邢利英， 丁永光， 石 靜

(南陽師范學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 南陽 473061)

理論力學(xué)是研究機械運動一般規(guī)律的科學(xué)，是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它既是后續(xù)材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程的理論基礎(chǔ)，又是一門具有完整體系并繼續(xù)發(fā)展的獨立學(xué)科，在許多工程技術(shù)領(lǐng)域和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用[1-3].理論力學(xué)課程具有理論性強、解題靈活、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)煩瑣等特點，在現(xiàn)有的教學(xué)模式下，課堂上“一聽就懂”，課下作業(yè)“一做就錯”，考試成績不理想，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高.究其原因主要是學(xué)生難于實現(xiàn)新知識的內(nèi)化、理論力學(xué)的知識體系不完整等.因此，作為土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，理論力學(xué)的教學(xué)改革迫在眉睫.

1 課程內(nèi)容改革

1.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

理論力學(xué)中很大一部分基本概念與大學(xué)物理課程的內(nèi)容重復(fù)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過大學(xué)物理了，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生理論力學(xué)“無用論”的想法.在講授運動學(xué)和動力學(xué)時，傳統(tǒng)課堂教學(xué)中主要強調(diào)瞬時分析，不重視學(xué)生對動態(tài)力學(xué)過程的理解，束縛了學(xué)生對力學(xué)規(guī)律進一步探索的創(chuàng)新性思維，導(dǎo)致所學(xué)知識只能停留在紙面上，不能有效解決工程實際問題[4].因此，筆者認為應(yīng)刪減與大學(xué)物理重復(fù)的部分，著重講解與土木工程專業(yè)相關(guān)的內(nèi)容.

在新工科背景下，根據(jù)學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)生的實際情況，筆者對授課內(nèi)容做了如下的更新：靜力學(xué)部分更多關(guān)注平衡之前的建模問題、平面桁架與空間力系的求解等實際工程問題[5-6]；運動學(xué)部分賦予運動學(xué)方程的實際工程意義；動力學(xué)側(cè)重于講解剛體問題，梁、板、柱的分析方法，理解理論力學(xué)的精髓，避免數(shù)學(xué)求解喧賓奪主.

1.2 補充科學(xué)前沿問題

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，力學(xué)的新知識不斷涌現(xiàn)，及時補充學(xué)科前沿、熱點及理論知識，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，拓寬學(xué)生的知識面，增強學(xué)生對理論力學(xué)的進一步認識.

在學(xué)習(xí)平面桁架內(nèi)力計算時，引入鳥巢國家體育場的橢圓平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，運用平面桁架內(nèi)力計算方法對桿件進行受力分析.由于鳥巢橢圓平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，人工手算較為煩瑣，從而引入有限元軟件ANSYS建模進行結(jié)構(gòu)計算，并對計算結(jié)果進行分析，引導(dǎo)學(xué)生認識：力學(xué)分析是求解實際問題的基礎(chǔ)，計算機可以輔助解決大型復(fù)雜的實際工程問題[7].在學(xué)習(xí)質(zhì)點動力學(xué)方程時，引入神舟五號載人飛船返回艙成功著陸這一振奮人心的案例進行研究分析，運用質(zhì)點動力學(xué)知識分析整個著陸過程，強調(diào)其中任何一個環(huán)節(jié)出問題，都無法增大返回艙的阻力系數(shù)，航天員楊利偉的生命安全都會受到嚴重威脅[8].

1.3 增設(shè)實驗實訓(xùn)項目

鑒于理論力學(xué)邏輯性較強的特點，為增加課程學(xué)習(xí)的趣味性，筆者在教學(xué)過程中增設(shè)了實驗實訓(xùn)項目.圖1 為光滑鉸鏈約束類型展示，通過實物展示光滑鉸與銷釘之間的連接方式，為學(xué)生進行光滑鉸鏈各部分受力分析提供了形象實體；圖2為小顆粒拼裝而成的投石小車模型，可演示剛體的定軸轉(zhuǎn)動與點的合成運動，促進學(xué)生理解運動學(xué)部分教學(xué)難點；圖3、圖4分別為飛機模型和雙旋轉(zhuǎn)框架，可演示運動學(xué)的綜合應(yīng)用問題；圖5為帶領(lǐng)土木工程專業(yè)學(xué)生參觀學(xué)院施工實訓(xùn)基地的照片，真實具體地講解板筋的布置與綁扎情況、屋面板的構(gòu)造做法，同時了解梁、板、柱、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接方式，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)意識.

圖1 光滑鉸鏈約束

圖2 投石小車模型

圖3 飛機模型

圖4 雙旋轉(zhuǎn)框架

圖5 土木工程專業(yè)的施工實訓(xùn)基地

實驗教學(xué)環(huán)節(jié)極大地調(diào)動了學(xué)生的積極主動性，實訓(xùn)教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng).理論力學(xué)課程增設(shè)實驗實訓(xùn)項目，促進學(xué)生勤于思考、善于思考，提高學(xué)生思考問題的敏銳性，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，提高分析解決問題的能力.

1.4 課程思政有機融合教學(xué)環(huán)節(jié)

2020 年5 月教育部頒布了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，提出課程思政建設(shè)的具體要求，《綱要》明確指出，課程思政建設(shè)，教師隊伍是“主力軍”，課程建設(shè)是“主戰(zhàn)場”，課堂教學(xué)是“主渠道”.課程作為專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的最基本單元，承擔培養(yǎng)目標中的育人功能，在課程設(shè)計和實施過程中，突出課程的育人功能，依托知識的傳授，落實育人目標[9-10].

為實現(xiàn)課程育人的思政目標，在學(xué)院課程平臺中設(shè)計了課程思政專題，引用達·芬奇、錢學(xué)森、瓦特等名人故事，剖析土木專業(yè)在國家建設(shè)中的重要性，培養(yǎng)學(xué)生正確的人生理想與社會責任感.結(jié)合神州五號載人飛船、港珠澳大橋、鳥巢等典型工程開展思政教育，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，培育大國工匠精神.

2 教學(xué)方法改革

當今新興教育技術(shù)的普及帶給課堂教學(xué)無限的可能和改革的契機.筆者堅持“以學(xué)生為中心，教師為主導(dǎo)”組織教學(xué)，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法推導(dǎo)與演繹有關(guān)的基本定理，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力和理論推導(dǎo)能力；以雨課堂為媒介引入混合模式教學(xué)，深度提升學(xué)生的課堂參與度，推動信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合；應(yīng)用形象生動的思維導(dǎo)圖，構(gòu)建理論力學(xué)的知識體系，切實提升理論力學(xué)課程的學(xué)習(xí)效果.

2.1 線上線下混合模式教學(xué)

理論力學(xué)是一門理論性較強和具有實際工程問題的課程，具有公式較多、計算能力要求高的特點，學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度較大且內(nèi)容煩瑣，如運動方程的建立、虛位移原理等知識點、實際工程問題建模能力不足等問題，因此，傳統(tǒng)線下教學(xué)方法必不可少.

對于概念眾多、環(huán)環(huán)相扣的力學(xué)課程而言，以單向知識輸入為主的教學(xué)模式，學(xué)生積極性不高，課堂效果不理想.因此，筆者借助雨課堂平臺進行教學(xué)設(shè)計[11](圖6)，通過課前課中課后三模塊實現(xiàn)師生實時互動，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，使其深度參與到課堂教學(xué)中來，切實提升理論力學(xué)課堂教學(xué)效果.

圖6 基于雨課堂教學(xué)設(shè)計

2.2 思維導(dǎo)圖的靈活應(yīng)用

依據(jù)層級的發(fā)散結(jié)構(gòu)，思維導(dǎo)圖是將發(fā)散思維具體化的一種方法[12-13].思維導(dǎo)圖能夠?qū)⒘闵⒌闹R點構(gòu)建成知識體系，有利于建立新舊知識之間的聯(lián)系，加快新力學(xué)知識的內(nèi)化，進而提高理論力學(xué)的學(xué)習(xí)效果.圖7為筆者手繪的運動學(xué)與動力學(xué)部分的思維導(dǎo)圖，以淘氣可愛的小汽車、整裝待發(fā)的火箭為中心圖，應(yīng)用彩色的線條延伸展開對應(yīng)部分的力學(xué)知識，結(jié)合各部分的關(guān)鍵詞、應(yīng)用簡圖、公式等方式將對應(yīng)力學(xué)知識展現(xiàn)得一覽無余，既簡單明了，又生動有趣.

圖7 運動學(xué)與動力學(xué)部分思維導(dǎo)圖

3 課程評定方式改革

3.1 成績評定方式

由過去單一的考核方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生進行全過程評價，包括學(xué)生參與程度、參與態(tài)度以及創(chuàng)新能力、溝通能力、自主學(xué)習(xí)能力等方面.同時，學(xué)生互評與教師評價相結(jié)合的方式使評價體系更全面客觀.采取多樣化評價方式評定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，著重突出過程化評價.課程評價成績=平時成績(40%)+ 期末考試(60%)，平時成績包括出勤、課程預(yù)習(xí)情況、課堂提問與小組討論、線下作業(yè)情況、實驗實訓(xùn)情況等.其中出勤情況，100分占10%；課程預(yù)習(xí)情況，100分占20%；課堂提問與小組討論，100分占20%；線下作業(yè)共布置10次作業(yè)，包括思維導(dǎo)圖設(shè)計環(huán)節(jié)，共計100分占40%；實驗實訓(xùn)情況100分占10%.

3.2 課程評價

理論力學(xué)課程通過更新教學(xué)內(nèi)容，采用線上線下相結(jié)合教學(xué)模式，使用“雨課堂”智能平臺進行授課，線下采用傳統(tǒng)課堂與對分課堂相結(jié)合教學(xué)模式，受到學(xué)生的一致好評.通過多年的積累和持續(xù)建設(shè)，課程體系完善，教學(xué)資源豐富、搭建線上教學(xué)平臺的共享性，輻射受益學(xué)生面廣，教學(xué)效果較好，并于2021年獲批河南省本科一流課程.

4 結(jié)語

在新工科背景下，筆者優(yōu)化理論力學(xué)課程內(nèi)容，增設(shè)實驗實訓(xùn)項目，融合課程思政提升學(xué)生的專業(yè)情懷；采用基于雨課堂線上線下混合教學(xué)模式，深度提升學(xué)生的課堂參與度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性；結(jié)合思維導(dǎo)圖的可視性、發(fā)散性、層次性特點，讓傳統(tǒng)教學(xué)模式注入新的活力；采取多樣化評價方式評定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，提高理論力學(xué)的教學(xué)效果，提升學(xué)生工程意識和工程素養(yǎng)，實現(xiàn)新工科背景下土木專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標.