基于OBE的工程教育模式下土木工程專(zhuān)業(yè)理論力學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)改革與實(shí)踐

艾心熒　劉良坤　潘兆東　潘美萍　劉洪濤

［摘 要］文章基于東莞理工學(xué)院土木工程專(zhuān)業(yè)理論力學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)改革實(shí)際，針對(duì)當(dāng)前土木工程專(zhuān)業(yè)理論力學(xué)教學(xué)普遍存在的理論性強(qiáng)、內(nèi)容繁雜、學(xué)生興趣低、專(zhuān)業(yè)聯(lián)系弱、缺乏實(shí)踐教學(xué)等問(wèn)題，從教學(xué)理念、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教材選擇、教學(xué)方法、課程思政、實(shí)踐教學(xué)、課程考核等方面，開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)改革與實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果，可為兄弟院校土木工程專(zhuān)業(yè)理論力學(xué)教學(xué)開(kāi)展提供借鑒。

［關(guān)鍵詞］土木工程；理論力學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)；工程教育

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2022）09-0061-04

引言

理論力學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)（核心）課程，是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的學(xué)科，是一般力學(xué)各分支學(xué)科的基礎(chǔ)。課程通常分為三個(gè)部分：靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)。靜力學(xué)研究作用于物體上的力系的簡(jiǎn)化理論及力系平衡條件；運(yùn)動(dòng)學(xué)只從幾何角度研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性而不涉及物體的受力；動(dòng)力學(xué)則研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)與受力的關(guān)系[1-3]。該課程以力學(xué)理論為基礎(chǔ)、與實(shí)際密切結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力、分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，是后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)及從事專(zhuān)業(yè)技術(shù)和科學(xué)研究工作的必要基礎(chǔ)。因此，做好理論力學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)工作，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力及素養(yǎng)具有十分重要的意義。

通過(guò)兄弟院校調(diào)研及文獻(xiàn)研究，結(jié)合本課程前期教學(xué)效果反饋及內(nèi)部課程團(tuán)隊(duì)研討，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)前土木工程專(zhuān)業(yè)理論力學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)面臨如下主要問(wèn)題[1-3]。

第一，教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于機(jī)械工程領(lǐng)域，與土木工程專(zhuān)業(yè)聯(lián)系不緊密。受課程內(nèi)容特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域影響，現(xiàn)有理論力學(xué)教材多由機(jī)械工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)或力學(xué)類(lèi)教師編撰，教材中的例題、習(xí)題多側(cè)重于機(jī)械領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)部分尤為明顯，導(dǎo)致學(xué)生缺乏對(duì)題目情境的體驗(yàn)感，從而影響其對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣較低。

第二，教學(xué)內(nèi)容理論性極強(qiáng)，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難及學(xué)習(xí)懈怠情緒。理論力學(xué)依據(jù)一些基本概念和反映理想物體運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的公理、定律作為研究的出發(fā)點(diǎn)。例如，靜力學(xué)可由五條靜力學(xué)公理演繹而成；動(dòng)力學(xué)是以牛頓運(yùn)動(dòng)定律、萬(wàn)有引力定律為研究基礎(chǔ)的。理論力學(xué)的另一特點(diǎn)是廣泛采用數(shù)學(xué)工具，進(jìn)行數(shù)學(xué)演繹，從而導(dǎo)出各種以數(shù)學(xué)形式表達(dá)的普遍定理和結(jié)論。因此，全書(shū)公式、定理、數(shù)學(xué)演繹推導(dǎo)較多，理論性極強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)懈怠。

第三，缺乏實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，容易造成“紙上談兵”的誤解，實(shí)用性及趣味性不夠。大多數(shù)高校理論力學(xué)課程只包含理論教學(xué)，未設(shè)置實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏對(duì)工程實(shí)際的感性認(rèn)識(shí)，無(wú)法將力學(xué)理論與生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題較好地結(jié)合。

本文基于東莞理工學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我?！保┩聊竟こ虒?zhuān)業(yè)理論力學(xué)課程實(shí)際教學(xué)，針對(duì)上述存在的問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合我校土木工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，從教學(xué)理念、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教材選擇、教學(xué)方法、課程思政、實(shí)踐性教學(xué)、課程考核等方面，對(duì)理論力學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)改革與實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)分析，為理論力學(xué)課程教學(xué)工作提供有益借鑒。

一、教學(xué)理念——基于OBE的工程教育模式

OBE理念是以期望達(dá)成的學(xué)習(xí)成果來(lái)反思、修訂教育教學(xué)的內(nèi)容，為達(dá)到成果導(dǎo)向教育的最終目標(biāo)，教師的教學(xué)方法必須不斷變革以滿(mǎn)足課程需求。工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證領(lǐng)域全面接受了OBE的思想，要求專(zhuān)業(yè)課程體系設(shè)置、師資隊(duì)伍配備、辦學(xué)條件配置等都圍繞學(xué)生畢業(yè)能力達(dá)成這一核心任務(wù)展開(kāi)，并強(qiáng)調(diào)建立專(zhuān)業(yè)持續(xù)改進(jìn)機(jī)制以保證專(zhuān)業(yè)教育質(zhì)量和專(zhuān)業(yè)教育活力[4-5]。

基于OBE的工程教育模式，即工科專(zhuān)業(yè)辦學(xué)應(yīng)以行業(yè)認(rèn)可的人才培養(yǎng)目標(biāo)及畢業(yè)生能力素質(zhì)要求為導(dǎo)向，圍繞這一核心目標(biāo)任務(wù)，設(shè)置課程體系、配備師資隊(duì)伍、配置辦學(xué)條件、開(kāi)展教學(xué)改革與研究，并建立持續(xù)改進(jìn)機(jī)制措施，以確保導(dǎo)向目標(biāo)的優(yōu)化、達(dá)成及質(zhì)量。

從我校土木工程專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)看，其定位區(qū)別于綜合性及研究型高校同專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)和要求。我校著重培養(yǎng)“懂設(shè)計(jì)、擅施工、能管理”的復(fù)合型、應(yīng)用型高素質(zhì)工程建設(shè)人才，側(cè)重于培養(yǎng)“以實(shí)踐能力為主”的應(yīng)用型人才。而理論力學(xué)課程主旨是希望學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)掌握力學(xué)基本理論和基本方法，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的簡(jiǎn)化能力、力學(xué)分析能力和計(jì)算能力，為學(xué)習(xí)有關(guān)后續(xù)課程和專(zhuān)業(yè)課奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

基于OBE的工程教育模式要求，本課程教學(xué)改革工作必須圍繞如何讓學(xué)生具備扎實(shí)的力學(xué)理論基礎(chǔ)和清晰嚴(yán)密的力學(xué)思維，圍繞如何培養(yǎng)學(xué)生具備應(yīng)用力學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、分析、解決實(shí)際工程問(wèn)題的應(yīng)用能力來(lái)展開(kāi)，使其既能滿(mǎn)足傳統(tǒng)建筑行業(yè)的人才需求，又能適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，成為新型卓越土木工程人才。

二、課程教學(xué)目標(biāo)

課程教學(xué)目標(biāo)必須圍繞畢業(yè)生核心能力及專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成來(lái)制訂，即理論力學(xué)的課程教學(xué)目標(biāo)必須支撐畢業(yè)生某若干項(xiàng)核心能力的達(dá)成，最終為人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成奠定基礎(chǔ)。理論力學(xué)是一門(mén)理論性強(qiáng)且非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的科學(xué)。課程內(nèi)容主要包括剛體靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理和實(shí)際應(yīng)用等，主要是培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維，為將來(lái)從事工程結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)及工程建設(shè)提供理論支持。在我校土木工程專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，理論力學(xué)課程所支撐的人才培養(yǎng)核心能力如表1所示。

基于上述分析，課程團(tuán)隊(duì)將教學(xué)目標(biāo)確定為：使學(xué)生掌握剛體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律、研究方法以及處理力學(xué)問(wèn)題的一般方法，理解并掌握力學(xué)模型及其數(shù)學(xué)物理方程的建立過(guò)程、方法，能夠運(yùn)用這些規(guī)律及方法分析工程實(shí)際中的力學(xué)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生清晰嚴(yán)密的力學(xué)思維能力、計(jì)算分析能力、理論聯(lián)系實(shí)際的工程應(yīng)用能力，為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)及工程應(yīng)用實(shí)踐奠定良好基礎(chǔ)。

三、課程內(nèi)容

首先，基于上述教學(xué)目標(biāo)，同時(shí)考慮到土木工程專(zhuān)業(yè)工程問(wèn)題主要為靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)問(wèn)題，課程團(tuán)隊(duì)將課程內(nèi)容重點(diǎn)確定為靜力學(xué)，兼顧運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。其次，因課程學(xué)時(shí)較以往有較大壓縮，且部分內(nèi)容與大學(xué)物理重疊，故刪除“動(dòng)能定理”“動(dòng)量定理”“動(dòng)量矩定理”“振動(dòng)”“碰撞”等章節(jié)內(nèi)容。最后，在課時(shí)分配上：靜力學(xué)占50%，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)各占25%，具體課程內(nèi)容及要求如下。

第一，掌握靜力學(xué)公理及推論；掌握基本力學(xué)量的基本概念、性質(zhì)及計(jì)算；掌握常見(jiàn)約束的基本概念、性質(zhì)及其對(duì)應(yīng)的約束力；掌握各類(lèi)力系的簡(jiǎn)化方法，熟悉簡(jiǎn)化結(jié)果；掌握平面力系的平衡及物系平衡問(wèn)題的應(yīng)用；掌握桁架內(nèi)力的常用計(jì)算方法；理解滑動(dòng)摩擦的概念和摩擦力的特征，能求解考慮摩擦?xí)r的平衡問(wèn)題，了解滾阻的概念。

第二，掌握點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)描述方法，能求解點(diǎn)的軌跡、速度和加速度等相關(guān)問(wèn)題；熟悉剛體平動(dòng)和定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的特征；掌握運(yùn)動(dòng)合成與分解的基本概念和方法，熟練掌握點(diǎn)的速度合成定理、加速度合成定理及其運(yùn)用。

第三，能建立質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程；掌握剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算，了解慣性積和慣性主軸的概念；能運(yùn)用剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)的微分方程求解有關(guān)問(wèn)題；了解慣性力的概念，掌握慣性力系簡(jiǎn)化結(jié)果的計(jì)算；熟練掌握達(dá)朗伯原理（動(dòng)靜法）的運(yùn)用；熟悉廣義坐標(biāo)、自由度、虛位移和理想約束等概念；掌握虛位移原理的運(yùn)用。

四、教材選擇

教材選擇遵循優(yōu)先選用國(guó)家及省部級(jí)獲獎(jiǎng)優(yōu)秀教材、國(guó)家或省部級(jí)規(guī)劃教材、國(guó)家或省部級(jí)精品教材、國(guó)外引進(jìn)的優(yōu)秀教材、近三年出版的新教材，且教材內(nèi)容符合教學(xué)大綱課程目標(biāo)及內(nèi)容要求?；诖耍n程團(tuán)隊(duì)最終從數(shù)十本《理論力學(xué)》教材中確定選用2016年機(jī)械工業(yè)出版社的賈啟芬、劉習(xí)軍主編的《理論力學(xué)》（第4版）作為教材，該教材為“十二五”普通高等教育本科國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。

五、教學(xué)方法

豐富多樣的教學(xué)方法與信息技術(shù)手段是保障良好教學(xué)效果，提高師生互動(dòng)、學(xué)生學(xué)習(xí)效果和效率的重要載體。本課程所用到的教學(xué)方法與信息技術(shù)手段如下。

六、課程思政設(shè)計(jì)

為了深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想，教師在知識(shí)傳授中要注重強(qiáng)調(diào)價(jià)值引領(lǐng)，有機(jī)融入社會(huì)主義核心價(jià)值觀、中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育，善于挖掘各類(lèi)思想政治教育元素并融入教學(xué)各環(huán)節(jié)。2019年秋季開(kāi)始，理論力學(xué)課程結(jié)合授課要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3個(gè)思政育人的典型教學(xué)案例（思政映射與融入點(diǎn)），包括力學(xué)人物介紹、力學(xué)在各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用、工程事故案例分析等教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，注重在知識(shí)傳授中強(qiáng)調(diào)價(jià)值引領(lǐng)，通過(guò)課堂講授、學(xué)生互動(dòng)等潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的方式，在力學(xué)原理實(shí)際運(yùn)用中有機(jī)融入社會(huì)主義核心價(jià)值觀，引導(dǎo)學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和良好的工程素質(zhì)。

表3 課程思政設(shè)計(jì)

[序號(hào) 課程思政融入點(diǎn) 課程思政作業(yè) 1 介紹中國(guó)的力學(xué)史和力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用，通過(guò)介紹我國(guó)歷史上和近現(xiàn)代的偉大建筑物，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感，增進(jìn)其專(zhuān)業(yè)熱情 通過(guò)課外閱讀（至少3篇文章），積極參與優(yōu)學(xué)院課程平臺(tái)發(fā)布的討論從而獲得積分（發(fā)帖、回帖、點(diǎn)贊等），主題：中國(guó)的力學(xué)史和力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用 2 介紹中國(guó)力學(xué)大家的成長(zhǎng)之路及其對(duì)社會(huì)的巨大貢獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生崇尚科學(xué)、積極進(jìn)取的學(xué)習(xí)熱情 通過(guò)課外閱讀（至少3位力學(xué)大家），積極參與優(yōu)學(xué)院課程平臺(tái)發(fā)布的討論從而獲得積分（發(fā)帖、回帖、點(diǎn)贊等），主題：力學(xué)大家的成長(zhǎng)之路 3 引入由于力學(xué)計(jì)算不合格而產(chǎn)生的工程事故案例，以此培養(yǎng)學(xué)生作為工程師的責(zé)任意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立良好的職業(yè)道德 通過(guò)課外閱讀（至少3項(xiàng)工程事故案例），積極參與優(yōu)學(xué)院課程平臺(tái)發(fā)布的討論，從而獲得積分（發(fā)帖、回帖、點(diǎn)贊等），主題：工程師的職業(yè)道德與責(zé)任 ]

七、實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐

針對(duì)理論力學(xué)課程內(nèi)容理論性強(qiáng)、缺乏針對(duì)性實(shí)踐教學(xué)、部分學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、理論聯(lián)系實(shí)際的能力偏低等問(wèn)題，理論力學(xué)課程團(tuán)隊(duì)從2018年秋季開(kāi)始增加課內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽環(huán)節(jié)，并納入課程考核，讓學(xué)生在競(jìng)賽中掌握力學(xué)分析、計(jì)算的原理和方法，培養(yǎng)其利用力學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，這極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突出了理論力學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用，有效推動(dòng)了本課程實(shí)踐性教學(xué)進(jìn)展，詳見(jiàn)圖1、圖2。

學(xué)生以小組為單位，用竹皮等材料親手制作指定要求的結(jié)構(gòu)模型；通過(guò)模型稱(chēng)重、計(jì)算書(shū)編制、現(xiàn)場(chǎng)講解和結(jié)構(gòu)加載等環(huán)節(jié)完成該項(xiàng)內(nèi)容考核。這種以“實(shí)際項(xiàng)目”為載體的競(jìng)賽形式實(shí)踐教學(xué)，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和參與度，能培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和解決問(wèn)題的能力；課堂教學(xué)真正實(shí)現(xiàn)把理論和實(shí)踐相結(jié)合，這種方式深受學(xué)生的喜愛(ài)。

八、課程考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定

理論力學(xué)課程考核基于教學(xué)過(guò)程的考查與學(xué)習(xí)效果考查并重的思想，根據(jù)理論力學(xué)教學(xué)過(guò)程及環(huán)節(jié)特點(diǎn)，采用平時(shí)作業(yè)、期中測(cè)驗(yàn)、課內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、期末考試等多個(gè)環(huán)節(jié)、多種形式來(lái)檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，避免“一考定終身”的單一考核模式，綜合考核學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

九、結(jié)語(yǔ)

理論力學(xué)作為工科專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，具有理論性強(qiáng)、與工程技術(shù)聯(lián)系密切等特點(diǎn)，是溝通自然科學(xué)理論與工程實(shí)際的橋梁。東莞理工學(xué)院理論力學(xué)課程團(tuán)隊(duì)通過(guò)近3年的努力，基于OBE工程教育模式開(kāi)展土木工程專(zhuān)業(yè)理論力學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)改革與實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生學(xué)習(xí)興趣得到提高，成效明顯，近3年本課程主講教師的學(xué)生評(píng)教平均為90.91分，學(xué)生獲第十三屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，2018年、2019年廣東省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽一、二等獎(jiǎng)各2項(xiàng)，廣東省第二屆大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽優(yōu)秀獎(jiǎng)2項(xiàng)。同時(shí)，本課程獲評(píng)東莞理工學(xué)院2020—2021學(xué)年第一學(xué)期課程評(píng)估“優(yōu)秀”等級(jí)，相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)改革成果可為兄弟院系土木工程專(zhuān)業(yè)理論力學(xué)的教學(xué)提供參考和借鑒。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：陳 明］