新工科背景下“基础力学”课程教学方法探索

贺云 李晓丽 薛慧君 杜娟

摘 要：在新工科背景下，新工科教学建设实现是工科类专业教育的必然导向，为新时代高等教育教学改革奠定了坚实的基础。“基础力学”作为工科类专业的基础课程，在教学过程中应贯彻新工科建设思路，探索适应新形势下的教学模式。该文从新工科实施背景出发，分析现阶段农林院校“基础力学”课程教学现状及存在的主要问题，探究新工科深度融合背景下“基础力学”课程的教育教学模式，对推动我国工科类专业教育发展具有重要意义。

关键词：新工科；基础力学；农林院校；教学模式

一、概述

教育部围绕推动高等工程教育改革举办了相关研讨会，形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，为我国的高等工程教育改革指明了方向。2017年2月，教育部发布的《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》中强调，新工科研究和实践要围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量和新体系开展。新工科建设是全局考量，是在新科技、产业革命和新经济背景下工程教育改革的重大战略选择，是今后我国工程教育发展的新思维和新方式［12］。相比于传统工科教育，新工科在强调人才培养的新模式和教育教学的新质量的基础上，更加强调学科的实用性、延续性、交叉性以及综合性，要求新工科人才具备更强的实践能力、创新能力和国际竞争力［3］。为了探索我国工科人才的培养模式，我国于2016年6月成为《华盛顿协议》的正式会员国。加入《华盛顿协议》是促进中国工程类人才培养迈入国际标准、提高工程技术人才培养质量的重要举措，对中国工程技术领域具有国际竞争力有着重要意义［4］。

“基础力学”课程是农林院校土木工程、农业水利工程、水利水电工程、交通工程、道路桥梁与渡河工程、机械设计制造及其自动化、材料科学与工程、新能源科学与工程等诸多工科专业的专业基础课，具有非常强的理论性与实践性。同时力学也是现代工程应用技术的坚实基础，是基础学科与应用学科相结合的复合型学科，作为应用学科解决相關专业的力学工具，是工科类人才今后从事相关研究及工作的基础，同时也是新时代建设新工科的重要抓手。因此，在新工科背景下对“基础力学”课程进行教育教学改革具有鲜明的时代及实践意义［5］。

本文以农林院校为例对“基础力学”课程教学进行探索、改革与实践，旨在新工科背景下进一步提高“基础力学”课程教学质量，夯实学生“基础力学”理论知识素养，同时探索新的课程教学方式能充分发挥学生作为学习主体的中心作用，实现以学生为中心，尽可能充分地调动学生学习的自主性、积极性和创造性的目标。

二、“基础力学”课程的教育教学现状

（一）“基础力学”课程的设置情况

“基础力学”课程是各工程类专业理论性较强的专业基础课。先学习“高等数学”“普通物理学”等课程，具备利用高等数学知识中微积分、矢量初步分析、微分方程的理论及应用，普通物理中力学的基本原理等基础知识。其基本概念和基本理论是土木、水利、机械、交通、材料类工程专业的“结构力学”“弹性力学”“土力学”“水力学”等专业基础课程的基础，是支撑钢筋混凝土、桥梁工程、水工结构、交通运输等后续专业课程应用、设计等的力学基础［6］。

“基础力学”课程是由公共基础课过渡到工程实践类课程的专业基础课，使学生初步学会应用力学的理论方法分析并解决一些简单的工程实际问题；为学习有关的后继专业课程打好必要的基础，并为将来学习和掌握新的科学技术知识创造条件，结合本课程的特点，培养学生科学的思维方式、逻辑思维和辩证唯物主义世界观等多方面能力。

“理论力学”课程的主要内容即静力学、运动学和动力学的基本理论、方法及应用。掌握该课程的点和刚体力学的静力学平衡条件、点和刚体基本运动、合成运动、动力学基本定律的基本理论和方法［7］。“材料力学”课程的内容有轴向拉压、扭转、弯曲、应力状态及强度理论、组合变形等基本理论和方法，掌握基本力学原理在解题中的准确应用。“工程力学”课程是理论力学静力学和材料力学内容的结合。以内蒙古农业大学的具体情况，课程适用于土木工程、农业水利工程、水利水电工程、农业机械化及其自动化、机械设计制造及其自动化、新能源科学与工程、车辆工程、材料科学与工程、家具设计、木材科学与工程等专业的农林院校本科学生。

通过“基础力学”课程的学习，了解课程在今后专业课学习中的作用，积累必要的力学基础知识，通过课程学习具备比较熟练的力学计算能力，并具有一定的力学分析能力。

（二）“基础力学”课程教育教学现状与存在的问题

1.理论讲授与实际工程联系不紧密

虽然“基础力学”课程是工科专业的基本课程，但其教学内容滞后，知识体系过于烦琐，偏向于理论推导，无法适应科技的发展步伐，也不能紧随计算机的快速发展和其在各行业的普遍使用，这并不能满足现代的、高质量的人才培养需求。此外，工科“基础力学”课程对理论的深入解释较多，对实际工程应用的研究明显不足，特别是缺乏将实际问题转化为力学模型这一重要步骤。在教学过程中，过于注重理论知识的教导，而忽视了实际技能和方法的培养，因此学生的实际应用能力难以提高。

2.学生的学习主动性不足

一方面，教育教学改革持续深化，导致“基础力学”的课程时长持续缩减，同时教学进度中的课程布置过于紧密，难以为学生提供额外学习的空闲时间，这使得绝大多数学生没有充足的时间把握“基础力学”的知识点，从侧面反映了学生学习的主动性和积极性不够。另一方面，力学专业的“基础力学”对数学知识要求高，不适合非专业力学学生的学习；而有很多非力学专业的“基础力学”，涉及的力学内容较多，由于大部分处于地方的农林院校，学生数学基础普遍较为薄弱，因此在教学过程中学生反应难度太大，许多内容接受程度有限。在“基础力学”课程的日常教学中，要尽可能地调动学生学习的主动性与积极性，提升学生的学习能力。

三、新工科背景下“基础力学”课程教学探索

“基础力学”是工科学生的基础教育核心课程，学习期间处于由基础理论课向专业课过渡的阶段。目前在培养学生的动手能力、创新能力、工程意识、解决实际问题的能力等方面存在不足，不能很好地支撑培养“新工科”提出的具有工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才目标。

（一）打基础、重实践

针对地方农林院校工科学生以“应用为主”的特点，尽量减少数理推导及论证，加强分析方法及思路的讲授；着重于学习能力、学习方法及应用能力的培养，力求在潜移默化中得到提高学生的科学素质及创新能力。基于新工科背景，可以从课堂教学、实践教学以及课程考核等方面，对“基础力学”教学方法进行改革探索，新工科背景下“基础力学”课程教学方法示意图见图1。

从教学方法出发，加强“基础力学”课程的关键衔接，重实践，少理论推导，在每一章内容编排上，先介绍工程背景及问题提出，再介绍模型简化，引出基本原理及方法，然后综合应用，最后是研究结论及讨论等开放性教学素材。实现学时少、内容新、效果好、授之以渔的应用型复合人才培养总体目标。

特殊设计教学环境，将学生进行分组，在课前线上学习的基础上，引导学生在课堂上开展充分讨论，并且将教学内容进行分割，既要考虑到夯实基础，也要有难度进阶，有一定的挑战性，经过小组的合作能够顺利解决问题。将部分课堂教学时间交给学生，并为学生做好优质教学资源的选取工作。学生完成在线的学习后，利用课堂部分时间共同探讨拔高性问题。课堂探讨内容主要来源于专业课及生活中的力学问题，不仅有助于提高兴趣，通过解决趣味力学问题，培养学生工程意识及解决实际问题的能力。

在前期已形成的基于长江·雨课堂等智慧教学工具的轻度混合式教学的基础上，进一步进行深度混合式教学，同时开展互联网实验教学。为优化教学模式，构建了一个全方位的教学系统，涵盖课前、课中、课后学习。也就是将教学时间从课中延伸到课前和课后，同时将学习空间从教室扩大到寝室和其他可能的学习场所。教学资源不仅限于教科书，还拓展到了包括线上线下各种媒体和资源的范围内。所有这些扩展都是从学生的学习习惯和能力出发，旨在提升学生的学习效果。

（二）促进以学生为中心的课程教学改革

为了满足当前高等院校教学的实际需求，运用新的教学理念，教学内容注重与工程实际应用相结合，易学、易懂、易记，采取模块式、导图式编法、启发式教法，着重培养学生力学知识的分析能力及综合应用能力，进而增强学生创新思维意识。从人才培养目标出发，深入研究知识目标、能力目标和素质目标的教学培养模式，打造优秀的师资团队，促进以学生为中心的课程教学改革，导图如图2所示。

在教学过程中强调以学生为中心，结合“基础力学”实验，有效运用现代化教学手段开展线上线下灵活多样的教学方式，科学地应用雨课堂、网络平台等先进教学模式，提升教学质量，提高学生学习的积极性。

增加国内外“基础力学”及力学结构系列课程教改新成果，充分利用信息技术和影像素材及优质理论力学教学资源，通过二维码识别获得更多信息及知识；重点突出总体思路、基本理论及基本方法应用。对于内容较抽象或者实践性较强或者行业发展动态等信息量较大的内容，力求做到由浅入深，提高学生理解能力。重点培养学生应用力学知识解决工作中实际问题的能力，初步具有力学学习的能力，提升学生的综合素养，为其职业生涯发展和终身学习奠定基础。

（三）增加工程实例教学内容

增加我国先进的工程建设、机械制造案例，增强学生的民族自豪感和爱国情怀。课程力求做到内容精炼，由浅入深，便于自学，并特别重视反映现代水利工程、土木工程、农业工程的特点，以培养和造就“厚基础、强能力、高素质、广适应”的复合型应用人才为宗旨，在讲授“基础力学”基本概念、基本原理和基本方法的基础上，力求实现在体系上和内容上的更新，为学生今后继续学习和掌握新方法、新技术提供必要的“基础力学”基础知识，也为学生的独立思考留有空间，以利于创新能力的培养。

“基础力学”是工科专业的基础课程，通过力学模型建立，让学生掌握分析力学问题由浅入深，从点到面。从具体的教学内容上看，理论力学可以由点的矢量法延伸至卫星发射定位，进而引入我国航空航天成就，树立民族自豪感和责任意识。根据刚体平移引申至汽车的运动，引入近年我国新能源汽车发展及弯道超车，提高对力学学习的兴趣。从动力学基本定理中进一步了解力学奠基人牛顿，分享力学领域科学家们的经验。生活中力学无处不在，花滑动作各异影响加速减速、齿轮的设计对刚体的转动惯量的影响，培养学生对力学知识的探索。材料力学可以从工程实例出发，结合力学知识丰富课程内容，例如，现浇混凝土房屋、大型桥梁、大型体育场钢架、钢木组合桁架、起重机吊装重物、铆接头中的铆钉或螺栓、水轮发电机的主轴、房屋建筑中的大梁等。

对于农林院校的工科专业“基础力学”课程，使广大农林院校工科类教师能够更加准确地了解新时期“基础力学”课程的任务和教学目标，能够准确掌握新版大纲所规定的教学内容，能够对课程教学质量的提高起到保障作用。

结语

推动新型工科教育建设是工科专业教育的必然趋势，为新时代高等教育教学改革打下了坚實的基础。作为工科专业基础课程的一部分，“基础力学”在当前的课程教育教学模式下需要进一步深入研究专业认证理念，积极寻找新工科背景下的教育教学新模式。基于专业认证的毕业要求，指导学生在掌握专业技术能力的同时，培养创新能力和工程实践能力。进一步将工程实践的内容贯穿在整个教学过程中，使“基础力学”课程成为工科学生培养过程中的关键部分，对于推动土木、水利、机械等行业的发展具有至关重要的作用。

参考文献：

［1］张海生.“新工科”的内涵、主要特征与发展思路［J］.山东高等教育，2018，6（01）：3642.

［2］周海龙，李昊，王海龙.浅析新工科背景下产学研协同创新研究生培养机制［J］.黑龙江教育（高教研究与评估），2022（04）：79.

［3］薛慧君，刘鑫，侯雨丰.课程思政与专业认证协同育人下钢结构课程教学模式探索［J］.科教文汇，2022（08）：7881.

［4］朱海清，徐丰，周麟.工程教育认证背景下土木工程专业结构力学课程教学设计［J］.西部素质教育，2021，7（21）：162164.

［5］李勇，王琛，戴峰.新工科背景下基于WACOM与雨课堂的基础力学课程教学改革实践［J］.高教学刊，2022，8（24）：140143.

［6］李晓丽.雨课堂助推材料力学教学改革实践探索［J］.大学教育，2022（03）：98100.

［7］张燕.理论力学课程教学改革探究［J］.西部素质教育，2018，4（13）：174175.

基金项目：内蒙古农业大学教育教学改革研究项目（KTJX202309；KTJX202307）；教育部产学合作协同育人项目（201902198004）

作者简介：贺云（1989— ），男，汉族，内蒙古乌兰察布人，博士，讲师，研究方向为基础力学课程教学改革；李晓丽（1969— ），女，汉族，内蒙古赤峰人，博士，教授，研究方向为基础力学课程教学改革及一流课程建设；薛慧君（1989— ），男，汉族，内蒙古包头人，博士，讲师，研究方向为土木工程教学改革；杜娟（1988— ），女，汉族，山东泰安人，博士，讲师，研究方向为统计学教学改革。