“新工科”背景下工程力學(xué)課程教學(xué)方法改革探索

張旭 方艷 邢靜忠

摘? ?要：在“新工科”建設(shè)背景下，基于工程力學(xué)課程既有完整的理論體系，以及計(jì)算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)強(qiáng)大的代數(shù)、數(shù)值計(jì)算、圖形顯示功能，從人才培養(yǎng)的新模式出發(fā)，結(jié)合具有數(shù)學(xué)環(huán)境的軟件仿真平臺(tái)，積極開展?jié)M足不同學(xué)習(xí)對(duì)象需求的工程力學(xué)知識(shí)點(diǎn)課后在線輔助訓(xùn)練。研究表明：通過課程教學(xué)模式改革可以促進(jìn)學(xué)生的自主、獨(dú)立學(xué)習(xí)以及探索、創(chuàng)新能力提高，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)? 新工科? 人才培養(yǎng)? 課后輔助訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（a）-0210-02

《教育部高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實(shí)踐的通知》中將“新工科”歸納為“五個(gè)新”，即工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系?！靶鹿た啤币詰?yīng)對(duì)變化、塑造未來為建設(shè)理念，進(jìn)行現(xiàn)有人才培養(yǎng)模式的改革創(chuàng)新，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，是“卓越工程師計(jì)劃”的升級(jí)版。未來的工科人才，即應(yīng)在某一學(xué)科專業(yè)上學(xué)業(yè)精深，又應(yīng)具有“學(xué)科交叉融合”的特征，不僅能運(yùn)用所掌握的知識(shí)解決現(xiàn)有問題，還有能力學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)去解決未來發(fā)展出現(xiàn)的問題。

工程力學(xué)是非機(jī)械類工科專業(yè)學(xué)生感到困難的一門在各類工程結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)中有著廣泛應(yīng)用的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。教學(xué)目標(biāo)為：（1）能夠?qū)⒑?jiǎn)單工程結(jié)構(gòu)抽象成力學(xué)模型，進(jìn)行靜力分析和計(jì)算;（2）對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性有明確的基本概念和必要的理論基礎(chǔ);（3）通過實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生具有一定創(chuàng)新性、綜合性的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?（4）初步具備解決工程實(shí)際問題的能力，為后續(xù)課程打好必要的理論基礎(chǔ);（5）培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、抽象思維能力、創(chuàng)新能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。本文通過對(duì)“新工科”教育理念的分析，確定“新工科”人才培養(yǎng)的具體目標(biāo)和方向，并結(jié)合天津工業(yè)大學(xué)人才培養(yǎng)定位，利用計(jì)算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)（CASes）實(shí)現(xiàn)工程力學(xué)課程在線自主學(xué)習(xí)及輔助訓(xùn)練的人才培養(yǎng)模式。

1? ?“新工科”建設(shè)下人才培養(yǎng)方向

傳統(tǒng)工科辦學(xué)社會(huì)適應(yīng)力低，且人才的適應(yīng)性具有一定局限性。為響應(yīng)“中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”和“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”等國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，服務(wù)新經(jīng)濟(jì)和新產(chǎn)業(yè)，工程教育和人才培養(yǎng)模式均需要進(jìn)行全方位的變革[1，2]?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)下人才培養(yǎng)擬在以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

1.1 培養(yǎng)以工程能力為核心的創(chuàng)新人才

“新工科”建設(shè)形勢(shì)下，人才培養(yǎng)應(yīng)以工程能力為核心，即培養(yǎng)學(xué)生“大工程”觀，通過項(xiàng)目為載體來組織課程、建立課程之間的聯(lián)系。具有工程意識(shí)和能力的教師是新型工程師培養(yǎng)的直接實(shí)施者，即其既要有較高的專業(yè)素養(yǎng)、寬廣的知識(shí)結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的科研能力，又要有廣泛的社會(huì)工作聯(lián)系、豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的實(shí)踐能力。但國(guó)內(nèi)高校教師大多是博士畢業(yè)后直接到學(xué)校任教，理論水平高而實(shí)踐水平低。他們可通過定期參與大型工程項(xiàng)目提高工程意識(shí)和能力，或與聘請(qǐng)的具有豐富工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工程師共同指導(dǎo)學(xué)生。

1.2 教學(xué)采用理論與實(shí)踐結(jié)合

“新工科”教育理念下的人才培養(yǎng)，需要進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、方式以及手段的全面改革。將傳統(tǒng)注入式改為以問題導(dǎo)向的啟發(fā)研討式教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生將知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐生產(chǎn)的能力。教學(xué)模式以教師為中心的教型轉(zhuǎn)向以學(xué)生為中心的學(xué)型，將課內(nèi)與課外相結(jié)合、課堂與工程相結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。教師的科研成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可融入理論教學(xué)，使教學(xué)內(nèi)容具有前沿性、新穎性和實(shí)踐性，并利用工程案例模擬或虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握一定的專業(yè)技能、理論知識(shí)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

13 學(xué)科的交叉與綜合

“新工科”在新經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)下學(xué)科交叉與綜合的特點(diǎn)更加突顯。學(xué)生需要在更廣泛的專業(yè)交叉和融合中學(xué)習(xí)，既要學(xué)習(xí)工程知識(shí)，也要理解哲學(xué)和政治，從而具備整合、領(lǐng)導(dǎo)、實(shí)踐等綜合能力以及全球視野。教師需要改變?cè)械慕虒W(xué)觀念和思維，將工科課程與理科的知識(shí)和思維方式結(jié)合、文科課程與理科研究方法結(jié)合，開設(shè)跨專業(yè)的必修、選修課，在課程講解中融合不同學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)。

2? “新工科”建設(shè)下工程力學(xué)課程在人才培養(yǎng)模式方面的改革措施

當(dāng)今科技發(fā)展日新月異，新知識(shí)、新技術(shù)層出不窮。授人以魚不如授人以漁，孔子帶弟子的“因材施教”模式將提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生在有限的教育年限內(nèi)掌握盡可能多的現(xiàn)代知識(shí)[3]?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)要求高等教育要更新本科人才培養(yǎng)理念，回歸人才培養(yǎng)“以學(xué)生為中心”的初心，這與“因材施教”相一致。“以學(xué)生為中心”要求在課程教學(xué)過程中將全員化發(fā)展與個(gè)性化發(fā)展相結(jié)合，既要關(guān)注到每一個(gè)學(xué)生的發(fā)展，又要關(guān)注到學(xué)生的差異化發(fā)展[4]。因此，在目前大班授課的教學(xué)環(huán)境下，采取適合于每一個(gè)學(xué)生個(gè)性的在線自主學(xué)習(xí)及輔助訓(xùn)練模式，是彌補(bǔ)大班課授課不足的有效措施，同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和能力的重要手段。

工程力學(xué)課程包括理論力學(xué)的靜力學(xué)和材料力學(xué)的大部分內(nèi)容。靜力學(xué)介紹構(gòu)件在平衡狀態(tài)下必須滿足的平衡條件，并借助平衡方程求解平衡狀態(tài)下物體系的支座反力，或系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)件之間的相互作用力，為材料力學(xué)中的結(jié)構(gòu)分析和內(nèi)力計(jì)算奠定基礎(chǔ)。材料力學(xué)介紹構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等基本概念和必要的理論基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單構(gòu)件的強(qiáng)度校核、變形計(jì)算和剛度設(shè)計(jì)等。

通過對(duì)工程力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的分析，確定利用計(jì)算機(jī)完成主要知識(shí)點(diǎn)訓(xùn)練素材動(dòng)態(tài)生成和求解的具體思路，借助計(jì)算機(jī)軟件在個(gè)性化設(shè)定、學(xué)習(xí)內(nèi)容更新和訓(xùn)練內(nèi)容更符合學(xué)生個(gè)性特點(diǎn)等方面的優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)者和主動(dòng)參與者[5]。先采集學(xué)生的個(gè)性特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)，再利用CASes編制相應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)內(nèi)容及其輔助訓(xùn)練素材的在線動(dòng)態(tài)生成。學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)狀況和目標(biāo)，選擇合適難度系數(shù)和類型的題目，由在線輔助訓(xùn)練系統(tǒng)生成習(xí)題和引導(dǎo)學(xué)生逐步求解并給出習(xí)題答案，達(dá)到重點(diǎn)知識(shí)訓(xùn)練具有針對(duì)性的目的，實(shí)現(xiàn)因材施教和個(gè)性培養(yǎng)的新教學(xué)模式。

3? 結(jié)論

通過分析“新工科”建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)的新要求和新目標(biāo)，提出“新工科”背景下的工程力學(xué)課程教學(xué)模式改革新思路。學(xué)生利用CASes編制的課程主要知識(shí)點(diǎn)輔助訓(xùn)練素材動(dòng)態(tài)生成程序，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的自主學(xué)習(xí)，達(dá)到高校教學(xué)注重學(xué)習(xí)方法與能力培養(yǎng)、跨界交叉融合、“新工科”人才培養(yǎng)順利實(shí)施的目的。本文提出的教學(xué)改革方法對(duì)于類似課程的教學(xué)也具有一定的適用性和借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳春英，谷風(fēng)，白鷺，等.新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的幾點(diǎn)建議.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，35（2）：13-15.

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[3] 張旭，邢靜忠.基于代數(shù)系統(tǒng)的力學(xué)輔助教學(xué)與個(gè)性化培養(yǎng).力學(xué)與實(shí)踐，2012，34（2）： 80-82.

[4] 葉紅玲，楊慶生，劉趙淼.新工科背景下《理論力學(xué)》課程教學(xué)的幾點(diǎn)思考.北京力學(xué)會(huì)第24屆學(xué)術(shù)年會(huì)，2018.

[5] 邢靜忠.計(jì)算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)Maple在力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探討.力學(xué)與實(shí)踐，2010，32（4）：96-101.