淺談大數(shù)據(jù)時代土木工程專業(yè)本科理論力學(xué)課程教學(xué)改革

陳磊磊，程茹薈

(信陽師范學(xué)院，河南 信陽 464000)

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的普及給大數(shù)據(jù)的發(fā)展提供了良好的環(huán)境[1],數(shù)據(jù)本身沒有價值，但如果將獲取的所有信息進行大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用，就會產(chǎn)生無限的價值。當(dāng)前社會對于能夠適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的現(xiàn)代化科技人才需求量較大，急需具有大數(shù)據(jù)思維、能夠利用大數(shù)據(jù)分析處理問題的人才。在本科教育中，課程是培養(yǎng)人才的主要途徑，所以大數(shù)據(jù)時代的課程改革是十分必要的，理論力學(xué)課程也不例外。

理論力學(xué)是基礎(chǔ)力學(xué)學(xué)科，學(xué)習(xí)該課程可以為材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈塑性力學(xué)的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，同時該課程本身的嚴密性和強大的邏輯性也可以鍛煉學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。所以學(xué)好理論力學(xué)這門課程是每個學(xué)生必須達到的目標(biāo)。但是在木工程專業(yè)理論力學(xué)課程教學(xué)實踐的過程中還存在許多問題，在某種程度上沒有很好的把握大數(shù)據(jù)時代的契機，所以大數(shù)據(jù)時代理論力學(xué)課程的教學(xué)改革勢在必行。

1 《理論力學(xué)》課程教學(xué)現(xiàn)狀以及存在的問題

教學(xué)課程的三大主體是課堂、教師和學(xué)生，課堂是教學(xué)活動的載體，教師在課堂中起到引導(dǎo)作用[2]，學(xué)生是課堂的主體，三者必須相互協(xié)同，充分發(fā)揮各自的作用才能保證教學(xué)的順利實施。

通過對2018級土木工程專業(yè)兩個教學(xué)班理論力學(xué)課程的學(xué)習(xí)情況進行調(diào)查，制出了相關(guān)統(tǒng)計圖如(圖1)所示。其中只有8%的學(xué)生表示對理論力學(xué)很感興趣，掌握的“很好”，50%的學(xué)生表示掌握的“不太好”和“不好”。

圖1 2018級土木工程專業(yè)理論力學(xué)課程學(xué)習(xí)情況

針對上述調(diào)查結(jié)果，將從課程教學(xué)、教師、學(xué)生以及課程最后的考核方式四個方面查找問題，為后續(xù)的教學(xué)改革提供依據(jù)。

1.1 課程教學(xué)存在的問題

理論力學(xué)課程共72學(xué)時，18周，除去考試2周，共64學(xué)時。其中每周前三節(jié)為教師講授，第四節(jié)為習(xí)題課。理論力學(xué)課程理論性較強，公式推導(dǎo)過程繁瑣，三節(jié)課均為教師講授，使得學(xué)生失去了很多自主思考的空間，也沒有足夠的時間來引入與課程相關(guān)的最新科研成果和學(xué)術(shù)動態(tài)，課時分配不合理。另外，教學(xué)課程理論與實踐聯(lián)系不夠緊密[3]。課本上大多內(nèi)容都是抽象簡化的示意圖，這對于沒有實踐經(jīng)驗的學(xué)生理解較為困難和抽象，沒有很好的將理論和實踐相結(jié)合。

1.2 學(xué)生方面存在的問題

理論力學(xué)課程安排在學(xué)生入學(xué)的第一學(xué)年，大多數(shù)學(xué)生對高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理課程的相關(guān)知識掌握不夠牢靠，基礎(chǔ)不夠扎實，可能會因為一個簡單的數(shù)學(xué)公式不理解就漸漸失去了學(xué)習(xí)的興趣。每次涉及到公式推導(dǎo)，很多學(xué)生就會失去耐心，甚至產(chǎn)生畏難心理。另一方面，大多數(shù)學(xué)生缺乏主動性，只是在課上時間聽老師授課，課前的預(yù)習(xí)和課后的練習(xí)反饋做得不到位，對知識的不熟悉，理解不夠，應(yīng)用相關(guān)知識去解決問題較為困難。

1.3 教師方面存在的問題

教師在教學(xué)過程中，教學(xué)模式單一，通常采取“PPT+板書”的教學(xué)方法，滿堂灌，沒有意識到教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生的主體地位，導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)常被動的接受知識，沒有發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，與提高學(xué)生的工程素養(yǎng)的目標(biāo)不符。

1.4 考核方式存在的問題

課程的考核方式為期末考試、平時成績占總成績的70%、30%。期末成績的大比重導(dǎo)致了學(xué)生不注重平時知識的積累，臨近期末考試突擊復(fù)習(xí)，臨時抱佛教只為應(yīng)付期末考試的現(xiàn)象較為常見。同時，無法綜合全面的反應(yīng)學(xué)生的真實學(xué)習(xí)情況，教師也無法根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況適時的調(diào)整自己的教學(xué)方法。

2 《理論力學(xué)》教學(xué)改革的必要性

2.1 大數(shù)據(jù)時代高校教學(xué)改革的需要

教育部“高等學(xué)校教育質(zhì)量與教學(xué)改革工程”提倡深化教學(xué)改革，全面提高高等教育質(zhì)量，它與"卓越工程師培養(yǎng)教育計劃"相配合[4]，對增強工程人才的核心競爭力具有指導(dǎo)意義。在大數(shù)據(jù)時代背景下，《理論力學(xué)》的教學(xué)改革不僅是課程改革的需要，也是高等學(xué)校教學(xué)改革的必然性需求。

2.2 大數(shù)據(jù)時代培養(yǎng)高質(zhì)量的工程人才的需要

隨著大數(shù)據(jù)時代的悄然到來，各行各業(yè)的競爭日益激烈，社會迫切需要大量的高層次、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)人才投身國家的振興戰(zhàn)略中去，尤其是工程領(lǐng)域，對人才質(zhì)量的要求越來越高?！独碚摿W(xué)》課程作為工程相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)力學(xué)課程，也應(yīng)該以此為目標(biāo)，借助其課程嚴謹性、邏輯性和科學(xué)性等特點，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，提高學(xué)生的分析問題、解決問題的能力，為國家的建設(shè)輸送高質(zhì)量的現(xiàn)代化科技人才。

2.3 大數(shù)據(jù)時代課程自身重要性和發(fā)展的需要

《理論力學(xué)》這門課作為土木工程專業(yè)的三大力學(xué)之一，是學(xué)好后續(xù)課程的基礎(chǔ)，其地位的重要性決定了對其進行改革的必要性。完善教學(xué)改革也是課程自身發(fā)展的需要，發(fā)展促進改革，改革需要發(fā)展。只有這樣，才能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)其各方面的綜合能力，進一步促進教師教學(xué)能力的提升，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

3 《理論力學(xué)》課程教學(xué)改革措施

要注意的是，教學(xué)改革的實施者是教師，實施的對象是課堂、學(xué)生、教師本身和教學(xué)中存在的其他問題，教師必須針對每個改革對象實施相應(yīng)的措施。以下將從四個方面進行改進(圖2)。

圖2 大數(shù)據(jù)時代下理論力學(xué)課程教學(xué)改革措施的幾個方面

3.1 合理分配課時，理論聯(lián)系實際

將之前的每周前三節(jié)教師講授，第四節(jié)習(xí)題課改為前兩節(jié)為教師講授，第三節(jié)為復(fù)習(xí)討論習(xí)題課，最后一節(jié)為課外拓展。調(diào)整課時之后，原本三節(jié)講授課被壓縮為兩節(jié)。這種情況下就需要教師根據(jù)大綱需求，有些內(nèi)容精講，有些內(nèi)容就可以一帶而過。采用多媒體教學(xué)充分利用課堂時間，信息量大的特點剛好彌補了教師授課時間壓縮的情況。例如一些復(fù)雜的圖形可以用多媒體來呈現(xiàn)，不僅減少了手工作圖的時間，也使得呈現(xiàn)給學(xué)生的圖形更加直觀形象易于理解。第三節(jié)課留給學(xué)生。教師需要適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)討論的內(nèi)容，還可以給出一些與本節(jié)課內(nèi)容相關(guān)的典型例題，讓學(xué)生討論作答，復(fù)習(xí)鞏固知識點，這樣也避免了一部分同學(xué)只是聽懂不會應(yīng)用的現(xiàn)象產(chǎn)生。加上適當(dāng)?shù)碾S堂小練習(xí)，學(xué)生從學(xué)習(xí)，到自主思考，再到應(yīng)用所學(xué)知識解決問題的過程都有參與，這樣學(xué)到的東西才真正是自己內(nèi)化的理解。最后充分利用第四節(jié)課，結(jié)合大數(shù)據(jù)的時代背景和該課程領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，通過媒體等多種形式向?qū)W生展示一些理論力學(xué)近期的學(xué)術(shù)會議和科技前沿，盡早培養(yǎng)學(xué)生的科研觸覺和思想，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

針對該課程理論與實踐脫節(jié)的問題，教師可利用多媒體教學(xué)給學(xué)生展示一些和本節(jié)課主要內(nèi)容相關(guān)的工程實例，通過視頻、照片等形式清晰展示工地現(xiàn)場，給學(xué)生身臨其境的感覺。同時也讓學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容之前就清楚的認識到，所學(xué)的內(nèi)容可以如何應(yīng)用到工程實際中，增強學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

3.2 因材施教，注重全過程學(xué)習(xí)

在授課之前，教師可利用大數(shù)據(jù)簡單分析每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，分析其產(chǎn)生差異的相關(guān)性原因，盡可能做到因材施教。充分了解學(xué)生的基礎(chǔ)水平，對高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等課程的掌握情況，根據(jù)學(xué)生的實際情況做必要的知識補充，以改善后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果。針對部分學(xué)生存在畏難心理的問題，教師可在第三節(jié)課開展隨堂小練習(xí)。合理設(shè)置練習(xí)題目的難易程度，在練習(xí)的過程中教師可適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生嘗試親自動手去解決問題，在學(xué)生獨立完成之后教師可對題目進行詳細的講解。同時善于借助語言的魅力，多鼓勵學(xué)生，再難的問題都是靠人一步一步解出來的，培養(yǎng)學(xué)生的自信心。

另外，大數(shù)據(jù)時代下衍生的各類線上課程和數(shù)據(jù)平臺為學(xué)生課外的學(xué)習(xí)提供了十分便捷的途徑。教師可以篩選出符合該課程教學(xué)目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)課程和課件資料供學(xué)生課前預(yù)習(xí)，學(xué)生預(yù)習(xí)的成果大大提高了聽課的效率。同時布置線上的習(xí)題供學(xué)生課后鞏固練習(xí)，并按照規(guī)定的時間提交給老師作業(yè)結(jié)果。既監(jiān)督了學(xué)生課后的鞏固練習(xí)，也符合大數(shù)據(jù)時代下的人才培養(yǎng)策略。

3.3 合理選擇教學(xué)方法，提高自身專業(yè)素質(zhì)

教師需要合理選擇教學(xué)方法，比如采用啟發(fā)式教學(xué)，多問學(xué)生為什么，在講解某個例題時，備好設(shè)問方案，對解題思路設(shè)置一系列問題，環(huán)環(huán)相扣，由教師設(shè)問引導(dǎo)，學(xué)生主動參與思考問題，師生之間形成了良好的互動，一改之前滿堂灌的傳統(tǒng)教學(xué)方法，提高了學(xué)生的主觀能動性。

教師作為傳道授業(yè)的解惑人，不僅需要在教學(xué)方法上做調(diào)整，還需要從深度和廣度兩個方面，努力提高自身的專業(yè)水平。一方面要加強本專業(yè)理論課程的學(xué)科研究，歸納總結(jié)教學(xué)方法，生成最適合本專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)經(jīng)驗。另一方面，教師應(yīng)借助大數(shù)據(jù)時代背景，廣泛學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)給理論力學(xué)領(lǐng)域帶來的寶貴資源。大數(shù)據(jù)分析是人工智能的基礎(chǔ)，機器學(xué)習(xí)作為人工智能的核心，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在力學(xué)中有廣泛的應(yīng)用[5]。針對實際工程問題中存在的大量非線性力學(xué)現(xiàn)象，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力，可以在結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題中得到比一般方法更精確的解。另外，大數(shù)據(jù)分析還是一門研究不確定性的技術(shù)，傳統(tǒng)的力學(xué)中我們研究的通常是連續(xù)的或是小數(shù)據(jù)分析，得到的是確切的結(jié)果。當(dāng)數(shù)據(jù)足夠多的時候，對數(shù)據(jù)進行全方位、多維度的分析就可能發(fā)現(xiàn)之前沒有發(fā)現(xiàn)過的規(guī)律，促進學(xué)科的發(fā)展和變革。與此同時，教師才能夠?qū)⒆约旱乃鶎W(xué)所悟更好的傳授給學(xué)生，讓學(xué)生更好的了解大數(shù)據(jù)時代帶來的機遇和挑戰(zhàn)，從而提升自己的能力，真正成為大數(shù)據(jù)時代的科技人才。

3.4 考核方式多元化

考核是評價教學(xué)質(zhì)量的最終手段，要想得到盡可能貼近真實的教學(xué)質(zhì)量反饋，合理有效的考核方式是十分必要的。為了能夠及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題和學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，將期末考試成績的比重由70%降為60%，平時成績的比重由30%提高到40%。40%的平時成績分為出勤率、回答問題情況、線上線下作業(yè)完成情況和課程小論文。提高平時成績所占的比重使得學(xué)生更加注重平時課堂的學(xué)習(xí)和積累，而不是臨近期末抱佛腳，即使平時不學(xué)習(xí)期末突擊一下也可以拿到不錯的分數(shù)。其中出勤率可以反應(yīng)學(xué)生上課的積極程度，回答問題情況和線上線下作業(yè)完成情況可以實時反應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。課程小論文作為課外學(xué)習(xí)的一種新方式，學(xué)生可以自由選材，可以是學(xué)習(xí)本課程的心得體會，也可以是分析理論力學(xué)中的某個公式和現(xiàn)象?？己朔绞降亩嘣诤艽蟪潭壬峡梢愿娴姆磻?yīng)學(xué)生的各種素質(zhì)，也培養(yǎng)了學(xué)生注重結(jié)果的同時也注重過程的學(xué)習(xí)思想。

4 結(jié)語

結(jié)合大數(shù)據(jù)時代土木工程專業(yè)本科《理論力學(xué)》教學(xué)過程中存在的問題，分析了對其進行教學(xué)改革的必要性。將大數(shù)據(jù)時代的技術(shù)平臺和思想融入教學(xué)過程中，合理分配課時，理論聯(lián)系實際，充分了解每個學(xué)生，努力提高自身專業(yè)水平，并采取多樣化的考核方式，這樣的改革方式在實際教學(xué)中取得了很好的效果。但我們不能止步于此，在今后的教學(xué)過程中，要立足大數(shù)據(jù)時代背景，切實結(jié)合學(xué)生的動態(tài)和課程發(fā)展的需要，不斷地改革完善，以期為國家和社會輸送更多高質(zhì)量、高層次的現(xiàn)代化科技人才。