土木工程专业本科工程力学课程“3+3”双主体教学模式创新与实践

毛佳佳，杨庆生，曹东兴，雷 钧

（北京工业大学，北京 100124）

《中国学科发展战略》[1]明确指出工程力学是土木工程的支撑学科。作为土木类专业本科生的基础必修课程，工程力学前接高等数学、大学物理等公共基础课程，后续结构力学、混凝土结构原理、建筑抗震设计及桥梁工程等专业核心课程。土木工程专业本科工程力学课程一般包括静力学和材料力学两部分内容[2]，主要研究物体的平衡及构件的强度、刚度和稳定性，利用力学思维和方法，解决土木工程在勘察、设计和施工过程中涉及到的结构平衡和变形等实际问题。工程力学是土木类专业本科生接触到的第一门与专业相关的课程，承担着承上启下、从基础向专业转换的关键性作用[3]。与公共基础课程相比，工程力学的教学需要贴近实际工程案例，启蒙学生的工程意识和工程分析思维；与专业核心课程相比，工程力学的教学需要注重培养学生科学的思维和严谨的态度，牢固树立学生质量安全意识，筑牢学生能力根基。

北京工业大学的土木工程专业为国家一流专业和国家一流学科，作为本专业主要基础课程的工程力学课程是国家首批一流课程和国家首批课程思政示范课程。近几年，在土木工程本科专业工程力学课程教学中，以学生为中心，着力进行了教师侧的“科学研究、工程发展、名师讲堂”和学生侧的“实验、实践、实际”的“3+3”双主体教学模式的创新与实践，取得良好的教学效果。

一 课程发展现状

土木工程早期是通过吸取工程实践中失败的教训、总结成功的经验而发展起来的，直到17 世纪，以伽利略和牛顿为先导的近代力学开始形成，力学学科的发展和成熟，同土木工程实践结合起来，才使土木工程逐渐从经验发展成为科学。工程力学是通过构建力学模型，利用力学思维和方法，解决土木工程在勘察、设计和施工过程中涉及的结构构件平衡和变形等实际问题。

新工业革命正加速进行，传统的课堂教学已经无法满足新工科关于创新型人才培养的要求，需要不断探索新的教学方法，为国家培养德学兼修、德才兼备的高素质工程人才。快速发展的网络环境正改变着当代大学生的生活、学习和行为方式，大爆炸式的信息传播模式改变了过去单一、枯燥的学习模式，为学生开拓视野、研究学习、获取信息提供了更为广阔的平台，为了适应新时代大学生的学习习惯，引导新时代大学生树立科学的价值观，工程力学的教学也需要不断与时俱进，发展满足新时代背景下大学生需求的创新教学。

作为一门经典的基础力学课程，工程力学的一部分知识点或多或少在网络上都能够找到解答，传统的教学模式已经无法获得学生的青睐。但工程力学固有的工程科学属性和求真的理性思维却很难通过片段式的网络学习获得，学生的能力也很难有系统性的训练和发展。工程力学的教学急需加强课程体系的整体性、趣味性和探索性，对学生进行正确引导，激发学生的学习内生动力，帮助学生认识和探索自然规律的核心，即理论与实际的紧密结合，科学与技术的紧密结合，鼓励学生发扬创新精神，自主探索，重视合作与交流，实现价值塑造、能力培养和知识传授三位一体的教学目标[4]。

二 精细化教学创新设计

新时代背景下的大学生思维敏捷、机智聪明、富有才识，他们看重个人兴趣爱好，勇于表现自我，敢于突破，也更容易接受和融入新生事物，能够为创新教学的实施提供土壤。高校教师大都具备科学研究的能力，持续紧跟前沿科学技术，尤其是力学教师一直关注工程技术发展，利用力学基本知识和原理，围绕工程中的需求和力学问题进行科研探索，能够为教学创新的实施输送养分。在当前信息科技高速发展的时代，大量国家级精品课程在各类慕课和信息资源平台上线，无数在线优质教学资源成功突破了传统授课对时间和地点的限制，能够为教学创新的实施提供时间和空间。

为了使工程力学教学适应现代高速发展的土木工程，符合新时代大学生的成长规律和需求，工程力学课程充分发挥以工程为背景，以实验为基础，以理论实践为手段，以解决实际问题为目标的课程性质和课程优势。土木工程本科专业工程力学的课程教学通过“科学研究、工程发展、名师讲堂”和“实验、实践、实际”的“3+3”双主体教学模式的创新设计与实践，重塑教学内容，完善能力为先的教学过程评价体系，提升教学目标，构建知识-能力-价值三点对应的课程育人教学体系，如图1 所示。

图1 工程力学课程教学创新整体思路

学生作为教学对象和主体，体现以学生为本的思想是教学设计的核心。将课程内容分解为线上探索、课堂讲解及课后研讨三个部分，最大限度提高学生在整个教学过程中的参与度。在课前，严格挑选与教学内容密切相关的、具有趣味性的名师讲堂、报道和图文，形成课前推送，通过雨课堂发送给学生，引导学生思考；课中，将知识化繁为简，借助雨课堂就重点、难点问题进行详细地讲解和讨论，实现互动式的知识传播，培养学生科学的思维方式；课后，联系理论知识和工程发展设计拓展类课题，组织学生以分组的形式进行课外实践，统筹实现“课前+课中+课后”阶梯式学习任务，让传统力学知识和科学精神以学生乐于接受的方式，活跃在课堂和学生的日常生活中。

为了进一步加强课程体系的整体性、趣味性和探索性，充分训练学生用力学思维、科学方法分析复杂工程问题的理性思维习惯，引导学生树立科学的价值观，强化学生的工程伦理教育，新时代背景下工程力学的课程教学更需要关注课外实践和自主创新，引导学生积极参与课外实践，关注工程发展，提升专业自信。在绪论的课程教学中联系力学和土木工程发展史，激发学生的学习内生动力，在学生心中厚植家国情怀；在静力学的课程教学中强调启发性，培养学生思维；在材料力学的课程教学中依托工程实际，培养学生责任意识；鼓励学生进行以基础理论为核心，向科学研究和工程实际进行无边界延伸的自主创新，并定期组织自主创新活动和答辩会。同时，完善以能力为先的教学评价体系，加大探究性、创新性、综合性内容所占比重。

三 “3+3”双主体教学模式的实践

结合土木工程专业本科生的培养目标，学生掌握工程力学基础理论框架后，通过学习后续结构力学、土力学、基础工程、土木工程材料、混凝土结构、钢结构、工程施工及管理等专业核心课程，最终需要解决实际土木工程问题。作为土木工程的支撑学科，工程力学以工程为背景，以实验为基础，以理论实践为手段，以解决实际问题为目标。为最大限度激发学生的内生学习动力，充分发挥教师紧跟前沿科技和工程技术发展的优势，利用新时代背景下的信息资源，“3+3”双主体教学模式从教师主体出发，主导“科学研究、工程发展、名师讲堂”相融合的新型课堂，助力传统力学破圈而出，为传统教学“增负”，让课程知识流动，实现学生主体“实验、实践、实际”的学习目标。

（一）案例一：绪论教学提问题增兴趣

以科学研究、工程发展和名师讲堂为主，辅以实验、实践和实际，绪论的课程教学需要教会学生工程力学是什么、学什么、为什么学、怎么学等这类激发学生内生学习动力的关键问题。如图2 所示，课前，通过雨课堂给学生推送力学知名专家及工程力学教学名师的讲座、视频和文献，将学生带入力学学科和工程发展的科学发展长河中[5-8]，引发学生思考；课中，利用雨课堂给学生发送类似“没有力学，工程项目是否能够完成”“先有实验，还是先有理论”“你认为的工程力学是什么”等这类开放性问题，激发学生的学习内生动力，并对基于力学而发展壮大的土木工程实例作介绍；课后，围绕世界材料发展、世界和我国桥梁发展、我国各地建筑特色等科学研究和工程发展设计相关专题，按小组给学生布置课外实践活动，帮助学生感受力学在工程发展中的地位，增强学生的文化自信和专业自信。

图2 绪论教学思路和案例

（二）案例二：静力学教学循原理建思维

静力学研究刚体的平衡问题，其基本理论是人类在长期生产实践中积累起来的关于力的基本公理。实际上，这些基本公理和平衡问题在中学物理中有所提及，学生只是缺乏系统性的归纳和训练。在静力学教学中则主要以设置“课前+课中+课后”阶梯式学习任务为主，课前，通过雨课堂给学生推送高中物理涉及力学知识的教学视频，帮助学生激活高中物理中零星出现过的力学概念和知识；课中，不再照本宣科地介绍静力学基本公理，而是通过土木工程实例引导学生理解力的基本概念，区分刚体和变形体的概念，就重难点问题进行详细讲解，与学生进行实时互动，掌握学生的理解程度，引导学生自己总结静力学基本公理，帮助学生形成力学思维；课后，借助雨课堂，针对学生易错的课后题发起双匿名形式的相互批阅，形成自主纠错的学习氛围，启发学生逻辑有序的分析思路和以目标为导向的解题过程，养成科学习惯。

（三）案例三：材料力学教学重方法拓实践

以实验、实践和实际为主，辅以科学研究、工程发展和名师讲堂，材料力学的课堂教学以静力学为基础，帮助学生深入理解刚体和变形体的区别和联系，在基本假设的前提下，研究构件在外力作用下变形与破坏的基本规律，解决实际工程问题，培养学生责任意识。针对每一种基本变形配以专门的土木工程项目主题作为课前推送，调动学生的学习兴趣。课中，拒绝填鸭式教育，针对具体的变形情况，采用实验先行，通过观察实验现象，联系基本假设，思考本质问题，形成理论，继而解决实际工程问题。由于实际工程应用还需考虑结构设计安全可靠与经济合理之间的矛盾，充分降低材料消耗、减轻重量、节省资金，设计课外实践活动，让学生将理论结果与工程实际相联系，形成理论分析和工程应用的正反馈。

材料力学涉及抽象思维和数学推导较多，例如超静定结构的求解，学生容易出现畏难和烦躁情绪，此时需要借助科学研究手段，将学生难以理解的理论结果进行模拟和仿真，可视化知识点，激发学生的学习兴趣，增强学生自信心。面对一些看似有害的力学现象，例如压杆失稳问题，不仅说明如何避免该现象的发生，还联系最新的科学研究成果，说明对失稳问题的合理利用，养成学生辩证的思维。

经过课程的学习、课上实验的练习以及课外实践的拓展，鼓励学生根据具体工程结构的服役环境和几何特征，提出影响结构工作应力的因素，通过理论计算、有限元模拟以及实验分析，说明该因素对整体结构的影响，提出解决方案；或者自主设计满足安全要求、使用要求及经济要求的简单工程结构，例如桥梁、房屋、起重机等。

四 “3+3”双主体教学模式的教学评价体系与实施效果

课程考核是检验教学效果的重要方法之一，也是教师提高教学方法、调整教学内容以达到教学目标的重要依据。由表1 可知，“3+3”双主体教学模式的教学评价以能力为先，保留传统课程中学生能够接受的、足以考察学生对知识理解程度的传统考试形式；在不脱离教学内容的前提下，设置能够体现学生工程意识、工程分析思维、质量意识等高阶能力的考核方式，包括课程学习、课程实验和课外实践；单独设置创意物化评价模块，对学生，从而实现价值塑造-能力培养-知识传授三位一体的教学目标，帮助教师迭代教学内容，实现更高质量的课程教学。

表1 “3+3”双主体教学模式的评价体系

五 结束语

经过近几年的探索与实践，学生全程参与式“3+3”双主体教学模式成功获得了学生、后续课程教师及学校的肯定，帮助学生在“枯燥”的学习当中找到了快乐，激发了学生的学习内生动力，提高了学生的学习效率，培养了学生利用简单的力学模型和理性思维解决复杂工程问题的能力。在学生培养全过程中，学生普遍表示，工程力学中的理论与实际相结合的思想能够启蒙其工程意识和工程分析思维，对工程问题的分析树立了质量安全意识，培养了其科学素养。