在工科的专业课程体系中,力学作为专业基础课程,其重要性不言而喻。力学基础概念和其特有分析方法的掌握是决定专业设计类课程的关键,基于此原因,诸多高校教师对基础力学课程的教学进行了一系列的改革和探索^[1-3],虽取得了一定的效果,但依然未能在广泛范围内解决基础力学课程教学推进难的问题。大多数学生,特别是基础较差的学生,对力学课程的学习甚至达到了"闻风丧胆"的程度,各类现代教学手段、新的教学理念以及逼迫性学习等方式似乎对于现阶段学生学习动力的刺激收效甚微,如何有效地推进基础力学课程的教学,是现阶段高校工科教学亟待解决的问题。

笔者结合近8年独立学院基础力学教学经历总结发现,造成学生对力学课程普遍的恐惧感,已经从自身基础差、不勤奋和课程枯燥难度大等原因上升到课程定位不明确、专业知识离散和发自内心的排斥性问题。纠其原因,不外乎态度、动力和激情三个方面,不仅是学生学习态度、学习动力和学习激情影响课程学习的好坏,教师的职业态度、传授的动力和上课的激情更是影响一门课程甚至是一个专业课程体系的效果。

各类新的教学方法和教学手段对课程的影响具有一定的局限性,不仅有地域、时间、学生层次、教学条件等的局限性,更有专业课程体系的局限性。如前几年盛行的翻转课题、慕课等,到疫情期间大规模的各类在线学习平台等,将课程的主体逐步由教师转化为学生,大部分学习主动性差的学生使得课程效果往往达不到预期;此外,很多教师将专业分析软件融入教学^[4-5],虽然能够帮助学生直观地理解和学习,但大部分情况下学生力学课程学习时是缺乏专业知识储备的,特别是对于层次不高的院校学生,基本是知其然不知其所以然。由此可见,有效的力学课程教学不仅要融入新的教学手段和方法,更要从实际问题出发,结合实践实验、考研专业课和学科竞赛等方面,充分明确基础力学课程在专业课程体系中的定位,分层次激发学生学习的动力和激情,在解决实际问题的过程中逐步有效地推进课程的教学。

本文在2020年秋季学期的分析基础上,结合对全国大学生结构设计大赛赛题的研究,从竞赛角度剖析了基础力学课程的实际应用性,思考以结构设计大赛为导向的工科力学课程的教学,以促进基础力学课程有效的教学体系的建设。

荀子曾说过:"不闻不若闻之,闻之不若见之", 捷克教育家夸美纽斯在《大教学论》中也提到了直观性原则,可见直观性的教学比抽象化的教学更具有效果。力学课程自身的性质决定了其抽象性和理论性的特点,而很多实际问题的解决方式,却掩盖了力学的重要作用,因此,力学知识点的实际应用在课程教学中显得尤为重要。

较为简单的方法是将实际工程和科研项目融入课程^[6-7],笔者经过多年对所在学院学生的课程引导和对竞赛的指导发现,绝大部分工科学生对结构设计竞赛的喜好程度远甚于其他形式,一是因为结构设计大赛的直观性强,其次是模型制作到加载的整个过程让学生具有较高的参与度和成就感。由此,本文以第十四届全国大学生结构设计大赛赛题为例,对基础力学课程的实际应用性进行剖析。

2020年3月31日,全国大学生结构设计大赛组委会发布了第十四届赛题,以承受竖向静力和移动载荷的桥梁结构为设计对象。结构模型制作指定为给定参考力学指标的竹材,采用2次竖向静载和1次动载的三级加载方式,其加载如图1$\sim$图3所示^[8]。

工科的力学课程体系中,三大力学(理论力学、材料力学和结构力学)占有十分重要的位置,也是工科教学的重点,学生对专业课程的理解程度是和本身数学及力学基础有最为直接的关系。以本次赛题为例,模型制作和分析过程几乎囊括了三大力学的大部分重点知识点,也是促进学生力学课程实际应用的一个较好的例子,其课程应用性剖析如表1所示。

以笔者所在学院土木水电学部为例,水利水电工程、土木工程、道路桥梁与渡河工程、工程管理和工程造价5个本科作为工程建设类集群专业均要学习基础力学,总结近些年力学的教学情况,存在如下几个同类院校均具有的问题:

(1) 师资条件和硬件条件的不足

相比较诸多省部属高校而言,独立学院和民办高校大多存在师资和硬件问题,笔者所在学部讲授力学课程的自有教师仅有4人,除了承担所有专业的力学课程外,还需要承担其他专业课程的讲授,课程教学压力大,课程所需要的各类软件、实验设备等均不足,多数情况下依然采取传统的教学模式,课程内容的推进艰难。

(2) 学生的基础和主动性较差

学生的基础较差和懒散性是高校教育中一个最主要的问题,课程学习的目的性缺失、课程在专业系统中的定位不明确、以及所需的导前课程内容的遗忘,均是造成前文所述的力学学习恐惧感的原因。除了研究生专业考试需求、参加竞赛获奖等目的性和兴趣性较强的时间段,其他时候学生均是以应付考核考试为主,主动性较差也导致其学习问题的堆积,加之外界一系列的诱惑因素,久而久之会造成内心的反感,甚至是放弃学习。

(3) 教师团队协作较差

现阶段高校教师的考核政策是不利于教师形成团队效应的,如论文、教科研项目、竞赛指导等均过于凸出负责人的作用,降低了其他教师的主动性和积极性,逐渐造成教学改革和课程改革的困难。

基于上述存在的问题,本文试图以结构设计大赛为驱动,以指导竞赛调动教师授课的协作性和主动性,以兴趣促进学生学习的自主性和积极性,强化推进基础力学课程的教学。

(1)课程兴趣和学习目的的引导

力学课程开设初期需要有效的兴趣引导,以竞赛获奖案例、学分置换、课程加分、就业优势等方面促进学生的兴趣,同时借助赛题的实际应用剖析内容强化学生学习的目的性,达到学以致用解决实际问题的引导目的。

(2)明确课程性质及定位

力学课程教学过程中要不断地强调课程的性质和定位,需要授课教师充分理解力学课程体系的特点和以竞赛为导向的课程应用性剖析,明确课程内容、需求的导前课程、后续的衔接课程等,以此为基础进行所授课程的教学设计。

(3)剖析赛题内容联动课程教学

在引导学生兴趣和明确课程性质及定位的基础上,以赛题为背景,剖析完成竞赛所需要的力学知识点,形成多类子课题融入课程授课内容,联动三大力学的教学过程,促使学生逐步完成竞赛的同时串联并掌握力学课程内容。

(4)课程设计内容巩固

结合专业课程设计中的力学计算内容,将竞赛模型作为研究对象布置课题,在课程设计过程中重新巩固相关力学知识点的同时,将学生形成的不同分析过程和结论的成果进行对比,为竞赛优选方案做准备。

(5)毕业设计等实训实习课程的强化

在本科阶段学习的后期,毕业设计等实训实习课程的目的是强化专业知识体系和专业技能,对于独立学院层次的学生来说,不需要把课题做的十分高端精致,甚至是采用诸如数值分析、数值模拟等未学过的内容来提升本科毕业设计课题的"档次",同样可以采用赛题内容作为对象,让学生从课题分析、力学模型抽象、力学计算、软件建模、实物模型制作等方面展开,在强化专业知识体系的同时,再次强化力学课程内容。

开课前引导、课程教学中学习和课程结束后巩固强化的三阶段教学设计是多数课程常用的方式,但如何达到切实可行的效应,则是对授课教师的考验和要求,其中开课前的兴趣引导和课程结束后的巩固强化是课程教学效果和连续性的关键环节,以大赛赛题为导向的课程三阶段教学设计如图4所示。

其核心思想为:以赛题内容为中心,将所需基础力学课程知识点融入到相关专业课程教学,通过前期引导、中期教学和后期巩固三个阶段的教学过程,建立有效的基础力学课程体系,突破传统教学中学生学习兴趣小、涉及课程少、实践应用不明显的局限,达到从教师讲授为主到学生主动学习为主的教学目的。

结合上述设计的三阶段教学形式,在本次疫情期间的线上教学过程中进行了初步尝试。教学初期,将赛题内容分解融入到认识实习讲座、学科概论和基础力学的第一课,充分调动学生的兴趣进行开课前的引导,强调基础力学的定位、性质和目的;按照表1设计的教学内容,在基础力学课程教学过程中设计实例进行剖析,建立力学模型并优化,分析和训练赛题的力学知识点,以设计竞赛方案的形式进行第二阶段的课程教学;在基础力学课内实践和专业课程中分析赛题材料的力学属性、在结构类课程设计中进行赛题模型的力学计算、在毕业设计环节设置相关课题进行设计和分析,以论证竞赛方案的形式进行第三阶段的强化训练。传统教学和三阶段教学方法力学课程体系对比如图5所示。

通过近一个学期的教学实践,各专业基础力学的教学情况取得了一定的成效,以工程造价专业为例,通过前期引导和教学中赛题的融入,提高学生兴趣的同时,强化巩固了力学基础概念和知识点,同专业基础力学摸底测验卷面平均分由去年的67.98提升至今年的71.49,平均分数提高了3.51%,与此同时,在各专业课程体系中的试验类课程、软件类课程和课程实践等环节均引入赛题相关内容,再次强化训练基础力学知识点,达到了良好的教学效果。

力学作为工科的基础课程,其教学在专业课程体系中是极其重要的,如何消除学生学习的恐惧心理和有效推进力学课程的教学,是现阶段高校工科教育的关键问题之一,本文思考了以全国大学生结构设计大赛作为背景资料,对第十四届赛题进行了力学课程实际应用性剖析,初步建立了以大赛为导向的三阶段力学课程教学设计,并在疫情期间基础力学教学过程中进行了实践,达到了良好的效果,下一阶段笔者将进一步研究三阶段的教学内容,并在疫情结束后逐步推进和完善工科力学课程体系,促进学院力学课程效应推进的同时,也为其他专业课程的建设提供一定的参考。