“双一流”背景下土木工程专业基础力学课程教学改革探索与对策

汪大洋　刘东滢　王菁菁

摘  要：当今高校“双一流”建设环境对工科土木工程专业的基础力学课程教学提出了新的要求和挑战。本文从教育环境、现有课程体制、网络信息化影响三个方面探讨了开展基础力学课程教学改革的必要性，就如何结合专业培养学生长足的力学课程学习兴趣、合理施教促进学生学习主动化、少学时条件下精炼教学内容和确保教学质量等方面进行了积极探索，并结合教学经验给出了相关对策，以期为加快专业基础力学课程的教学改革提供参考和借鉴。

关键词：结构力学;教学改革;主动学习;教学互动

中图分类号：G642;TU3-4    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2021）43-0034-03

早在2010年，教育部就提出了“卓越工程師教育”，旨在培养创新能力强、适应社会经济发展需要的工程技术人才，即面向社会需求培养高层次技术应用型人才[1]。如今，“双一流”建设已经在全国高等院校中广泛开展，旨在促进我国跻身世界教育强国之列。土木工程学科是我国工科领域的基础和传统学科，内容涵盖结构工程、地下工程、岩土工程、桥梁工程、建筑工程以及水利工程等众多专业分支，基础力学课程是所有上述专业学科领域最为重要的基础课程之一。如何适应华盛顿协议下的国际工科教育认证潮流，使培养的技术人才既能满足我国自身经济建设发展的需要，又能顺应国际土木工程专业人才培养的发展趋势，已成为当今工科土木工程专业人才培养亟须改进完善的重要问题。

一、基础力学课程教学改革必要性分析

“双一流”建设的主要任务在于建设一流师资队伍、培养拔尖创新人才、提升科学研究水平、传承创新优秀文化以及着力推进成果转化，核心思想是推动一批高水平大学和学科进入世界一流行列或前列。然而，当前基础力学课程体制面临严峻的挑战。一方面，工科专业连续多年的扩招使得原本不足的教学软硬件资源愈发紧缺，只能选择大班上课。上课人数一旦过多，则会产生课堂纪律问题，课堂纪律问题又将直接引发教学质量问题。如何在严肃、枯燥而又人数众多的基础力学课堂教学中，既创造轻松、愉快的学习氛围，又激发学生的学习兴趣和热情，需要开展细致、翔实的课程教学改革实践[3]。

另一方面，基础课程的学时压缩在当前工科教育教学中已经是一个明显的问题，基础力学课程的教学学时亦是如此，存在学时数严重不足的情形[2]。如一些高校的理论力学课程学时数为56个，课程内容涵盖静力学、运动学和动力学三大领域。少学时条件下对基础力学课程教学方法的探析和改革，应尽早提上日程，以适应新形势下基础力学课程的学习和教学的需要。

二、基础力学课程教改探索与对策

（一）融合专业，培养长足的学习热情

基础力学课程涵盖土木工程专业三大力学课程，分别为理论力学、材料力学和结构力学，三大力学对后续专业课程（如钢筋混凝土结构、钢结构）的学习起到重要的支撑作用，如在钢筋混凝土结构课程中，学习钢筋混凝土梁受弯承载力的计算时，采用的取隔离体法绘制受力图、建立平衡方程的概念就直接源于理论力学的课程学习。

显然，非常有必要让学生在学习伊始就清晰地认识到力学课程学习对于专业课学习及毕业参加工作后解决实际工程问题的重要性[4]。其一，学好基础力学课程对于后续的专业课程学习具有积极的促进作用，反之则严重影响后续课程的学习效果，“树高百丈根为本、水流千里终有源”，基础力学课程就是土木工程专业知识的根和源。其二，学好基础力学课程能够有效解决实际生活或工作中的诸多问题，如现实生活中经典的“逆风行舟”现象，采用基本的结构力学知识就能清晰描述。如图1所示，帆船在水流速度为v的河流中逆风航行，船帆所受的风力R与帆面垂直，将风力R分解为F1和F2两个力，同时帆船航行过程中还受到水流的阻力P作用，可见水流阻力P与风力的横向分量F2通过恰当选择帆面角度可以相互抵消，则风力的另一个分量F1即成为帆船的前进力，实现“逆风行舟”。因此，教师应结合专业，让学生明白力学课程以解决实际工程问题为导向，注重对问题根源的探索及对实际问题的解决，进而使之对力学课程产生浓厚的学习兴趣和长足的学习动力。

（二）合理施教，将被动学习转为主动学习

苏联著名教育实践家和教育理论家瓦·阿·苏霍姆林斯基曾说：所有智力方面的工作，都源于兴趣。教学的过程，不能仅仅强调“老师教”，更重要的在于让学生“独立学”，因此作为老师，只有在平凡的教育教学工作中不断向学生播撒“求知欲和探索”的精神，才能使其在短暂、浩如烟海的力学知识学习中汲取多的养分，从经典的、既有的课本知识学习中主动拓展想象力，举一反三，培养逻辑思维能力和思维敏感力[5]。

首先，积极营造环境，让学生主动迎合教学过程。如在讲解平面刚体时，教师可以列三个平衡方程，对于质点只能列两个平衡方程的情况，可以让学生动手绘制平面直角坐标系，然后在坐标系中分别绘制一个点和一条线，让学生从数学的角度思考定义一个点和一条线分别需要几个参数，将力学问题与已经熟知的数学知识相结合，能达到深入浅出的教学效果。让学生参与教学过程，使其始终保持积极、兴奋的思考探索状态，融入教学、加深理解、形成教与学的良性循环。

其次，知识归类迁移，举一反三。很多时候，在某一种类型的知识学习时都存在内在的联系，教师要让学生清晰地把握问题的核心，透过现象认识本质，从而起到以点带面的效果。如在平面刚架约束反力计算中，首先给出如图2（a）所示的最简单的刚架，求A、B支座的约束反力，只需列三个平衡方程即可求解。随后，依次改变平面刚架如图2（b）、（c）、（d）、（e）所示，从铰约束不同位置的改变（（a）到（b））到不同约束方式的改变（（b）到（c）），从可解到不能全部求解（（a）、（b）到（c）），从不能全部求解到通过增加一个圆柱铰到可解（（c）到（d）），然后再到铰约束位置的改变（（d）到（e）），还可以对比因约束位置改变而产生的不同解法及其原因（（d）与（e））。由浅入深，归类迁移，帮助学生在枯燥的力学学习中挖掘“魔术”魅力，加深印象，提高学习效果。

再次，活跃课堂氛围，让学生愿意说且主动说。在力学课程教学过程中，教师应该积极主动地鼓励学生发挥丰富的想象力，让学生对所学的新知识融入个人独到的体会和感受，然后在规定时间积极在课堂上让其敢于并愿意表达，使其获得愉悦或成功的体验，进而撬动内在获取知识、转化应用知识的动力。这种教学方式下，针对部分学生的主动发言，不论对错教师都应在不同程度上加以鼓励、肯定，可以带动其余学生的学习热情，学生的发言过程实际上也是内在竞争的外部体现，当愿意发表独到见解的学生达到一定规模时，就会产生由量变到质变的效应，此时课堂不再是老师的一言堂，而是一个全员行动、共同参与的课堂，能实现教学相长。

（三）正视少学时，制定个性化教学方法

在面对内容多、学时少的基础力学课程教学时，应坚持“有所为有所不为”的态度，既保持原则、又不失个性化的教学方法，突破重点、带动次重点、弱化非重点[6]。其一，精炼讲授内容，强化对基本概念的理解。如理论力学课程由于涵盖静力学、运动学和动力学三大内容，如果严格按照书本中的知识点一一讲授很有可能出现学时不够的问题，因此在教学过程应强调概念的理解和运用。如在静力学部分列平衡方程时，一般都是从平面汇交力系到任意力系（以比较特殊的平行力系）、从一矩式到二矩式再到三矩式来讲授，实际上不同的力系及力矩方程使用多寡只是平衡方程在不同场合的应用，如果让学生首先掌握平衡方程建立的由来、理解平衡方程的概念及意义，那么仅剩如何应用的问题，不管什么场合只是应用环境不一而已，可以达到既抓住重点、又节约学时的目的。

其二，联系实际，案例教学，通俗易懂。力学是一门相对乏味的课程，但力学所应用的领域却无处不在，因此在平时的生活工作中汲取力学的应用案例，并引入课堂，将起到事半功倍的效果。如讲到摩擦，可以让学生对比溜冰鞋与跑鞋鞋底的区别及原因;讲到相对运动、绝对运动、牵连运动时，可以列举平时乘坐的公交车、自己在公交车上走动的例子等。教师应让学生将枯燥的力学概念与生活案例相结合，实现概念形象化、理解简单化、投入主动化的教学过程。

其三，精选作业，严格批改、杜绝抄袭。课堂听讲是一种知识摄入的过程，但只有摄入还远远不够，还要求将知识为我所用、吸收并产出，产出大多体现在课后作业上。在每次讲完知识点后要有针对性地布置作业，可分两个层次：一是再现知识点作业，二是知识点理解并转化应用的作业。严格批改作业，采取必要措施杜绝作业答案“版本化”，并尽可能详细地列出作业中出现的问题。

三、结语

基础力学课程作为工科土木工程专业的力学基础课程和专业先导课程，在人才培养过程中的地位举足轻重。本文从高校“卓越工程师教育”和“双一流”建设切入，剖析了当前环境下基础力学课程教学存在的挑战和改革必要性，从如何培养学生产生浓厚的力学课程学习兴趣和长足的学习动力、通过合理的教学方法将学生由被动转为主动学习、在少学时条件下如何突出重点实现教学相长三个层面，探讨了基础力学课程教学改革的方法和对策，为新形势下进一步加快该课程的教学改革、提升教学质量提供了新思路。

参考文献：

[1] 周臻，陆金钰，尹凌峰，等. 面向卓越土木工程师培养的结构力学教学改革与实践[J]. 高等建筑教育，2012，21（04）：74-77.

[2] 徐小丽，金春花. 理论力学教学改革研究[J]. 教育教学论坛，2015（02）：97-98.

[3] 程丽红，顾连胜，胡艳香，等. 基于应用型人才培养的结构力学课程教学改革的探索[J]. 高教學刊，2016（12）：134-135.

[4] 李会军，李宗利，史姣. 概念结构力学教学研究与实践[J]. 黑龙江教育（高教研究与评估），2016（03）：8-10.

[5] 黄川腾，蒲爽. 应用型地方本科院校教学改革初探——以结构力学绪论课为例[J]. 大学教育，2017（08）：38-40.

[6] 郑玉国. 结构力学课程教学应重视工程直觉的培养[J]. 高等建筑教育，2016，25（01）：100-104.

（责任编辑：淳洁）

基金项目：广东省结构力学系列课程教学团队;广东省研究生“结构动力学”示范课程。

作者简介：汪大洋（1980—），男，博士，广州大学土木工程学院副院长，教授，研究方向：工程振动控制;刘东滢（1982—），男，博士，广州大学土木工程学院副教授，研究方向：新材料与结构;王菁菁（1986—），女，博士，广州大学土木工程学院副教授，研究方向：结构振动控制。