姜寶石　張宏斌　張楊

摘要：工程力學(xué)是土木工程學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過教學(xué)方式的創(chuàng)新來改善教學(xué)效果，對(duì)增強(qiáng)學(xué)生職業(yè)能力具有重要意義。文章介紹了在教學(xué)改革中進(jìn)行的六個(gè)方面嘗試：引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的職業(yè)道德觀與人生觀，增強(qiáng)與工程實(shí)踐的關(guān)聯(lián)性，增加開放式大作業(yè)以改進(jìn)成績(jī)考核體系，建立與后續(xù)課程內(nèi)容的聯(lián)系，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的多樣性，以及鼓勵(lì)學(xué)生參加力學(xué)競(jìng)賽等。實(shí)踐結(jié)果表明這些措施受到了學(xué)生的歡迎和認(rèn)可，能有效加強(qiáng)和提高學(xué)生的職業(yè)能力。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；工程力學(xué)；職業(yè)能力；職業(yè)道德

中圖分類號(hào)：G6420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10052909（2015）05004705

為提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，教育部于2010年啟動(dòng)了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，很多高校以此為契機(jī)，探索行之有效的教育教學(xué)方法，以適應(yīng)新時(shí)期大學(xué)生的特點(diǎn)以及國(guó)家建設(shè)的需要[1-2]。基于此，我們以工程力學(xué)課程為平臺(tái)，開展了以職業(yè)能力為導(dǎo)向的教學(xué)改革。土木工程師的職業(yè)能力除了專業(yè)素質(zhì)外，組織管理、人際交往、溝通表達(dá)、團(tuán)隊(duì)合作、自主學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)軟件操作、分析和解決問題等綜合能力也不可或缺，職業(yè)道德素質(zhì)也格外重要。因此，教學(xué)需要以職業(yè)能力為導(dǎo)向，提高學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)力，打好專業(yè)基礎(chǔ)。結(jié)合工程力學(xué)課程教學(xué)，采取全方位探索的改革思路，多角度促進(jìn)學(xué)生各方面職業(yè)能力的提高。

一、價(jià)值觀教育

“師者，所以傳道受業(yè)解惑也?！蹦壳霸诖髮W(xué)教育中，教師的作用更多的是關(guān)注專業(yè)知識(shí)的傳授，而與職業(yè)相關(guān)的職業(yè)道德、職業(yè)成長(zhǎng)和職業(yè)規(guī)劃等內(nèi)容卻很少涉及。

大學(xué)生普遍缺少這方面的知識(shí)，他們對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)與其未來工作生活的關(guān)系，未來職業(yè)發(fā)展等都沒有一個(gè)清晰的系統(tǒng)認(rèn)知。因此，

他們對(duì)工程力學(xué)這類專業(yè)基礎(chǔ)課毫無興趣，學(xué)習(xí)不積極認(rèn)真，最后導(dǎo)致力學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)。在授課過程中要以專業(yè)知識(shí)為出發(fā)點(diǎn)，利用與實(shí)際緊密結(jié)合的實(shí)例觸動(dòng)學(xué)生，列舉力學(xué)名家及工程名師的經(jīng)歷教育學(xué)生，逐步讓學(xué)生了解土木工程職業(yè)發(fā)展的常規(guī)過程，以及在設(shè)計(jì)和施工單位中作為技術(shù)人員所需要側(cè)重掌握的知識(shí)

體系，并深刻理解工程力學(xué)在專業(yè)知識(shí)體系中的核心地位。教學(xué)中巧妙地將力學(xué)理論與工程實(shí)際結(jié)合，使學(xué)生反思并了解作為土木工程師的能力與責(zé)任，懂得只有具有扎實(shí)的力學(xué)功底與專業(yè)知識(shí)技能，才能設(shè)計(jì)出合格的建筑作品，避免在設(shè)計(jì)和施工中發(fā)生最基本的常識(shí)性錯(cuò)誤（如混凝土陽臺(tái)鋼筋布置應(yīng)在上部，而不是下部）而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

二、開拓學(xué)生視野，加強(qiáng)與工程實(shí)踐關(guān)聯(lián)點(diǎn)的介紹

工程力學(xué)知識(shí)源自于工程實(shí)踐，在課程講授的過程中，強(qiáng)調(diào)知識(shí)最初的來源，即知識(shí)的邏輯起點(diǎn)，是人們?cè)陂L(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中為解決實(shí)際問題而總結(jié)出來的客觀規(guī)律。課堂學(xué)習(xí)的缺點(diǎn)是脫離生產(chǎn)實(shí)踐，學(xué)生往往不清楚現(xiàn)在學(xué)的知識(shí)在將來工作中的作用。以工程實(shí)例說明知

識(shí)被運(yùn)用后的力量和價(jià)值所在，可以喚醒學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。與此同時(shí)，授課時(shí)介紹相關(guān)理論提出時(shí)的工程背景，如魁北克大橋坍塌之謎與壓桿穩(wěn)定之間的關(guān)系，以及相關(guān)理論提出者，如達(dá)朗貝爾、圣維南等的簡(jiǎn)介等內(nèi)容，能直接引發(fā)學(xué)生思考并從這些科學(xué)家的人生經(jīng)歷中受益，了解科學(xué)探索的過程，培養(yǎng)其有理有據(jù)的科學(xué)思維習(xí)慣，體會(huì)到學(xué)有所用和學(xué)有所為，有力地激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。

以具體工程實(shí)例，強(qiáng)調(diào)工程力學(xué)在工程設(shè)計(jì)和施工中的運(yùn)用方式及重要作用。以梁為例（圖1），在完成等直截面梁的應(yīng)力分析與強(qiáng)度條件學(xué)習(xí)之后，擴(kuò)展梁的合理設(shè)計(jì)內(nèi)容，從材料利用率角度對(duì)承受豎向均布荷載的結(jié)構(gòu)效率進(jìn)行改進(jìn)[3-5]。主要方式有以下幾種：

（1）比較不同截面形狀的彎曲截面系數(shù)Wz與其截面面積A的比值，設(shè)計(jì)Wz/A值較大的截面形式，典型的截面是工字梁。

（2）從梁的長(zhǎng)度方向進(jìn)一步改進(jìn)，形成蜂窩梁。

（3）將蜂窩梁的形式進(jìn)一步改進(jìn)，形成平行弦桁架結(jié)構(gòu)。

（4）根據(jù)梁的彎矩圖改變平行弦桁架的外形為拋物線形桁架。

通過這一系列的梁式結(jié)構(gòu)改進(jìn)，讓學(xué)生拓展創(chuàng)新思路，創(chuàng)造性地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，并輔以工程應(yīng)用圖片增強(qiáng)對(duì)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的體會(huì)，感受知識(shí)運(yùn)用所帶來的技術(shù)進(jìn)步與力量，從而重視力學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)。講授時(shí)以頭腦風(fēng)暴的形式進(jìn)行提問，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生勤于思考的興趣和習(xí)慣。

三、適當(dāng)調(diào)整考核內(nèi)容，增加課外自主學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)

考核手段一直是影響學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力和學(xué)習(xí)方法的重要因素。學(xué)生成績(jī)的構(gòu)成一般分為平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)，期末成績(jī)以考卷得分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，而平時(shí)成績(jī)以出席、作業(yè)及實(shí)驗(yàn)情況為主。沒有學(xué)習(xí)興趣的學(xué)生為了得到平時(shí)成績(jī)，往往是人到心不到，而且大多抄襲作業(yè)。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因主要是學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度不端正，沒有興趣，也和被動(dòng)的學(xué)習(xí)方式有關(guān)。基于此，我們提出平時(shí)考核增加工程力學(xué)大作業(yè)的方式，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，重新劃分了成績(jī)的組成，適當(dāng)降低了期末成績(jī)比例，增加平時(shí)成績(jī)比重

。增設(shè)的工程力學(xué)大作業(yè)，以開放題目的形式發(fā)給學(xué)生，學(xué)生需要?jiǎng)邮植檎屹Y料才能解決問題。解決問題時(shí)要形成書面報(bào)告，并為全班學(xué)生做PPT現(xiàn)場(chǎng)展示報(bào)告。通過實(shí)踐，學(xué)生反映良好，在完成作業(yè)的過程中，既提升了使用Office辦公軟件系統(tǒng)的技巧，又增強(qiáng)了他們的表達(dá)能力；既增強(qiáng)了他們獨(dú)立解決問題的能力，又?jǐn)U展了知識(shí)面，不再只局限于學(xué)習(xí)課本的內(nèi)容，開拓了學(xué)生的視野。

大作業(yè)題目的選擇形式為自由選題或選擇指定題目，各組題目有所不同，難度相近。選題內(nèi)容要與工程力學(xué)課程大綱相關(guān)，其范圍涉及具有工程背景或生活實(shí)踐的問題，也可以是對(duì)經(jīng)典理論的探討。下面以煙囪傾倒的簡(jiǎn)化力學(xué)分析為例說明開放式作業(yè)的特點(diǎn)。

題目?jī)?nèi)容：定向爆破拆除高聳煙囪時(shí)，其傾倒過程是個(gè)較復(fù)雜的力學(xué)過程，而在傾倒過程中，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)煙囪向上折斷的現(xiàn)象。試建立簡(jiǎn)化的力學(xué)模型對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出可能發(fā)生斷裂的位置，指出簡(jiǎn)化模型時(shí)所考慮的假設(shè)條件，比較采用等直圓桿和變截面圓桿兩種模型的區(qū)別。

學(xué)生采用分組形式，6人一組。組長(zhǎng)由內(nèi)部選舉產(chǎn)生，并負(fù)責(zé)召集、組織和記錄小組活動(dòng)。組名要求個(gè)性化，提升團(tuán)隊(duì)凝聚力與歸屬感。學(xué)生進(jìn)行作業(yè)活動(dòng)的流程是：確定題目→查閱文獻(xiàn)資料→確定解題思路→小組答疑→公式推導(dǎo)與理論分析→撰寫書面報(bào)告→課堂PPT成果展示。

要解決這樣的問題，首先要對(duì)問題進(jìn)行物理過程分析，并將其簡(jiǎn)化為常見的力學(xué)模型，運(yùn)用達(dá)朗貝爾原理求出外力和內(nèi)力，進(jìn)而再利用材料力學(xué)彎曲應(yīng)力和強(qiáng)度條件概念求出最大應(yīng)力位置，從而確定煙囪折斷點(diǎn)的位置。在這個(gè)過程中，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)可以擴(kuò)展知識(shí)面，再通過自己的思考與大家的討論獲得分析問題思路，學(xué)生在遇到難點(diǎn)時(shí)教師再給予指導(dǎo)，鍛煉學(xué)生分析解決實(shí)際問題的能力。通過撰寫書面報(bào)告與制作PPT，鍛煉學(xué)生對(duì)Office辦公軟件系統(tǒng)的使用技能，通過課堂隨機(jī)抽取進(jìn)行成果展示（圖3），鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力。

PPT展示成績(jī)由教師與各組組長(zhǎng)共同評(píng)定，教師占60%，組長(zhǎng)占40%，評(píng)分結(jié)果顯示教師評(píng)分與組長(zhǎng)評(píng)分平均相對(duì)偏差2.98%，最大7.59%，學(xué)生評(píng)分基本與教師評(píng)分結(jié)果一致，做到了客觀公正。

學(xué)生對(duì)開放式作業(yè)的評(píng)價(jià)主要有以下幾個(gè)方面：知識(shí)得到了豐富和加深，增進(jìn)了相互了解和交流，認(rèn)識(shí)到分工合作的重要性，增強(qiáng)了解決問題的信心，掌握了使用Office辦公軟件系統(tǒng)的基本技能。

在教學(xué)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)這種模式存在的一些問題與難點(diǎn)：題目選擇缺乏自主性，備選題庫建設(shè)具有長(zhǎng)期性，題目設(shè)置需要具有漸進(jìn)層次，個(gè)別學(xué)生以逸待勞，使用Office、MATLAB、Maple、Mathematica等軟件的能力弱，言表達(dá)能力欠缺等。

相信通過不斷地克服缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，一定會(huì)取得更好的教學(xué)效果。

四、課堂演示實(shí)驗(yàn)與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)并重，理論聯(lián)系實(shí)踐

力學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)力學(xué)必不可少的內(nèi)容，演示實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生理解力學(xué)理論的最直觀方式，可有效增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。動(dòng)手實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用理論解決實(shí)際問題的能力。依托學(xué)校的力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，在教學(xué)中我們?cè)O(shè)置了多個(gè)演示實(shí)驗(yàn)：低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)[4]，梁的截面形式對(duì)梁剛度的影響[3]，壓桿失穩(wěn)[4]，動(dòng)、靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)的測(cè)試[6]，牛頓碰撞球演示動(dòng)量定理[6]等。動(dòng)手實(shí)驗(yàn)主要設(shè)置了不規(guī)則形狀物體的重心測(cè)量[6]，沖擊荷載的測(cè)量[6]，動(dòng)、靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)的測(cè)試[6]，固有頻率的測(cè)定與受迫振動(dòng)[6]，低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)[4]等。

五、聯(lián)系后續(xù)課程內(nèi)容，形成學(xué)科知識(shí)體系

教學(xué)中注意強(qiáng)調(diào)工程力學(xué)各部分知識(shí)在后續(xù)課程中的作用，并以具體例題的方式展示給學(xué)生，使學(xué)生感受到所學(xué)理論知識(shí)的直接用途和重要意義。理論力學(xué)的靜力學(xué)是材料力學(xué)截面法分析受力的基礎(chǔ)，而材料力學(xué)主要以單根桿件為研究對(duì)象，其基本受力狀態(tài)的力學(xué)性質(zhì)是結(jié)構(gòu)力學(xué)研究多桿件系統(tǒng)受力分析的基礎(chǔ)。材料力學(xué)中應(yīng)力、變形、強(qiáng)度條件及剛度條件可在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)直接應(yīng)用。在材料力學(xué)中彎曲問題的進(jìn)一步研究中，兩種不同材料的梁的性能研究，以及組合變形中截面核心的概念、以及受力平衡分析都在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中得到應(yīng)用，還有結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課中應(yīng)變應(yīng)力的測(cè)量原理離不開描述應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力圓與胡克定律[4]。材料力學(xué)中基本受力狀態(tài)在結(jié)構(gòu)概念體系設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多，是結(jié)構(gòu)概念的基礎(chǔ)[3，5，7]。工程力學(xué)與土木工程本科專業(yè)課的關(guān)系具體參見圖4。

六、鼓勵(lì)學(xué)生參與競(jìng)賽

力學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，除了工程力學(xué)課堂上的內(nèi)容，以及通過學(xué)生在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)加強(qiáng)理解外，還可以通過參加周培源力學(xué)競(jìng)賽和大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽等活動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、毅力培養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、動(dòng)手能力、理論與實(shí)踐結(jié)合能力、解決問題和創(chuàng)新的能力。

周培源力學(xué)競(jìng)賽是教育部高教司主辦的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一，目前已發(fā)展到全國(guó)160多所高校參賽。參加該賽事對(duì)提高學(xué)生的力學(xué)素質(zhì)有很大促進(jìn)作用。學(xué)校安排教師對(duì)歷年試題進(jìn)行剖析，組織學(xué)生進(jìn)行集中輔導(dǎo)。輔導(dǎo)中強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際生產(chǎn)生活，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并理解相關(guān)生產(chǎn)工具的力學(xué)原理，通過一系列生產(chǎn)工具的力學(xué)原理分析，激發(fā)學(xué)生對(duì)力學(xué)應(yīng)用的識(shí)別與應(yīng)用能力。

全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為教育部確定的全國(guó)九大大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽之一，是土木工程學(xué)科培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)意識(shí)和實(shí)踐能力的最高水平的學(xué)科性競(jìng)賽，影響力日益擴(kuò)大。近年來該賽事使用的材料普遍為竹皮，通過膠水粘結(jié)來制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，通過基本材料力學(xué)概念的擴(kuò)展，使力學(xué)概念與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，使學(xué)生理解受力狀態(tài)和材料利用效率的關(guān)系，軸力承受荷載效率最高，理解梁的截面形式與受力效果，梁的材料重新分布形成桁架等力學(xué)概念。為了提高結(jié)構(gòu)效率，結(jié)構(gòu)材料布置需要盡量沿周邊對(duì)稱布置，結(jié)構(gòu)中受拉部分盡可能以質(zhì)量輕的受拉柔性材料制作，去掉結(jié)構(gòu)中不必要的部分，以減少結(jié)構(gòu)自重，結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)及支座連接要強(qiáng)，以滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算模型中關(guān)于剛性支座的簡(jiǎn)化假定，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體性要求。而對(duì)于動(dòng)荷載的賽題，理論力學(xué)中機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)的內(nèi)容顯得更加重要。

七、結(jié)語

文章通過多種措施來提高學(xué)生對(duì)工程力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果與學(xué)生反饋表明，所做的努力得到了學(xué)生的認(rèn)可，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性有所提高，及格率增加。專業(yè)能力與職業(yè)素質(zhì)密切相關(guān)，是職業(yè)能力的核心內(nèi)容之一。人總在追求意義，通過各種措施告訴學(xué)生工程力學(xué)知識(shí)與專業(yè)能力的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，從具體的知識(shí)點(diǎn)上理解知識(shí)的價(jià)值在于運(yùn)用，是此次教改嘗試的核心思想。

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