基于OBE的工程教育模式下土木工程专业理论力学教学设计改革与实践

艾心荧　刘良坤　潘兆东　潘美萍　刘洪涛

［摘 要］文章基于东莞理工学院土木工程专业理论力学课程教学设计改革实际，针对当前土木工程专业理论力学教学普遍存在的理论性强、内容繁杂、学生兴趣低、专业联系弱、缺乏实践教学等问题，从教学理念、教学目标、教学内容、教材选择、教学方法、课程思政、实践教学、课程考核等方面，开展教学设计改革与实践，取得了较好的教学效果，可为兄弟院校土木工程专业理论力学教学开展提供借鉴。

［关键词］土木工程；理论力学；教学设计；工程教育

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）09-0061-04

引言

理论力学是土木工程专业的学科基础（核心）课程，是研究物体机械运动基本规律的学科，是一般力学各分支学科的基础。课程通常分为三个部分：静力学、运动学与动力学。静力学研究作用于物体上的力系的简化理论及力系平衡条件；运动学只从几何角度研究物体机械运动特性而不涉及物体的受力；动力学则研究物体机械运动与受力的关系[1-3]。该课程以力学理论为基础、与实际密切结合，着重培养学生理论联系实际的能力、分析和解决实际工程问题的能力，是后续专业课程学习及从事专业技术和科学研究工作的必要基础。因此，做好理论力学课程教学设计工作，对培养学生的专业能力及素养具有十分重要的意义。

通过兄弟院校调研及文献研究，结合本课程前期教学效果反馈及内部课程团队研讨，笔者发现当前土木工程专业理论力学教学设计面临如下主要问题[1-3]。

第一，教学内容侧重于机械工程领域，与土木工程专业联系不紧密。受课程内容特点及应用领域影响，现有理论力学教材多由机械工程类专业或力学类教师编撰，教材中的例题、习题多侧重于机械领域，运动学、动力学部分尤为明显，导致学生缺乏对题目情境的体验感，从而影响其对相关知识点的理解，学生课程学习兴趣较低。

第二，教学内容理论性极强，学生容易产生畏难及学习懈怠情绪。理论力学依据一些基本概念和反映理想物体运动基本规律的公理、定律作为研究的出发点。例如，静力学可由五条静力学公理演绎而成；动力学是以牛顿运动定律、万有引力定律为研究基础的。理论力学的另一特点是广泛采用数学工具，进行数学演绎，从而导出各种以数学形式表达的普遍定理和结论。因此，全书公式、定理、数学演绎推导较多，理论性极强，学生学习难度较大，容易产生学习懈怠。

第三，缺乏实践教学内容，容易造成“纸上谈兵”的误解，实用性及趣味性不够。大多数高校理论力学课程只包含理论教学，未设置实践性教学环节，导致学生缺乏对工程实际的感性认识，无法将力学理论与生产实际问题较好地结合。

本文基于东莞理工学院（以下简称“我校”）土木工程专业理论力学课程实际教学，针对上述存在的问题，同时结合我校土木工程专业人才培养目标，从教学理念、教学目标、教学内容、教材选择、教学方法、课程思政、实践性教学、课程考核等方面，对理论力学教学设计改革与实践进行总结分析，为理论力学课程教学工作提供有益借鉴。

一、教学理念——基于OBE的工程教育模式

OBE理念是以期望达成的学习成果来反思、修订教育教学的内容，为达到成果导向教育的最终目标，教师的教学方法必须不断变革以满足课程需求。工程教育专业认证领域全面接受了OBE的思想，要求專业课程体系设置、师资队伍配备、办学条件配置等都围绕学生毕业能力达成这一核心任务展开，并强调建立专业持续改进机制以保证专业教育质量和专业教育活力[4-5]。

基于OBE的工程教育模式，即工科专业办学应以行业认可的人才培养目标及毕业生能力素质要求为导向，围绕这一核心目标任务，设置课程体系、配备师资队伍、配置办学条件、开展教学改革与研究，并建立持续改进机制措施，以确保导向目标的优化、达成及质量。

从我校土木工程专业的人才培养目标看，其定位区别于综合性及研究型高校同专业人才培养的目标和要求。我校着重培养“懂设计、擅施工、能管理”的复合型、应用型高素质工程建设人才，侧重于培养“以实践能力为主”的应用型人才。而理论力学课程主旨是希望学生通过学习掌握力学基本理论和基本方法，培养学生对实际工程问题的简化能力、力学分析能力和计算能力，为学习有关后续课程和专业课奠定扎实的基础。

基于OBE的工程教育模式要求，本课程教学改革工作必须围绕如何让学生具备扎实的力学理论基础和清晰严密的力学思维，围绕如何培养学生具备应用力学知识发现、分析、解决实际工程问题的应用能力来展开，使其既能满足传统建筑行业的人才需求，又能适应新兴产业发展的需要，成为新型卓越土木工程人才。

二、课程教学目标

课程教学目标必须围绕毕业生核心能力及专业人才培养目标的达成来制订，即理论力学的课程教学目标必须支撑毕业生某若干项核心能力的达成，最终为人才培养目标的达成奠定基础。理论力学是一门理论性强且非常重要的专业基础课程，是研究物体机械运动一般规律的科学。课程内容主要包括刚体静力学、运动学和动力学的基本原理和实际应用等，主要是培养学生的力学思维，为将来从事工程结构分析、设计及工程建设提供理论支持。在我校土木工程专业的人才培养方案中，理论力学课程所支撑的人才培养核心能力如表1所示。

基于上述分析，课程团队将教学目标确定为：使学生掌握刚体机械运动的基本规律、研究方法以及处理力学问题的一般方法，理解并掌握力学模型及其数学物理方程的建立过程、方法，能够运用这些规律及方法分析工程实际中的力学问题，培养学生清晰严密的力学思维能力、计算分析能力、理论联系实际的工程应用能力，为后续相关课程的学习及工程应用实践奠定良好基础。

三、课程内容

首先，基于上述教学目标，同时考虑到土木工程专业工程问题主要为静止状态下的力学问题，课程团队将课程内容重点确定为静力学，兼顾运动学和动力学。其次，因课程学时较以往有较大压缩，且部分内容与大学物理重叠，故删除“动能定理”“动量定理”“动量矩定理”“振动”“碰撞”等章节内容。最后，在课时分配上：静力学占50%，运动学、动力学各占25%，具体课程内容及要求如下。

第一，掌握静力学公理及推论；掌握基本力学量的基本概念、性质及计算；掌握常见约束的基本概念、性质及其对应的约束力；掌握各类力系的简化方法，熟悉简化结果；掌握平面力系的平衡及物系平衡问题的应用；掌握桁架内力的常用计算方法；理解滑动摩擦的概念和摩擦力的特征，能求解考虑摩擦时的平衡问题，了解滚阻的概念。

第二，掌握点的运动描述方法，能求解点的轨迹、速度和加速度等相关问题；熟悉刚体平动和定轴转动的特征；掌握运动合成与分解的基本概念和方法，熟练掌握点的速度合成定理、加速度合成定理及其运用。

第三，能建立质点的运动微分方程；掌握刚体转动惯量的计算，了解惯性积和惯性主轴的概念；能运用刚体定轴转动和平面运动的微分方程求解有关问题；了解惯性力的概念，掌握惯性力系简化结果的计算；熟练掌握达朗伯原理（动静法）的运用；熟悉广义坐标、自由度、虚位移和理想约束等概念；掌握虚位移原理的运用。

四、教材选择

教材选择遵循优先选用国家及省部级获奖优秀教材、国家或省部级规划教材、国家或省部级精品教材、国外引进的优秀教材、近三年出版的新教材，且教材内容符合教学大纲课程目标及内容要求。基于此，课程团队最终从数十本《理论力学》教材中确定选用2016年机械工业出版社的贾启芬、刘习军主编的《理论力学》（第4版）作为教材，该教材为“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。

五、教学方法

丰富多样的教学方法与信息技术手段是保障良好教学效果，提高师生互动、学生学习效果和效率的重要载体。本课程所用到的教学方法与信息技术手段如下。

六、课程思政设计

为了深入学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想，教师在知识传授中要注重强调价值引领，有机融入社会主义核心价值观、中国优秀传统文化教育，善于挖掘各类思想政治教育元素并融入教学各环节。2019年秋季开始，理论力学课程结合授课要点，设计了3个思政育人的典型教学案例（思政映射与融入点），包括力学人物介绍、力学在各专业领域的应用、工程事故案例分析等教学设计环节，注重在知识传授中强调价值引领，通过课堂讲授、学生互动等润物细无声的方式，在力学原理实际运用中有机融入社会主义核心价值观，引导学生形成严谨的科学态度和良好的工程素质。

表3 课程思政设计

[序号 课程思政融入点 课程思政作业 1 介绍中国的力学史和力学在土木工程中的应用，通过介绍我国历史上和近现代的伟大建筑物，培养学生的民族自豪感，增进其专业热情 通过课外阅读（至少3篇文章），积极参与优学院课程平台发布的讨论从而获得积分（发帖、回帖、点赞等），主题：中国的力学史和力学在土木工程中的应用 2 介绍中国力学大家的成长之路及其对社会的巨大贡献，培养学生崇尚科学、积极进取的学习热情 通过课外阅读（至少3位力学大家），积极参与优学院课程平台发布的讨论从而获得积分（发帖、回帖、点赞等），主题：力学大家的成长之路 3 引入由于力学计算不合格而产生的工程事故案例，以此培养学生作为工程师的责任意识，引导学生树立良好的职业道德 通过课外阅读（至少3项工程事故案例），积极参与优学院课程平台发布的讨论，从而获得积分（发帖、回帖、点赞等），主题：工程师的职业道德与责任 ]

七、实践教学创新与实践

针对理论力学课程内容理论性强、缺乏针对性实践教学、部分学生学习兴趣不高、理論联系实际的能力偏低等问题，理论力学课程团队从2018年秋季开始增加课内结构设计竞赛环节，并纳入课程考核，让学生在竞赛中掌握力学分析、计算的原理和方法，培养其利用力学知识发现、分析、解决实际问题的能力，这极大地调动了学生的学习积极性，突出了理论力学的实践应用，有效推动了本课程实践性教学进展，详见图1、图2。

学生以小组为单位，用竹皮等材料亲手制作指定要求的结构模型；通过模型称重、计算书编制、现场讲解和结构加载等环节完成该项内容考核。这种以“实际项目”为载体的竞赛形式实践教学，大大提高了学生学习的积极性和参与度，能培养学生的学习兴趣和解决问题的能力；课堂教学真正实现把理论和实践相结合，这种方式深受学生的喜爱。

八、课程考核方式与成绩评定

理论力学课程考核基于教学过程的考查与学习效果考查并重的思想，根据理论力学教学过程及环节特点，采用平时作业、期中测验、课内结构设计竞赛、期末考试等多个环节、多种形式来检查学生的学习效果，避免“一考定终身”的单一考核模式，综合考核学生的学习效果。

九、结语

理论力学作为工科专业重要的专业基础课，具有理论性强、与工程技术联系密切等特点，是沟通自然科学理论与工程实际的桥梁。东莞理工学院理论力学课程团队通过近3年的努力，基于OBE工程教育模式开展土木工程专业理论力学教学设计改革与实践，取得了良好的教学效果。学生学习兴趣得到提高，成效明显，近3年本课程主讲教师的学生评教平均为90.91分，学生获第十三届全国大学生结构设计竞赛二等奖1项，2018年、2019年广东省大学生结构设计竞赛一、二等奖各2项，广东省第二届大学生力学竞赛优秀奖2项。同时，本课程获评东莞理工学院2020—2021学年第一学期课程评估“优秀”等级，相关教学设计改革成果可为兄弟院系土木工程专业理论力学的教学提供参考和借鉴。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 侯龙清，徐红梅.理论力学教学改革的实践[J].安徽工业大学学报（社会科学版）， 2002（4）：140-141.

[2] 陈孝珍，胡公哲. 土木工程专业《理论力学》教学改革实践与探索[J].南阳师范学院学报，2017（12）：76-78.

[3] 赵稳军，黎永索，麻彦娜.应用型本科理论力学教学改革探讨[J].教育教学论坛，2017（12）：116-117.

[4] 顾佩华，胡文龙，林鹏，等.基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式：汕头大学的实践与探索[J].高等工程教育研究， 2014（1）：27-37.

[5] 王士龙，江涛，曹现雷.新工科建设背景下理论力学课程教学改革探究[J].安徽工业大学学报（社会科学版）， 2020（3）：69-70，75.

［责任编辑：陈 明］