“四新”建设背景下弹性力学课程教学体系改革和实践

［摘 要］“四新”建设强调知识、科技的融合，大力推动人才培养模式创新，支撑和引领经济社会的发展。在此背景下，文章结合弹性力学教育发展现状，提出在人才培养方面不仅要运用好科技手段，培养学生成为复合型的国际化人才，更要与企业等协同育人，将更多的社会资源转化为育人资源，优化实践育人环境条件，培养国家战略需要和产业发展急需的人才。同时，针对弹性力学课程进行了一系列的教学改革，主要包括教学内容、教学方法和教学手段等方面的改革，突出学生应用能力的提升，以培养学生的创新精神和实践能力，使他们能够更好地应对社会需求和发展变化。

［关键词］弹性力学；教学内容；教学方法；“四新”

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）15-0052-05

2021年4月，习近平总书记在清华大学考察时强调，要推进新工科、新医科、新农科、新文科“四新”建设。“四新”建设强调知识的融合、科技的融入，大力推动人才培养模式创新，支撑和引领经济社会的发展。在此背景下，学校在人才培养方面不仅要运用好科技手段，培养学生成为复合型的国际化人才，更要同政府、行业、企业、国际组织等协同育人，将更多的社会资源转化为育人资源，优化实践育人环境条件，促进高校科技成果的转移转化，培养国家战略需要和产业发展急需的人才。

面对世界“新科技革命”竞争态势，我国高等工程教育界面临空前的机遇和挑战。我国以往的教学模式一般是“以教师为中心”，也就是以改善教师的知识传授技能为出发点，使教师的课堂知识传授效率进一步提高。国内大多数高校教师发展中心教学技能培训的主要目的，就是帮助在专业上有学术成就的教师掌握授课技巧，使教师能够在课堂上把教材里的知识通俗易懂地讲出来，帮助学生理解和掌握，从而完成知识传授的任务。许多教师针对不同力学的课程已经开展了相应的教学改革。如周在进[1]针对大学物理的教学现状探讨了课程教学的改革和实践；阴冬胜等[2]在“四新”建设背景下，分析了新形势下高校人才培养的现状；赵耀等[3]以“四新”建设为背景，对大学英语课程思政建设改革进行了探索；向琳丽[4] 以“三高四新”为背景，探讨了高校思政教育工作；楼文娟等[5]针对浙江大学弹性力学的教学内容和教学方法等进行了改革和实践；王力东等[6]从材料力学教学出发，根据“三高四新”对土木工程人才培养提出的要求，对课程内容进行了改革。但是至今为止，针对本科弹性力学课程内容建设的相关研究仍较少。

哈尔滨工业大学在我国较早地开展了固体力学教学方法的研究和应用，在此期间承担了与工程结构分析相关的许多课题，并取得了辉煌的成绩，在国内外有着很大的影响。在总结研究工作成就和教学经验的基础上，赵书山教授带领团队率先在哈尔滨工业大学本科教学中开设了弹性力学课程，使哈尔滨工业大学成为国内较早开设此课程的高校之一，并广泛传播其基础知识。哈尔滨工业大学是一所多学科、开放式、研究型的国家重点大学，以培养研究型人才为主。弹性力学课程目标是使学生掌握力学和计算数学的基本概念、原理和方法，使学生能够正确利用力学和数学的基础理论，解决简单的工程力学的实际问题，评定结构的安全性和可靠性。所以说，弹性力学课程是一门与工程实际联系紧密的课程。目前，哈尔滨工业大学的弹性力学课程还采用以传统教师讲授为主的教学方法，教学内容理论性较强，导致学生将弹性力学中的数学方法应用于工程实际的能力较差、教学内容过于数学理论化、学生对课程的学习兴趣不浓，同时也错失了培养学生动手能力的机会。所以，有必要对弹性力学课程从教学内容、教学手段和教学方法等方面进行改革，以适应国家培养创新型人才的需要。

为贯彻育人的核心教学理念，本文对弹性力学教学设计进行了研究和实践，具体包括对教学内容、教学手段和教学方法等方面进行改革，开展“以学生为中心”的教学模式，以适应创新型人才培养的需要。

一、 研究内容

（一）课程内容改革

作为力学相关专业本科阶段最“高级”的一门课，弹性力学的教学内容改革需要根据学生培养要求，结合实际工程问题，多加入一些实例。同时，由于过去计算机水平及模拟手段的限制，传统课程理论叙述过多且缺少灵活的、更具有工程意义的数值模拟。因此，本课程将讲解包括有限元、有限差分的基本理论及数值实现等知识，通过实践让学生学会求解弹性力学问题。为了反映新兴材料的力学和数学问题，课题组在最近几年的本科生弹性力学课程中，不断结合国内外发展动态，对课程内容进行创新，不仅包含弹性力学等核心课程的基础理论与基本概念，同时兼顾近十几年来弹性力学计算方法研究的最新进展，使得哈工大弹性力学课程教学一直紧跟固体力学科学研究发展的步伐，与时俱进，不断为课程教学增添活力。

（二）教学方法改革

高校“四新”建设已在思想、技术、结果上体现了先进性，也适应了国家构建新发展格局的需要。弹性力学为了适应现代教育下的人才培养需求，需要对课程教学内容进行改革。同时，随着计算机、大数据和人工智能等技术的飞速发展，科学工程计算在自然科学、社会科学和工程技术等许多领域有着广泛的应用，是解决诸如热学、力学、电磁学等问题的重要手段。将最新的数值计算方法加入课程的教学内容当中，充分体现了弹性力学课程的高阶性和研究性。通过本课程的学习，学生基本掌握了弹性力学的基本知识、方法及其原理，培养了分析、判断、计算和实验的能力，基本具备了应用计算机从事科学和工程计算的能力，为继续学习专业课程奠定了基础。

（三）教学手段改革

弹性力学课程具有涉及数学理论多、教学内容多、课程学时少等特点，因此，为了能在有限的时间内使学生更好地掌握课程内容，教师要在教学手段上进行改革。此外，在期末考核方面，因为课程学习中有大量的数学公式，学生很难全部记忆和理解，所以课程的考试试题也应该相应地进行调整。学生不需要准确记忆任何数学表达式，即可完成本课程的考试。试题中附有基本公式表，且近1/3的题目是学生须在理解相关基本概念的基础上，利用必要的文字、公式推导、图表或举例等灵活发挥的问答题，同时还要提高平时成绩的比重。

二、具体实施计划

随着时代的发展，社会对人才的需求也不断变化。哈尔滨工业大学弹性力学课题组始终以培养创新型人才、建设国际一流学科为己任，对弹性力学课程进行了一系列教学改革，主要包括课程内容改革、教学方法改革、教学手段改革等。

（一）教学内容改革

内容是课程的重要载体。弹性力学主要研究弹性体因受外力作用或温度改变等而发生的应力、形变和位移等问题。它是对复杂、大型工程结构进行严密和精确的强度、刚度和稳定性分析必备的基础理论，是塑性力学、断裂力学、有限元、结构优化设计等力学专业课的先修课程，对于毕业设计阶段乃至后续的学习和工作中解决航空航天、土木、机械、能源、交通等各领域中更复杂的相关力学问题（如弹性动力学、非线性弹性体、粘弹性体、各向异性和非均匀弹性体力学、热弹性、水弹性和气动弹性力学等）也是必不可少的。课程目标要求具体如下。

课程目标1：理解和掌握弹性力学的基本理论（基本概念、基本方程和基本解法）以及一些问题的基本解答方法，包括三大基本方程（平衡微分方程、几何方程和物理方程）、相容方程、圣维南原理的应用、逆解法和半逆解法、应力函数、位移函数等，具备对简单平面和空间弹性体进行应力、应变和位移计算以及求解薄板小挠度弯曲问题的知识基础。

课程目标2：通过本课程的学习，培养学生通过弹性体应力、应变和位移等知识来进行数学建模及求解的综合能力，并善于应用这些理论和方法解决工程实际问题，同时为后续课程打下坚实的基础。

从课程目标中不难看出，一方面课程内容强化了教育部发布的《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中提出的新工科的定位；另一方面对各项内容实施的类型进行了规定，“弹性力学基本理论和基本方程”为必修必学，“有限元和有限差分方法”为必修选学，这就为新时代弹性力学课程教学在内容方面的改革明确了方向。

（二） 教学方法改革

教学方法是为达到教学目的而组织的一种有秩序的教师工作方式和学生活动方式的总和。苏联教学论专家斯卡特金主编的《中学教学论——当代数学论的几个问题》一书将教学方法定义为：教学方法是教师为组织学生的认识活动和实践活动，以及确保学生掌握教育内容而进行的一系列有目的的行动。不管任何教学方法，都主要由教师、学生、知识和载体四种要素组成，这四种要素的变化及有机结合，演变出多种多样的教学方法。

1.谈话教学方法

谈话教学方法是在教学过程中，教师根据学生已有的知识经验提问学生，激发学生思维，引导学生对所提出问题得出结论，从而使学生获得知识的一种教学方法。其主要包括：（1） 疑问法，在教学中以不肯定的口气提出问题，使学生发现问题所在，让学生自由回答。（2） 引导法，启发学生对问题进行深入思考，并提出合理的解决方法。所留问题要能激发学生的思维，培养学生的能力，促进其对知识深刻系统的理解，进一步促进知识的概括化，提高学生学习的水平。（3）反问法，针对具体的问题，教师不给予直接的回答，而是根据问题反问学生与该问题有关联的问题，从而使学生能够理解弹性力学中一些比较难懂的概念和理论。（4）提问法，“思维始于问题与惊奇”，提问可以更好地启发学生的思维。在课堂教学中，教师可根据实际教学情境提出问题，使学生能集中精力，积极思考并回答问题。

2.课堂讨论教学方法

针对课程内容中的重点问题或疑难问题，让学生在独立钻研的基础上共同进行讨论，最后得出正确结论。本课程讨论在全班范围内进行。讨论教学法包括如下步骤：

（1） 准备阶段。针对弹性力学课程的重点内容，布置讨论题目，如在极坐标系下弹性力学基本方程的推导过程中，如何利用直角坐标系下的解答直接推导出来？

（2）讨论阶段。教师担任主持人，针对具体的内容和讨论的目的，积极引导学生发言，使讨论不冷场和不跑题，鼓励学生积极地表述自己的观点。在讨论中应尊重所有人的意见，不给出对或者错的评价，使参加者处于一种愉快自由的氛围。在组织讨论中，常用“谁还有不同的意见？”“这位同学回答得对吗？”等问题“牵引”学生的思路、逐步逼近问题的重点。

（3）总结阶段。根据讨论的情况和教学目的进行总结，明确问题的正确答案，纠正错误的思想与观念，对于表现突出的学生（准备充分、发言踊跃、思路清晰、思考问题方法新颖、认识问题深刻、表达能力强等）应给予一定的表扬。教师要充分利用讨论课，让知识来源于学生，又回归于学生，利用学生的思路教育学生，利用学生的语言教育学生，这样能更好地发挥讨论课的“多功能”作用。

3.六课型单元教学方法

六课型单元教学方法主要包括以下内容：

（1）自学课：针对学校整体课程学时减少但弹性力学课程内容比较多的情况，要求学生按照教师拟定的自学提纲进行独立思考，从而基本掌握特定的学习内容。

（2）启发课：解决学生在自学课中难以独自解决的共性问题。

（3）复习课：解决全班学生通过自学课和启发课仍未解决的问题，并在此基础上，将所学单元的知识系统化，使学生掌握最基本的理论和概念。

（4）作业课：学生通过完成一定量的精选作业，使所学的新知识具体化，形成与新知识相关联的新技术。

（5）改错课：课下选取典型弹性力学习题并且要求学生互相批改作业，如果有学生做错了作业，分析做错的原因并改正错误，正确理解新知识和掌握新技能。

（6）小结课：学生通过作业和改错两个课型，使知识和技能进一步概括化、系统化。

（三）教学手段改革

党的二十大报告强调，要推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国。教育部办公厅印发的《基础教育课程教学改革深化行动方案》明确提出，要推进“数字化赋能教学质量提升”行动，强调构建数字化背景下的新型教学模式，助力提高教学效率与质量。弹性力学课程具体教学手段如下。

1.课堂讲授采用计算机辅助教学

开展融于教学全过程的计算机伴随式教学。数字技术赋能使得数据获取更加方便、类型更为多样、加工更为深入、应用更为及时，有助于教学实施。注意融课前、课中、课后于一体，借助数字技术进行全过程教学：课前了解学情，课中把握教学进程，课后检测目标达成情况。

2.采用参与式教学

充分的互动能促使学生高度投入与深度参与教学过程，促进学生高阶思维、团队协作能力、社会情感等的发展。充分发挥数字技术拓展时空的优势，丰富合作学习的途径，引导学生通过独立思考、充分表达、相互包容、沟通交流的途径深化内容理解、发展合作能力；促进师生交流与生生互动，提升学生的参与水平，发展学生分析、评价、反思、创造等高阶思维能力。

总之，高校可以充分利用数字技术在拓展教学时间与空间、提供学习资源与工具、增进学生体验与互动、支持数据采集与运用等方面的优势，从体现教育公平、发展核心素养、深化学习体验、增进互动交流、保护身心健康、促进个性发展等方面着手，通过提炼具体的实施路径与策略，开展由点到面的实践，开发可复制推广的工具，推动课程教学改革深化发展。

三、课程考核的方式方法

本课程突出过程性考核，将综合能力和人格养成作为评价的重要内容，改变以往以试卷评价（考试成绩）为主的单一形式，将平时的小测验、作业跟踪、个别质疑答疑、典型习题例题剖析等与期末考试相结合，建立多元化评价学生的机制，注重学生知识、能力、人格的协调发展。总评成绩=期末考试成绩+过程考核成绩，如表1所示。

四、结论

在“四新”建设背景下，本文通过对弹性力学课程内容进行改革，明确了课程研究的重要性和必要性。首先，本课程适当引入更具有工程意义的数值模拟，因此，本课程将讲解有限元、有限差分的基本理论及数值实现等知识，通过实践让学生能够求解弹性力学问题；不断结合国内外最新前沿发展动态，对课程内容进行了创新和实践，更系统全面地架构了知识体系，显著丰富了课程的信息量和学术内涵，提高了课程的实用性，横向拓展了课程的广度及学生的知识面。其次，通过谈话教学方法、课堂讨论教学方法、六课型单元教学方法，促进学生全面而有个性地发展。最后，突出过程性考核，将综合能力和人格养成作为评价的重要内容，建立多元化评价学生的机制，注重学生知识、能力、人格的协调发展。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 周在进.“四新”背景下大学物理教学改革与实践[J].科技视界，2021（33）：57-58.

[2］ 阴冬胜，刘志静，张锋.“四新”背景下综合性大学跨学科复合型人才培养路径研究[J].当代教研论丛，2023，9（1）：85-88.

[3］ 赵耀，高芳.“四新”背景下大学英语课程思政建设教学改革实践与探索[J].成才，2023（2）：119-120.

[4］ 向琳丽.“三高四新”背景下高校思政课程的构建研究[J].产业与科技论坛，2023，22（12）：235-236.

[5］ 楼文娟，梁洪超，杨骊先.《弹性力学》课程教学改革探析[J].高教论坛，2015（7）：40-44.

[6］ 王力东，郝海霞，彭旭龙，等.“三高四新”背景下土木工程专业《材料力学》教学改革探索[J].创新创业理论研究与实践，2022，5（16）：8-10.

［责任编辑：刘凤华］