土木工程专业理论力学线下教学改革探索研究

冯昭君

(四川文理学院 建筑工程学院,四川 达州 635000)

理论力学是一门工科专业必开的基础课程,理论逻辑性比较强,是机械类、土木工程、水利工程、电力等专业必修的课程.在土木工程专业中,理论力学课程为后续学习材料力学、结构力学、弹塑性力学及部分专业课奠定基础,这门课程的教学效果好不好将会影响学生的培养质量.目前随着人才培养方案的不断修订,理论力学的课时不断被压缩,而后续课程的学习对理论力学的掌握程度要求不降反升,这对理论力学课程的教学提出了更高的挑战.因此,土木工程专业的理论力学教学迫切需要进行改革优化,来适应当下新时代土木专业复合型人才、应用型人才的培养目标.

1 理论力学教学目前存在的问题

1.1 教材设计针对性不明确

理论力学是机械工程和土木工程的专业基础课,其内容包括三大部分：静力学部分、运动学部分,动力学部分.目前现有的理论力学教材涵盖了两个专业的全部内容,这样造成学习内容的编排上没有考虑不同专业的需求.如静力学部分,对于土木专业的学生来说,约束与约束反力的计算、静力平衡的计算与建筑结构息息相关,需要重点去讲解,桁架的内力计算能为材料力学、结构力学的学习奠定基础,但是对机械专业的学生来说,应更侧重讲授径向轴承、止推轴承的受力分析,对于桁架的内力计算可以略讲；关于运动学部分,对土木学生的授课可以一带而过,而对机械专业的学生应着重讲解.另外教材中包含的例题及习题大多是机械方面的,土木工程方面的的内容、练习题及例题较少且不深入,导致学生对知识点的理解不到位,掌握不牢,容易引发学生厌学情绪.

本课程对学生的数学理论基础要求比较高,现有教材内容也偏重理论研究,有比较多的公式推导,对于应用型本科高校学生来说难度较大.

1.2 教学课时缩减

各高等院校使用的《理论力学》教材各不相同,但教材内容基本相同,三大基本内容之间在层次结构和知识点上都存在逻辑关联,从而构成理论力学这门课程体系,形成一个有机的整体.[1]但随着高校教学体制的不断改革,公共、基础学科不断增多,特色学科不断涌现,教学课时的缩减“在劫难逃”.如我校近年来实施“322”大思政工作体系,在专业课程中要融入中华优秀传统文化、社会主义核心价值观等教育,加强了思政基础课程课时,导致本课程教学课时缩减至64学时.该课程内容繁多且各知识点间前后存在逻辑关联,若只是通过减少教学内容的方式,来达到缩减课时的教学效果,是极其困难的.这种简化方式只会导致这门课程失去其完整性与严谨性.

1.3 教学内容与工程实践联系不够紧密

理论力学是一门逻辑性强、理论体系严谨的学科,教学内容繁多,理论抽象,定理公式多.教材中的例题和练习题的选用很大程度会体现出教学内容与工程实践联系是否紧密.而教材上大多例题和练习题采用的是已经简化过的抽象化力学模型,与工程实际脱节,不直观,导致学生对知识点难以领悟理解,不利于培养学生建模能力与解决问题的能力.另外,理论力学缺乏实验教学,使得学生在学习理论力学时缺乏直观认识,更增加了学生对知识理解的困难,更不能对知识的实践应用作出直观、正确的判断.

1.4 学生学习主动性不强,教学效果差强人意

教学课程的三大主体是课堂、教师和学生,课堂是教学活动的载体,教师在课堂中起到引导作用,学生是课堂的主体,[2]三者必须相互协同,充分发挥各自的作用才能保证教学的顺利实施.

通过对2020级土木工程专业两个班的理论力学课程学习情况进行调研统计,统计结果如下图1所示.其中只有5%的同学对该课程很感兴趣,掌握的也不错,50%的同学对其不“感冒”,学不进去.分析调研结果,究其原因有两方面：一方面理论力学课程排课一般在大学第一学年的下学期进行,高等数学、大学物理两门基础课也在同时进行,与理论力学授课内容相关的知识点,学生掌握得不牢固,基础不扎实.加之应用型本科高校学生的扩招,近几届学生学习能力逐渐下降,可能会因为一个简单的数学公式不理解,产生畏难情绪,丧失了继续学习的动力.另一方面学生主动性不强,只在上课时听老师讲,课下基本无课前预习和课后复习的习惯,对知识点不能及时消化,久而久之,没掌握的内容越积越多,厌学的情绪越来越强.

图1 2020级土木工程专业理论力学课程学习情况

1.5 教学手段单一,各学科教师间联系不紧密

教师在教学过程中,基本采取多媒体+板书的教学手段,满堂教师都在讲授,学生被动聆听,教学枯燥乏味,没有发挥学生在教学环节中的主体地位,学生的参与感低,不利于激发和提高学生的积极性.

在应用型本科大学,学生基础参差不齐,对知识的接受程度不一样,导致教师在讲授先修课程时只讲学生能接受的知识点,与理论力学课程授课内容相关的知识点,有时未普及到,等理论力学授课时,学生一头雾水.另外大学物理课程和理论力学课程在某些内容上是重复的,因两位教师所在学院不同,联系不紧密,授课时有相互推诿现象,尤其在理论力学课时缩减的压力下,要详细地讲授理论力学课程那么多内容是极具挑战的.

2 土木工程专业理论力学课程在教学方面的改革

目前,理论力学课程在教学上出现的各种问题,说明理论力学的改革刻不容缓.本文从教学内容、教学方法等方面进行探讨改革思路,以找到适合应用型本科高校的理论力学教学模式.

2.1 合理规划教学课时

关于理论力学课程内容繁多且课时偏少的现象,对土木专业的学生授课时,教学内容的选择上可以有所侧重.在土木专业中,理论力学三大部分中与后修课程紧紧相连的部分是静力学,所以在授课时可以在此部分进行重点讲解,尽可能地详细、深入.对于运动学和动力学部分,可以较少地分配学时,让学生理解基础知识点,对理论力学课程的整个理论框架有个清楚的认识即可.

2.2 优化教学内容

为了把学生培养成为具有实操能力的土木工程专业应用型人才,这就要求教师在授课过程中,对教学内容进行优化,可以删繁就简,简化理论公式的推导,注重培养学生逻辑性思维、分析能力和实践应用能力.表1是我校与他校教学内容及课时分配比例对比表.从表中可看出,我校在学时分配上,有些顾此失彼.对土木工程专业而言,应着重将静力学中物体受力分析、受力分析图的绘制、平面任意力系的平衡、物体系统的平衡等内容进行讲解,因这部分内容是核心、重点,课时分配应提高,为后续课程材料力学、结构力学奠定基础.运动学部分的速度、加速度的计算及动力学部分的动量定理、动能定理在中学物理、大学物理课程中已经学习过,此部分内容讲解时可一带而过,可分配较少学时.对于科氏加速度内容,其对理论力学后续的学习及专业课的学习基本无联系,可适当删除此部分内容.在理论力学中某些复杂的公式推导,可不需要讲解推导过程,如点的速度合成定理,着重强调怎么运用定理分析问题、解决问题.在例题和习题的选择上,注重与建筑工程实践的联系,给学生留一些想象空间,如讲到平面任意力系的平衡问题时,可列举工程中常见的塔吊,可以分析其工作时的受力情况,这样的实践与理论的结合不仅让学生对力学知识有一个清楚、清晰的认知,而且巩固并加深了学生对基本知识点的领会与应用.

表1 我校与他校教学内容及课时分配比例对比表[3]

2.3 编制具有专业特色的教材

目前使用的教材是通用性教材,不具有土木工程专业特色,因此教材的更新相对滞后.随着专业的不断发展,各专业应有不同的侧重面,通用性教材很难兼顾内容的深度和广度,[4]因此有必要编制一本适宜土木工程专业需求的专用理论力学教材.专用教材在内容、习题、例题的选择上,除了保留经典力学的色彩外,还应与土木工程专业、工程实践相关.新教材应增添工程案例方面的内容,这样不仅可以帮助学生理解理论知识点,还可以提高学生建模能力、分析应用能力,拓展学生的思路.并且新教材应随着专业的不断发展,不断更新,跟上时代步伐,彰显土木工程专业特色.

2.4 采用多种教学方法,提高学生的主动性

适用的教学方法对教育质量的好坏起到一定的决定性作用.一节课45分钟,学生聚精会神的时间也就20分钟左右,教学效果就取决于是否可以在这有限时间内最大程度地调动学生学习的积极性.传统的教学方法,缺乏师生间的互动,应探索多元化模式的教学方法,归纳总结教学经验,找出最适合土木工程专业学生的教学方法,才能使学生更好地学习理论力学课程.对于多元化的教学方法,可以在教学过程采用以“多媒体+板书”为主的教学方式,结合其它线上的教学方法,如翻转课堂等,来加强老师与学生之间的互动交流.在教学过程中根据教学内容和教学目标,可以利用多媒体与讨论式教学相结合,将课程内容传输给学生.例如理论力学中运动学部分的刚体平面运动,此部分内容很难用语言表达,学生也不易理解,此时可以运用多媒体以图像和视频的方式直观地展现给学生.[5]同时添加“讨论”环节,激发学生学习的热情及主观能动性.为了发挥学生的主体性,可以与线上教学结合.随着现代信息技术的发展,线上线下混合式教学、慕课、翻转课堂等新型教学方式已经兴起.这些新型教学方式可以作为线下教学的补充和延伸,学生可以利用课余空闲时间进行预习复习课程内容或者对所学知识进行查漏补缺.此外可以增加实践教学,如搭配教学模具、开展力学试验,让学生通过实际操作把理论知识运用到实践中,培养学生的力学思维和合作精神.同时也可以通过辅助软件如ansys建立力学模型,模拟其受力变形过程,观察分析其受力特点.

2.5 采用多元化考核方式,精细化作业

大部分院校对理论力学课程的考核基本是期末考试卷面成绩加平时成绩,两者比重7：3,期末成绩直接决定了学生是否通过该课程的考核,卷面成绩体现学生的真实水平是有限的,而平时成绩大多数看学生的出勤率、完成作业情况,比较片面,很显然此方式不能真实地把学生学习的实际状况反映出来.为了得到真实的教学质量反馈,提高学生的积极性,考核时应多注重学生的学习过程,可以将期末卷面成绩的比重调整为50%,平时成绩的比重提高至50%.50%的平时成绩包括出勤(10%)、作业(10%)、思考题(10%)、课堂表现(10%)和实验(10%)五部分,其中出勤可以反映出学生上课是否积极,作业是体现学生课下对课上内容的巩固情况,作业的布置不局限于传统的纸质作业,还可以是小组讨论作业,以小组合作的方式分工完成,来提高学生做作业的参与度和锻炼学生的合作能力.思考题代表学生对课堂的投入程度和课后学习情况,此项可以和课堂表现综合考量,课堂表现实时呈现学生的学习状态,及时给授课教师以反馈,教师以此来调整授课节奏.实验项可以通过力学模型的建立分析或者参加力学竞赛来评定,此项可以提高学生自学能力、创新思维能力、分析解决问题能力.这样的多元化考核方式可以更全面的体现学生的各种素质,使学生注重结果的同时也注重学习过程.[6]

结 论

针对理论力学课程教学过程中存在的问题,分析了对其进行教学改革的必要性,提出了改革措施.理论力学作为一门理论性较强的专业基础课,在课程体系中起着承上启下的作用.但随着社会的发展,应密切结合课程发展的需要和学生的动态,不断探索理论力学课程的教学改革,并不断地通过教学实践来进行检验,来为国家培养“三心四能五复合”的复合型人才.