面向新工科的力学类课程教学改革与实践研究

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  摘 要:面向新工科,力学类课程教学改革重在对学生力学思维的培养。从专业层面优化力学类课程体系,本专业的人才培养方案中体现对力学思维有层次递进式的培养:力学思维养成→力学思维提升→力学思维深化;从课程层面以三段式教学为主,辅以课程思政进课堂、项目式教学等教学方式进行改革,注重思维教学;对应完善了教学评价方法,实现了多样化考核环节及多元化教学评价方案。
  关键词:新工科;力学思维培养;思维教学;教学评价多元化
  
  1 绪论
  自2016年“新工科”被正式提出以来[1],“知识产权设计+自主研發能力”是新经济形势下新工科建设的需要。新经济形势下新工科建设将目光聚集在工科从业者的基本素质上,要求工科从业者学识基础及专业知识宽厚扎实,不仅要具备独立自主知识产权的工业设计能力,而且还需要掌握扎实的力学计算和分析能力。由于在解决高技术领域发展中的突出问题上,力学发挥着关键性的作用,因此,力学课程被视为“新工科”的一门核心课程,以适应新经济形势下创新型应用型人才培养的新需求。
  面向新工科的力学类课程教学改革,应通过力学课程学习培养学生的力学思维。
  面向新工科的力学课程教学改革,应当将聚焦于力学思维的培养。故本力学类课程教学改革以力学思维培养为导向,为培养基础及专业知识宽厚扎实的创新型应用性“新工科”人才培养进行实践性探索。
  2 现状分析
  我国目前工科培养力学教学中存在以下问题:
  2.1 力学课程体系不完整
  2003年黄再兴[2]等人就对大学工科专业力学课程进行了调查分析,相比国外工科专业对力学课程的重视程度,国内则相差甚远:国内高校中力学课程学分占比毕业总学分仅为6.4%,欧美国家高校这一比例达到11.8%;我国在过去一段时期侧重于“拿来主义”,缺乏理论的深度研究,由此导致国内高校力学课程体系不完整,直接影响了工科从业人员的创新能力培养,无法满足新工科的发展对创新型应用性人才的需求。
  2.2 传统的教学模式的局限性
  传统力学教学无法适应新工科的发展需要。如今,学生普遍面临着科学理论与工程应用实际脱节的困境,缺乏将数学,力学原理及工程有机关联。再加之近年来教学改革的大背景影响下,力学类课程课时缩减,学生的学习兴趣在传统的教学模式在难以被激发,从而出现厌学现象,不及格率居高不下,让学生对力学课程望而生畏。[35]
  2.3 课程考核方式单一
  重期末考试,轻平时成绩的传统力学课程考核方式,必将导致学生平时不认真,考前集中突击;所谓应试教育的弊端显现无疑,出现部分学生高分低能现象,这与当今新工科人才力学素养的初衷背道而驰。
  显而易见,在新工科建设的大背景下对工科从业人员的力学素养需求大大增加;而当下的教育改革现状却是工科教育中力学课程课时被压缩,由此导致力学课程体系不完整;传统的知识教学又难以激发学生的学习兴趣,甚至出现厌学现象,考试及格率令人担忧等。而这些则成了当前我国工科人才培养中的绊脚石,严重阻碍新工科发展。因此,力学课程的教学改革势在必行且迫在眉睫,这样才能确保“新工科”人才培养的大局。
  3 力学类课程教学改革设计与实施
  教学改革以力学思维培养为导向的培养体系展开,具体如下:面向新工科,故提出以培养学生的创新能力的培养与运用为教学目标,以力学思维培养为导向,结合我校土木工程专业办学定位和专业特色,通过优化现有的力学课程体系,实现力学思维有层次递进式的培养;思维教学贯穿力学类课程的教学,重在课程层面培养学生的力学思维;注重考查学生力学思维的运用,教学评价方法进行改革;培养具有扎实的力学计算和分析能力的创新型新工科人才进行实践性探索(如图2所示)。
  3.1 优化现有的力学课程体系
  力学思维的培养不是通过学习一两门力学课程就能实现,需要开设一系列的力学课程,有针对性开展培养。以力学思维的培养为基础,根据本院土木工程系现状,合理优化现有的力学课程体系。通过力学课程体系的优化,实现力学思维有层次递进式的培养(如图3所示)。
  力学课程门类众多,即需要梳理力学课程之间的脉络关系;还需要结合本院土木工程专业现状,选择合适的力学课程。因力学课程的学习难度大,要做到既能实现力学思维有层次递进式的培养,又能适应我院土木工程专业的专业办学定位及专业特色。具体实施如下:
  高数、线代、概率论及数理统计等数学基础课程,以及理力、材力、结力三大力学作为基础类力学课程,通过这类课程学习重在培养学生力学思维的养成;
  弹性力学、水力学作为连续介质力学的基础课程,通过课程学习起到可提升学生力学思维的作用;
  有限元通过商业软件来解决复杂的工程问题,可以贯穿上述力学课程,同时也是上述力学课程之间的连接纽带。通过该课程学习将双向、可逆的力学思维深入运用。
  以此,实现力学思维有层次递进式的培养。
  3.2 教学方法改革
  如今,新工科建设对创新型应用性人才培养提出了更高的要求,其中之一就是快速学习的能力。代表着过去侧重于掌握科学知识已然无法适应新经济形势下创新型应用性人才培养的新需求,而如今新工科人才培养的核心将围绕如何让其更快速地学习、消化、吸收、应用各类科学知识及技巧的能力。因此,力学的教育应注重培养学生的力学思维。
  力学思维三个落脚点是工程、力学、数学。对学生力学思维的培养,宜采用三段式教学方法,即对应知识点要求学生按工程背景、数学基础、力学原理三个方面进行解读,归纳总结,绘制每章节的思维导图;针对教师指定的知识点,从工程背景、数学基础、力学原理三个方面以小组的形式开展三段式讲课。教学方法涉及教与学,故需要从教的层面以及学的层面进行教学设计,从而达到培养学生力学思维的教学目标。   教师层面:课前围绕每个知识点,依据工程背景,数学基础和力学原理进行梳理。授课中,先工程案例,再数学,最后力学的顺序,涉及的高数、线代、概率论与数理统计、理力和材力等知识点相衔接,实现数学和工程之间相互译,以培养学生的力学思维方式。
  学生层面:学生层面——依据学习金字塔理论,要求学生遵照工程第一,数学第二,力学第三的顺序,进行三段式讲课,从听说写等方面加深学生的力学思维培养,同时培养他们的团队意识,合作意识;带动成绩靠后的学生,提升学习兴趣,提高学习效率。
  当然,还需要辅以其他的教学方法:思想政治进课堂、项目式教学等。下面以结构力学第九次课求解静定桁架内力教案为例:
  能力目标:培养学生运用力学知识分析工程结构受力的能力,并学会利用力学逻辑、规则去解决实际工程问题并进而去建模、分析和评价设计方案的能力。
  德育目标:引导学生根据实际情况选择合适的对象求解,合适自己的就是最好。
  课程目标:运用杆系的几何组成规律、杆系结构的基本变形方法和计算原理等力学知识建立土木工程问题的力学模型,并利用杆系结构的边界条件求解静定结构的内力、位移。
  支撑毕业要求指标点1.2,呼应毕业要求1。
  教学手段:多媒体课件,在教室开展课堂教学,钉钉、云班课学习:查看教学资料和课件。
  教学内容及教学设计:
  (1)绘制静定刚架内力图(共5分钟)。
  ①课堂测验:要求2分钟内完成图示刚架的弯矩图。
  ②讲评分析思路,公布参考答案及评分标准,学生对照批改后按照要求上传。
  (2)用结点法、截面法求静定桁架杆件的轴力(共40分钟)。
  工程背景——导入(2分钟)。
  桁架桥的计算简图。
  设问:如何设计桁架桥?
  引出:求该桁架中杆的轴力。
  ①求支反力(3分钟)。
  明确对象→受力分析→列平衡方程→求解(力学原理)。
  重点:利用叠加法快速求支反力。
  ②求静定桁架杆件的轴力(15分钟)。
  a.结点法。
  平面汇交力系平衡方程求解杆件轴力(力学原理)。
  重点:斜杆轴力快速求法(数学基础),需按顺序选取结点,判断零杆。
  b.截面法(20分钟)。
  平面一般力系平衡方程求解杆件轴力(力学原理)。
  重点:选择合适的截面。
  ③结点法和截面法灵活应用(共15分钟)。
  重点:用最少的方程求解静定桁架。
  ④以上内容边讲要求学生边思考、边回答和边练习,3次课堂测验(30分钟)。
  ⑤小结(共5分钟)。
  a.利用投影杆系快速求斜杆轴力。
  b.结点选取原则。
  c.判断零杆。
  d.用最少平衡方程求解桁架杆件的轴力。
  重点:选择合适的对象列合适的平衡方程求解(课程思政:合适自己就是最好的)。
  思政设计:在求静定桁架指定杆轴力,在例题的讲解中,尝试用节点法、截面法以及不同的截面求解:
  (1)用节点法需要按顺序选择5个结点,列10个平衡方程才能求解指定杆的轴力;
  (2)截面法如果选择11截面,求不出指定杆轴力,还需要继续找对象列平衡方程;
  (3)最后尝试用22截面,巧妙选择对象,列合适的平衡方程,一个平衡方程就能求解。
  综合分析:选择合适对象,事半功倍。人生亦是如此,合适自己的就是最好的。
  3.3 完善教學评价方法
  完善教学评价方法要求不仅仅对学生理论知识的掌握进行全面客观评价,还要考查学生对理论知识的运用能力:如自我学习、实践、创新能力等。通过改革目前重考试的教学评价方式,加强对学生学习过程的监控,强调对平时学习的考核,突出对力学思维的运用能力考核。
  上课前要求学生自行分组,每组3~6人,要求有成绩靠前的同学,成绩中等的同学,也有成绩靠后的同学,确定小组长。后续学习均以次分组为基础开展教学活动。力学课程成绩考核如下:
  (1)平时成绩通过三方面进行考核:作业、云班课活动、三段式学习笔记。其中作业通过作业成绩、批改作业成绩进行考核。每周的作业由指定小组批改,批改前教师对参考答案及评分标准进行详细说明,指定小组批改作业并统计本周作业成绩;批改后该组学生需制作PPT,在课前上讲台讲评本周作业,取每个小组评分的平均分,结合作业批改质量,作为该小组批改作业成绩。每个小组批改一次作业;云班课活动通过云班课布置任务:课堂测验、答疑讨论、测试活动等方面进行考核,学生按指定时间按要求格式上传云班课,教师批改后,学生作为查漏补缺的依据,及时在三段式学习笔记中撰写小结;三段式学习笔记要求按照要求及指定的时间提交云班课。
  (2)力学思维运用能力通过三方面进行考核:学生三段式讲课、模型设计、力学竞赛。学生按三段式教学方法完成指定课程内容的讲课,以小组为单位实施,PPT及讲课是由学生组间互评,取平均分作为成绩,讲课总结由教师批改,综合得到三段式讲课成绩;模型设计通过组织学生以小组形式参加学校艺术节的科技项目——结构大赛实施,包括设计方案说明书、实物模型两部分组成;力学竞赛作为加分项,鼓励学生参加学校、学院组织的各类力学竞赛。
  通过模型设计和力学竞赛,给予学生更多的机会主动地将所学到的力学知识运用起来,加强对学生力学思维的培养,同时形成力学思维运用能力的考核方法。
  总成绩=平时成绩(30%)+力学思维运用能力(40%)+考试成绩(30%);
  平时成绩=作业(30%)+云班课活动(30%)+三段式学习笔记(40%);
  力学思维运用能力=学生三段式讲课(45%)+模型设计(45%)+力学竞赛(加分项)。
  (3)考试分为阶段性考试、期末考试。阶段性考试是指在完成一定知识单元学习,由教师提前安排场地、准备好试题,组织学生参加考试,通常每学期1至3次。在课程结束后由教务处统一安排期末考试。
  4 总结
  面向新工科力学类课程教学改革,重在培养学生的力学思维。分别尝试从专业层面,在专业人才培养方案中体现力学思维有层次递进式的培养;以思维教学贯穿力学类课程教学,以三段式教学方法为主,辅以思想政治进课堂、项目式讲学等教学方法改革;相应调整了教学评价方法,实现考核环节的多样化和教学评价多元化。文中以结构力学为例,取得了初步的教学效果。在今后的教学过程中继续完善持续改进。
  参考文献:
  [1]吴爱华,侯永峰,杨秋波,等.加快发展和建设新工科,主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究,2017(1):19.
  [2]黄再兴,胡海岩.国内外大学工科专业力学课程设置情况对比[J].力学与实践,2003,25(1):7273.
  [3]宋秋红,袁军亭,兰雅梅,等.关于普通高校力学课程课下练习环节的探讨与实践[J].新课程研究(旬刊),2014(10):3537.
  [4]陈静,黄良斌.探索力学难学根源 激发学生学习兴趣[J].科技信息,2009(25):111.
  [5]郑九华.力学课程不及格率居高不下的原因与对策探析[J].中国校外教育(旬刊),2013(22):8081.
  基金项目:2018年广东省教学改革项目“面向新工科的力学类课程教学改革与实践”(GDJX2018016)
  作者简介:王小蔚(1974— ),女,汉族,河北卢龙人,硕士,讲师,研究方向:计算结构力学的教学与研究。
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