新工科视域下基础力学课程改革与实践探索

陈 凯，黄 丹，檀秋芬，彭 佩

（芜湖职业技术学院 安徽 芜湖 241003）

随着新经济、新技术、新业态的出现，新工科建设的重要地位日益凸显，为工程教育改革指明了新的发展方向。新工科不仅重视实践创新能力，强调解决复杂建筑工程问题的能力，更注重具备在国际工程竞争中脱颖而出的能力。基础力学与工程紧密联系，是一门基础工程应用学科。其基本理论在建筑、交通等领域被广泛应用，很多工程问题都需要基础力学知识。现有基础力学课程的教材，教学内容、方法和考核方式很难符合新工科人才培养的要求。为了适应新工科建设，需要对基础力学课程进行改革。目前，国内学者进行了大量的相关研究：马宏伟[1]等人以力学思维为基础，重构力学课程体系以及提出创新型人才储备的建议和思考；宋征[2]结合第十四届全国大学生结构设计大赛资料进行剖析，建立力学课程三阶段的教学设计；王士龙[3]和姚轩[4]等人通过优化教学模式，完善考核方式，设计教学案例，提升课程的改革成效。本文结合新时代工程建设发展的方向，以芜湖职业技术学院的基础力学课程为例，探究新工科视域下高职院校基础力学课程的教学改革，为提高学生的基础学科知识素养和培养实践能力积累经验。

1 基础力学课程的现状

基础力学课程是高职院校建筑土木类专业学生学习专业课程之前必须研习的一门专业基础课程。基础力学知识可以进一步提高学生在实际工程项目上的力学分析能力和用力学知识解决问题的能力。该课程由受力分析、力系简化、平衡方程、轴向拉压，扭转，平面弯曲，压杆稳定，组合变形等内容组成。课程要求理解构件的强度、刚度和稳定性等问题，掌握构件的承载能力分析和计算。当前，基础力学课程学时少，内容比较抽象，缺少工程案例，以面授为主，教学模式单一，以期末考试理论知识为的主课程考核方式不利于学生创新思维、个性化、适应未来竞争能力的培养。并且高职院校在校生的数学、物理等基础学科知识掌握不够扎实，很多学生反映很难理解物理方程、几何方程和静力学方程等知识点。加之学生的惰性，遇难容易放弃，对力学课程的学习产生恐惧情绪，造成力学课程开展艰难、学生学习效果不佳。显然，基于课程现状的分析可知，基础力学课程已不能满足新工科建设对理论、工程、创新的要求。

2 新工科视域下基础力学课程教学实践探索

基础力学作为工科工程专业传统的课程之一，其知识体系基本固定，随着新工科的兴起，基础力学需在原有知识体系上与时俱进，稳步改革。对于以技术技能为目标的基础课程，更要与其他课程进行交叉融合，借助编程语言和有限元计算课程实现学生技术技能的提升。基础力学课程的重要任务之一就是培养出能胜任工程建设的优秀技术技能人才。因此，教师需要明确教学理念，教学理念犹如一盏灯，指引师生前进的方向；好的理念需要好的传播媒介，优秀的教材有利于学生理解比较复杂的工程力学问题。教师和学生作为两个重要的参与方，在力学课程实践中扮演着重要的角色，灵活、高效和高质量的教学模式是关键的因素之一，良好的教学模式能帮助教师轻松完成教学活动，帮助学生实现自我知识的消化吸收。日常生活、建筑生产相关的力学知识案例能丰富学生的学习生活，激发学生的学习兴趣，促进自我创新能力的培养，符合新工科建设对人才培养的要求。有效的教学实践探索离不开合理评价和时间的检验，经过检验的改革探索模式才是适应于新工科建设的正确改革模式，值得院校、师生采用和推广。

3 新工科视域下基础力学课程改革的实施措施

3.1 强化新工科视域下基础力学改革的教学理念

在基础力学的实践和认知中构建正确的学习理念是取得良好学习效果的关键，为了更好地开展基础力学教学，结合基础力学课程特点和作者的教学实践经验，以“知行统一、工程应用、自我适应”为教学理念，结合多元化的教学模式，进行多样化的教学设计。“知行统一”强调学习基础理论知识和实践能力培养相结合，基于理论实践统一的规律，把握基础力学知识点，开展项目案例教学，于实训实操中掌握基础力学的概念知识。“工程应用”突出基础力学课程学习的最终目标，培养解决复杂多变工程问题的能力，深刻认识工程活动规律，把握工程发展趋势和方向，在价值和精神上给予引导，最终建造出伟大而经典的工程。“自我适应”表明基础力学课程具有自主性、个性化的特点，学生在加强自我消化吸收的同时，应将自身能力的适应状态融入课程的学习中，更加突出适应多变的社会。在教师教和学生学的活动中，要发挥出理念价值引导和精神驱动的作用，在规定的培养目标中实现高质量、高效率教学。

3.2 加强新工科视域下基础力学的教材建设

教材改革是职业教育“三教”改革的重要组成部分。教材建设要符合职业技术技能人才成长规律和学生认知特点，结合先进的职业教育理念，适应项目学习、案例学习、模块化学习等不同学习方式的要求，同时要充分反映建筑工程产业发展的最新进展，及时吸收比较成熟的工程新技术、新工艺、新规范。基础力学教材贯彻“知行统一、工程应用、自我适应”的教学理念。根据培养创新型职业技术技能人才的目标对基础力学内容进行增加、删减、更新。基础力学教材经历了多次修订不断完善。新编基础力学教材将教材内容以模块形式编排，各模块具有相对独立的工作任务又相互联系。每一课程模块按照教学目标和教学要求，以引例、理论知识、例题、工程案例、习题和实训题目的顺序编排。增加了引例、工程案例、课程思政，教学内容和延伸阅读材料以视频、图片、文字等形式呈现，并附有课件等配套的数字资源，能实现可读、可视、可听。针对基础力学知识的重难点，根据需要选择教学视频、动画、虚拟仿真的一种或多种形式来进行展示。每种形式将时间控制在6~8 分钟，以便学生集中注意力完成重难点知识的学习。许多素材源于工程实例，从中提取力学概念，便于学生理实结合。努力做到结构科学，案例生动，深入浅出，有利于培养学生的学习能力、实践能力和创新能力。教材中编排了一些简化的工程案例实训项目，学生可以根据自己的兴趣选择适合自己的项目开展训练。基础力学的教材还需要通过教学实践检验持续改进、完善。

3.3 确立新工科视域下基础力学的“三主、三助”教学模式

新工科建设对教学模式提出了新的要求，明确以学生为中心，强调灵活的学习方式，以有效应对未来工程的不确定性。通过探索新工科视域下的基础力学课程教学改革，以求夯实学生的能力素养，并提高创新能力，进而建立并完善一种有效、高质量的“三主、三助”基础力学课程教学模式。该模式分为主要课堂、主讲教师、主动学习三个主要条件；辅助课堂、助讲老师、协助学习三个不可或缺的助攻手段。主要课堂是传统课堂经过互联网、数字化、信息化手段升级后的新课堂；主讲教师为长期从事教学、主持参与多项力学相关教科研、指导学生取得优异力学竞赛成绩的教师；主动学习是指学生积极主动地参与基础力学的学习。为了弥补“三主”条件的苛刻性，基础力学教学引入辅助课堂、助讲老师、协助学习。辅助课堂是主要课堂的补充，包括力学导论课堂、力学兴趣课堂、力学实训课堂、力学实验课堂。助讲老师主要指力学试验员、校外设计人员、资深专家等具有力学背景的人员。根据二八定律，80%的学生不会选择主动学习，因此需要老师、同学、辅导员等协助80%的学生融入基础力学的学习中，完成自己的学习任务。“三主、三助”教学模式要根据具体年级、学生、教师的情况进行动态调整，以满足新工科建设的要求。

3.4 丰富新工科视域下基础力学的教学案例

结合笔者的教学经验，利用教学案例能更好地阐述基础力学问题，激发学生的学习兴趣，增加学生的参与性，培养学生的创新能力。丰富的教学案例可以帮助学生掌握基础力学知识，有利于形成工程技术型人才的力学思维。结合某设计院设计的输电塔资料，学生要完成输电塔的设计和制作，需要借助基础力学的理论知识，熟悉拉（压）力、剪力、扭矩、弯矩内力之间的组合，做出一个能承受自重、导地线荷载、风荷载、冰荷载等多种荷载作用的输电塔，一系列问题伴随而来：如何确定结构形式？如何确定截面的尺寸？节点构造如何处理？如何验证结构是否为最优？所有陌生的问题都需要学生自我克服，教师对学生提出的解决方案不做评价，鼓励学生尝试，激发学生丰富的想象力。输电塔的结构形式可以根据输电塔的受力特点确定，其材料一般为钢材，截面形式为角钢，一般选取输电塔的截面、形状设计为优化设计变量。因实际问题比基础力学课程教材上内容复杂，如果采用书本介绍的方法很难求解出，学生丧失信心，所以有必要让学生接触解决实际工程设计的一些仿真软件如：ABAQUS、SAP2000、Midas civil等。容易导致学生优化设计变量时可以用上述软件来验证自己的设想，同时提醒学生实际情况和模型模拟之间的差别。通过选取实际工程案例让学生提前接触未来的工作内容，有利于学生快速适应未来工作，在学习中不断积累经验，提高自己的竞争力。

3.5 完善新工科视域下基础力学的考核评价方式

传统的考核方式一般由期末考试和平时成绩两部分组成，期末考试侧重于基础力学的理论知识，而平时成绩侧重于学生的作业、考勤、课程表现的考核。新工科背景下必须落实能力测试、实践创新、持续改进的考核方式。由二八定律可知，约20%的学生会主动学习并能在期末测试和平时表现中取得优异的成绩。而剩余80%的学生在成绩取得或能力提升方面还不理想。为培养学生的自主性、创新性和协同性，增添期末考试试卷内容的选做题，提高平时成绩占比并加入项目训练、工程实践等环节成绩，将力学竞赛、结构设计竞赛、数学建模、科研项目等成绩作为加分项目纳入学生总评成绩。灵活多样的考核可以更加全面地评价学生，实现高水平高质量的育人目标。

4 结语

为了培养创新实践能力强的新工科人才，提升基础力学课程建设的质量，学校在基础力学课程建设中开展了教学理念、教材建设、教学模式、教学案例和考核方式等一系列改革与实践探索。近年来，经过不懈努力，建筑力学教材获“十四五”首批职业教育国家规划教材，多名教师获得省级优秀力学指导教师称号，70 余名学生获得省级三等奖以上的奖励，同时，建筑力学课程相关的课程也获得校级和省级示范课。通过社会企业的反馈了解到基础力学知识扎实的学生开展工程项目活动比较顺利，更能胜任复杂的工程项目。