又代表学校在黑龙江省高校第二届青年教师教学竞赛中获得工科组一等奖。

3.2 科研能力

教学与科研是彼此促进、相互增长的，力学教师在教学过程中需要丰富的专业知识来提升自身授课水平。“全国周培源大学生力学竞赛”将竞赛安排在全国力学大会上颁奖，以促进学生从本科阶段就开始了解和接触高水平的力学前沿研究，而这一举措对于高校教师科研能力的提升也具有重要意义。教师带队参与竞赛的过程中，有机会与力学领域的专家接触、交流，了解最新的研究动向，引发科学研究兴趣，找到适合自己的研究领域，也能够与兄弟院校的教师相互切磋，取长补短，这种“走出去”的方式，不仅开拓了学生的视野，也增加了教师学习、成长的机会，对于教师科研能力的提升十分必要。

3.3 教学改革能力

东北林业大学力学教学团队在辅导学生参加竞赛的过程中，不断发现教学方面的不足，认真思索分析后对所讲课程开展适当的教学改革，教研室近年来在教学改革方面取得如下成绩：主持省级教改项目2项，校级教改项目3项；“理论力学”课程被评为校级精品课，“材料力学”、“工程力学”被列为东北林业大学重点课程建设项目；主编出版科学出版社教材《材料力学》、《理论力学》、《工程力学》，清华大学出版社教材《力学实验教程》；发表教学研究论文6篇，其中2篇分别获得黑龙江省高等教育教学成果二等奖和黑龙江省高等学校教育技术论文评比二等奖。当然这些还远远不够，力学作为工科学生的基础课程，其重要性不言而喻，以竞赛和各类科技创新活动检验学生学习的效果，寻找教学上的欠缺之处，实行教学改革，从根本上提高力学教学质量势在必行。

4 结 语

“高等学校本科教学质量与教学改革工程”的建设内容中提到：继续开展大学生竞赛活动，重点资助在全国具有较大影响和广泛参与面的大学生竞赛活动，激发大学生的兴趣和潜能，培养大学生的团队协作意识和创新精神[14]。培养具有工程能力和创新能力的人才，是建设创新型社会和国民经济的发展对高等教育提出的要求[15]。以“全国周培源大学生力学竞赛”为契机，创新力学教育教学模式，探索出一条大学生课堂学习和课外实践相结合的素质教育途径，切实提高基础力学教学效率和教学效果。

[1] 冯英先,徐志洪.工程力学实验教学改革的探索[J].实验室研究与探索,2004,23(6):64-65.

Feng Ying-xian, XU Zhi-hong. Exploration to the Teaching Reform of Engineering Mechanics Experiment[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2004, 23(6):64-65.

[2] 曾海燕.材料力学实验教学改革实践[J].理工高教研究,2004,23(2):129-130．

[3] 张能武,周斌兴.材料力学实验教学改革的思路[J].中国现代教育装备,2006(10):40-41.

[4] 张能武.材料力学实验教学与工程素质的培养[J].中国现代教育装备,2007(7):46-47.

[5] 王 军,李校兵,潘林有.新形势下《材料力学》课程教学改革研究[J].高校教育研究,2008(5):159.

[6] 探究式教学法[EB/OL].

http://baike.baidu.com/link?url=GaUUpNKdUG5avNwF2YpNz-QncdGyD4qUOEfvej7IvlIAJU780eJrpRTCPxUTBsk21phK8qw4JxZ_73vovesfAsK，20130103.

[7] 贾 杰.基于网络教学平台的材料力学课程教学改革[J].黑龙江教育,2013(5):48-49.

[8] 宋爱平,李益民,周骥平,等.优化实践教学,提高学生创新能力[J].中国大学教学,2005(10):36-37.

[9] 谢占魁.改革基础力学实验教学模式[J].实验室研究与探索,2006,25(4):495-497.

Xie Zhang-gui. Reforming the Teaching Mode of Basic Mechanics Experiment[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2006,25(4):495-497.

[10] 邓坤臣.基础课实验教学示范中心建设工作的探索与研究[J].实验技术与管理,2006,23(6):88-90.

Deng Kun- chen. The Exploration and Research of Fundamental Curriculum Teaching Model Experiments Center Building[J]. Experimental Technology and Management, 2006, 23(6):88-90.

[11] 在团队协作学习中体验创业教育的真实内涵[EB/OL].

http://www.kab.org.cn/content/2009-02/28/content_2559997.htm，20130103.

[12] 马少鹏,水小平,马沁巍,等.力学虚拟试验系统及其在实验力学教学中的作用[J].力学与实践,2012,34(3):65-66.

[13] 蔺海晓,岳高伟,杨大方.材料力学虚拟演示实验的应用与教学[J].实验技术与管理,2012,29(5):124-126.

Lin Hai-xiao, Yue Gao-wei, Yang Da-fang. Application and teaching of virtual demonstration experiment in material mechanics. Experimental Technology and Management, 2012, 29(5):124-126.

[14] 高等学校本科教学质量与教学改革工程[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/3550515.htm，20130103.

[15] 邓宗白,陈建平,范钦珊,等.在基础力学教学中强化工程能力和创新能力的培养[J].中国大学教学,2011(11):26-28.