土木工程专业力学课程群的整合和优化探讨★

金春花 徐小丽

(南通大学交通与土木工程学院，江苏南通 226019)

力学是土木工程专业面向工程设计和应用的重要技术基础课程，是架设基础课程到专业课程的一个桥梁，尤其对于结构强度工程师而言，力学是根基。当前随着专业培养计划的不断修订，力学课程的学时一再被压缩，而后续专业课对力学基础知识的要求却不降反升，应用型人才、复合型人才、“现场工程师”等新型人才需求对力学的教学不断提出更高的要求。因此，土木工程专业的力学教学迫切需要进行整合和优化，从课程群的角度建立新的力学知识体系，从而适应新形势下的人才培养目标。

1 整合教学内容，建立模块化大体系

课程群不同于课程建设的一个重要标志是课程内容和课程体系的改革［1］，它讲究系统性，在力学课程群建设中，教学内容的整合是第一步。近年来，模块化的呼声越来越高是由它的优越性决定的。在重组知识点时，删除课程间的重复内容，不强求单门课程内容的完整性，而是面向全局，面向工程实践，打破原有的壁垒，融合重塑全新的知识模块，在夯实基础的同时强调知识的应用性。模块化的知识结构既可以单列又可以融合，符合当前的形势和需求。土木工程专业的力学课程主要指理论力学、材料力学和结构力学(俗称三大力学)。力学课程群的建设主要就是围绕这三门课的教学展开。在内容的整合时，主要有以下关键几点:

1)理论力学教学中，静力学部分是土木专业学习的重点，特别是物系的受力分析和约束反力的求解直接服务于后续材料力学和结构力学课程，所以需要重点讲解。而在后续梁的强度、刚度和稳定性学习中就可以简单提及，不再占用学时进行重复教学;在力和力矩的概念学习时，由于高中和大学物理中已经学过，所以就可以直接用，而把有限的学时放到力偶和空间力矩等新的知识点上去;对于平面简单桁架部分，早期课程基本用不到，所以可以直接放到后续的结构力学进行详细讲解。对于运动学部分，可以略去已经在大学物理学过的简单运动计算，只对常用的公式进行简单回顾，而将学时重点放在点的合成运动和刚体的简单运动这两部分，并加深扩宽，引入经典工程实例进行重点讲授。动力学部分的动量定理、动量矩定理和动能定理在大学物理中也作为重点知识学习过，所以简单提及公式及运用的注意事项，而把重心放到知识的运用上，结合案例进行讲解对提高学生现场应用能力和综合分析解决问题的能力大有益处。2)材料力学教学中，主要任务是解决材料的刚度、强度和稳定性计算问题。因此，教学中围绕这一主线展开，并以拉伸和压缩、剪切、扭转和弯曲为四大基本模块依次讲授，并注重模块间的共性和差异，打牢基础知识，然后再讲解组合变形。其中利用积分法求梁的挠曲线方程部分，可以略去高等数学计算部分，并把单位载荷法的知识移到后续结构力学进行重点讲授。超静定结构求解、刚架内力图绘制以及能量法的应用等知识也都是材料力学和结构力学的重合部分，也是后续结构力学的主要学习任务，所以在材料力学学习中可以删减，而把有限的学时放到实验中去，培养动手能力，提升实验实践能力。3)结构力学教学中，由于对理论力学静力学部分(特别是支座反力的求解)以及材料力学的内力图的绘制(特别是梁的内力图的绘制)依赖性很强，所以该部分内容仍需要反复练习，进一步提高解题速度。但同时需要删除一些理论性强，学时占用较多的章节，例如虚功原理的证明。此外，基于学时限制，对于一些较复杂的结构(例如拱、组合结构、间接荷载作用下的结构等)则需要进行删减，弱化笔算教学而利用各类现有软件，代之以电算进行。例如结构力学求解器和PKPM软件等。这和“卓越工程师”培养的理念也相符合。

2 改革实验体系，培养大局观念

将三大力学的内容从力学课程群的角度进行重新洗牌整合的过程中，修订教学大纲是核心环节。从以往的教学大纲来看，实验实践教学环节相对较少。例如材料力学的实验是课内实验，并不单独成课，实验课成绩纳入平时成绩进行考核，使学生忽视了实验环节的重要性。此外，内容也基本是验证性的演示实验，例如学生能够亲自操作的弯曲正应力实验也只是进行加载和读数操作，对于应变片的布局和黏贴操作由多功能实验台取代，虽然节省学时，但对于独立思考和独立研究能力的培养不利，缺乏大局观念。因此，针对当前力学教学中缺乏独立思考和实践操作的现状，以及中国力学学会开展多年的力学实验竞赛要求，我们借鉴国内知名高校的做法，把实验分为三个层次［2］。具体如图1所示。

图1 实验教学层次图

基础实验层次的实验主要包括金属材料的力学性能实验(拉伸、压缩和扭转性能)、弯曲正应力实验、弯扭组合变形实验。基础知识一定要保证是力学教师们的共识，这部分实验主要在于奠定力学实验知识与能力基础，在教学中要求不折不扣保证学时、场地和实际操作质量。

综合研究型实验重在能力、素质与个性能力的培养。实验性质也由验证性向综合探索型转变。综合实验往往是多门课程的交叉和融合，学生自由组队，自我管理，综合所学知识解决实际问题，例如薄壁复合梁实验。内容可以是以往的竞赛题也可以是老师自主命题。整个实验从内容、方案到报告设计全都由学生自主完成，这给学生们提供了一个很好的独立思考和创新的机会。试点改革的成效非常好，一扫以往程式化的教学模式，受到同学们的一致好评。

第三个层次就是创新、创造意识和能力的培养。这就需要结合力学教师的科研课题进行。三大力学均学完后，可以删选出一部分优秀的同学进入老师的课题，不管是大学生创新创业训练计划项目还是结构创新大赛都需要有前期练习的过程，参与其中才会迸发出新的想法和灵感，这对教师也是一种教学相长，不断提升的途径。实践证明，很多立志考研的同学都是由此收获自信和综合能力，渐渐打开科研之门的。

3 改革考核方式，确保可持续性

教学改革与创新模式最终都需要一个约束机制或是公平公正的考核评价方式。要求既保证学生均能参与其中，也能保证教学的初心，保质保量的圆满完成教学任务，还要具有可持续性。

本次力学课程群的考核评价主要从两个方面进行:一是期末考试，在常规试题外设计一个综合已学知识的力学附加试题，通常会抽掉一部分以往作为已知的条件，要求学生自己设计并建模，给出强度和刚度等分析的思路，在注重定量计算的同时要求给出部分定性的判断。既可以培养学生的综合和创新能力，也为力学竞赛的选拔给出了参考。二是平时成绩，除了平时课堂互动、单元测验、作业以及考勤外，基础实验考核单列，实行一票否决制，提高基础实验的地位。此外还加入综合实验部分的考核，把小组最终的平均得分作为组内每一位同学的平均得分，计入平时成绩之中。期末闭卷考试的成绩和平时成绩的比例设置在7∶3，多方位考核学生的学习成效，杜绝仅靠一张考卷定高下的弊端。

力学课程群的建设，涉及到理论和实践的方方面面，是土木工程专业学生专业学习的根本。整合三大力学的知识点，优化各个教学模块，并注重彼此间的联系是首要任务;保证基础实验，开辟丰富多彩的综合创新实验是新时代复合型人才的要求;公平公正的考核回归高等教育的初心。通过力学课程群的改革，对本校力学学科的发展也大有益处。