传统基础课程教学改革中的几个关键问题

                 作者：杨庆生 杜家政 王亲猛 龙连春

摘　要：传统基础课程的教学改革历来是一个难点。本文以工程力学课程为例，阐述了传统基础课程教学改革的关键问题。结合我校的教学改革实践，介绍了在课程体系、教学内容、教学方法改革以及教学队伍建设等方面的具体做法，对于传统基础课程的教学改革具有借鉴意义。

关键词：传统基础课程；工程力学；教学改革；创新型人才

一、引言

传统基础课程在大学中占有重要的地位。传统基础课程的改革是教育教学改革的难点，也是争议比较多的问题。在建设创新型国家，培养创新型人才的大背景下，积极稳妥地进行基础课程的教育教学改革，势在必行。

传统课程工程力学是许多工科专业的重要专业基础课，它不仅是后续相关课程的基础，而且它自身的方法具有直接解决工程实际问题的能力。狭义工程力学的基本内容包括刚体静力学和杆件变形体力学，扩展内容包括质点和刚体的运动学、动力学。广义工程力学还包括弹性力学、流体力学和有限元法。本科阶段的工程力学属于狭义工程力学。

工程力学学科的变形体力学，形成于16-19世纪，受当时欧洲革命和文艺复兴的影响较深^[1，2]。研究对象以金属材料为主，研究方法以演义推理为主，从而形成了变形体力学的各个传统学科分支和经典的研究内容。另一方面，本学科的迅速已经为课程内容的更新提供了丰富的素材和广阔的选择余地。首先从本门课程在工科专业中的地位看，工程力学是培养学生工程意识的启蒙课程，本门课程所具有的特殊的科学方法对培养学生的科学素质和处理工程问题的能力具有不可替代的作用。其次从学生的知识体系看，工程力学前接高等数学、大学物理等重要基础课，后续机械设计原理、结构设计原理、材料设计原理等主要专业课程。工程力学起到了承上启下、从基础向专业转换的关键作用。再其次从本门学科的发展看，学科已经在多个方面取得重要的发展，包括研究对象的扩大、研究方法的更新等各个方面。这些新的知识既有在某些知识点上的完善和发展，也有以全新知识体系形成的学科分支。

二、正确认识课程定位，明确课程改革指导思想

作为工科专业的重要专业基础课，工程力学课程具有完整系统的基本概念、基本原理和基本方法，具有独特的数学推理和分析与求解问题的科学思维方法，是一门具有严密的科学推理与灵活的工程应用相结合特点的课程。它不仅可以培养和训练学生综合研究与工程素质、逻辑思维与抽象简化能力，还能增强学生的工程实践能力。 

作为一门学生最早接触到的、系统地将理论知识与工程实际相结合的课程，将工程问题的分析、近似、抽象、建模、求解、设计等过程贯穿于教学中，使学生掌握正确的科学思维方法、掌握处理工程中力学问题的基本方法和技能，培养学生的工程意识、科学素质与创新能力。

工程力学作为校级的基础课程，要为各专业、学科培养适应性人才的大目标服务；工程力学教学着重在启迪学生的创新思维、开发创新潜能、培养创新能力、强化工程训练、提高学生运用现代科学技术解决工程实际问题的能力和实践动手能力上下功夫，构建集教与学为一体、理论教学与实践教学为一体、课内与课外教学为一体的教学体系。

工程力学始终将工程问题的分析、近似、抽象、建模、求解、设计等过程贯穿于教学中，是学生掌握处理工程中力学问题的基本方法和技能。同时，由于在教学环节上该课程是一门学生最早接触到的、系统地将理论知识与工程实际相结合的课程，因此对学生的工程意识、工程能力、科学素质与创新能力等的培养都起到了重要的作用。我们从教学体系、内容、方法等各方面做了一系列的工作，旨在充分体现课程的目标定位，为学校培养人才的大目标做出应有的贡献。

在本课程范围内，教学方式和教学改革的总要求是，重视知识发生的过程，深化对力学概念的理解；紧密联系工程实际，理论与实际工程相结合，重视实验教学，培养动手能力与创新能力；增强学生综合分析和处理问题的全面素质，不仅要求进行实体实验，同时鼓励用先进的机软件模拟实际工程中的力学问题。

在理论教学过程中，注重知识发生的过程，使学习理论知识的过程成为一个知识发现的过程；鼓励学生大胆想象，启发学生模拟当时知识发生的情形，培养学生的学习兴趣和创新能力。在基本理论的应用上，鼓励学生联系实际，自己命题、自我解答、自行评价，弄清楚应用的条件与限制；在基础知识的外延上，阐述清楚所学知识对以后专业的作用、目前研究的热点问题与尚需进一步完善的问题，培养学生发现问题、解决问题的能力。在实践教学上，除了重视最基本的力学实验外，还应为学生开出多个综合型、提高型的开放实验，包括实体模型的电测、光侧、射线测试实验，以及虚拟模型的数值计算实验等。所有实验应采取完全开放形式。其目的在于锻炼学生的动手能力，增强学生科学思维能力和综合创新能力。

三、正确处理教学内容的继承与更新

工程力学是一门重要的专业基础课程，既有完整的基础理论，又与工程实际密切相关。工程力学的基本概念、基本理论和基本方法，经过长期的发展，已经成为相关工科专业的必不可少的基础知识。另外，工程力学不仅是一门理论基础课，同时还含有实验课，通过实验可以验证理论，学生在学习基本理论后还要通过实验来巩固所学的知识。因此，在教学实践中，保持课程核心内容（包括理论体系和实验训练）的稳定性和系统性，突出课程对学生创造性思维的独特作用和终身学习的基础作用。

同时，工程力学又与生产、科技的发展紧密相连，新材料和新技术的出现不断赋予工程力学新的研究内容和新的研究手段。例如，复合材料的发展和应用，促进了复合材料力学的创立和壮大；计算机科学的发展，形成了计算力学这一学科分支；纳米技术的出现，促成了纳米力学的建立。这些新的学科分支不断为工程力学的教学注入新的活力和素材，使本课程始终保持基础性与前沿性的交叉融合，具有鲜明的时代特色[3]。

为了体现工程力学教学内容的不断发展，正确处理继承、发展与更新的关系，在教学内容及教学实施过程中，应注意处理好下列问题。

1.活学基础理论知识、夯实基础

要求学生掌握扎实的基础知识。在教学过程中，注重知识发生的过程，注重启发学生模拟当时的情形，如何获得工程力学中的定理、公式及结论，使学习理论知识的过程成为一个知识发现的过程；在定理公式的应用上，并不是强求记忆，而是注重理解，弄清楚应用的条件与限制；在基础知识的外延上，阐述清楚所学知识对以后专业的作用，目前研究的热点问题与尚需进一步完善的问题。深化对工程概念的理解，紧密联系工程实际，理论与实际工程相结合，这些不仅增强了学生对有关知识的理解，同时也使课堂变得更加生动。

2.重视实践教学，构筑实验教学新体系

按照新世纪建设和社会发展对高素质创新人才培养的需要，与理论教学紧密结合，科学地设置实验项目，并注重先进性、开放性和将科研成果转化为教学实验，形成适应学科特点及自身系统性和科学性的、完整的实验体系；全面培养学生的科学作风，实验技能以及综合分析、发现和解决问题的能力，使学生具有创新、创业精神和实践能力。

课程实验教学以培养学生观察和动手能力及培养学生实事求是的科学实验态度为实验教学总体目标，将实验分为基础型—所有学生必须认真完成，综合型—鼓励所有学生参与，研究型—面向有兴趣的学生开设。

实验教学的要求是加强对学生实验方法和技能的基本训练，培养学生观察分析实验现象的本领及独特的动手能力。学生要以认真态度弄懂弄通实验和计算原理，正确实施实验过程、分析实验结果，要以科学实验态度，按实验的要求完成每个实验项目。

在计算与模拟技术高度发展的今天，数值试验具有理论与实体模型实验不可替代的作用。在实验教学体系的建设中，突出理论教学与实验教学紧密结合、实体模型实验与数值实验齐头并举的原则，大部分实验实现了实体实验与数值实验结果的对照，所有基础型实验完成了实体与数值的双重实验。

基础型实验在排课上与课堂教学同步进行，保证基础理论在先，基本实验操作随课紧跟，“讲”与“做”连贯进行。基本型实验的目标是使学生掌握扎实的力学基础知识和力学实验技能。

综合设计型实验是在教学计划之外由学生自己选择和设计的力学实验，主讲教师给予必要的指导。其的目的在于拓展学生的力学知识，提高学生运用力学知识解决工程问题的能力。

研究创新型实验是由学生结合所学专业，综合运用各门课程的知识，由学生自主选择、自行设计、自己完成的实验。这些实验有时也是一些研究课题的一部分，例如机械设计大赛、结构设计大赛、学生研究训练等学生课内外科技活动。创新性实验的目的在于培养学生综合运用所学知识、解决实际工程和科学研究中的新力学问题的能力，培养学生的创新性思维和研究能力。

3.鼓励参与科研活动，加强科研素质训练

教师应坚持实验、科研和工程的紧密结合，进一步推进与大、国际高技术公司的合作，为学生创造更多参与科研活动的机会，积极鼓励本科生参加与课程有关的科研活动；使更多学生在教师指导下参与课外研究与工程实践，培养其动手能力、创新能力，对优秀学生进行重点跟踪和培养。教师在在科研、工程开发工作中提高水平，其自身实践经验反过来有助于更新教学内容，提高教学质量。

四、扎实进行教学改革，提高教学质量

全面推行立体化的教学模式，探索开放环境下为学生提供更有效教学指导的方法和策略；探索在学科专业设置综合化条件下，提高课程体系的科学性和适应能力的有效途径。

课堂教学和实验教学及其课程管理要充分利用技术，实现现代教育技术与传统教学手段的有机结合。多媒体课件要实现声、光、动画等视觉效果的完美统一；应建立有效师生互动平台，为学生提供了多种学习途径和交流渠道，方便地为学生提供有效的学习指导。

改革考核方式也是重要的环节，建立多元考核方法，统筹考核理论学习与实验训练，对学生的基本理论、基本技能、设计能力及创新能力进行更为客观的评价。

在教育教学改革中，要着重解决以下提高教学质量的关键问题：

1.理论教学研究和实验教学研究相结合

所有教师都要开展教学研究，强调理论教学研究和实验教学研究并举，对于基本型实验课目的实验技术必须与理论教学密切配合。要求从事理论教学的教师必须参与该课程的实验指导，亲自制定并不断完善实验内容，改进实验方法，研制试验仪器，引导学生完成“实践—认识—再实践—再认识”的过程。

2.教学研究与科学研究相结合

教学与生产相结合，永远是教育的主题。工科专业实验室的教学内容也必须与科研、生产，才能成为培养学生实践能力的好课堂。引导学生利用实验方法研究实际工程问题和力学学术问题。实验室开设的提高性、创新性综合实验全部具有工程背景，与教师的学术研究有着密切的联系，学生可以参与研究课题。

3.教学活动与学生课外科技活动相结合

工程力学课程已经成为大学生参加课外科技活动的重要知识武器。例如全国机械设计大赛、结构设计大赛、全国机器人大赛和学生研究训练等学生课外科技活动。学生利用实验室的仪器和软件完成了多项研究课题，有一些被列入学校科技星火计划。

4.课程建设与科技服务相结合

教师利用自身的科研优势，承接大量科研课题为社会服务。近几年来，先后有多家工程单位和国际知名高技术公司与学校建立了科技协作关系。在教师承担的毕业设计工作中，大部分题目来自工程企业实用内容。这些均为学生与企业联系的实习题目或指导教师与企业单位合作项目中的选题。

五、积极实践，努力形成课程特色

在北京大学，工程力学课程经过多年的不断改革和精心建设，逐渐形成了自己的特色。我们的主要做法可以归纳如下：

1.以先进理念为引领，进行理论和实验教学内容、教学方法的深入改革

教学理念以学校人才培养的目标定位和本课程的定位为基础，为国家和地方建设和社会目标服务。由此出发，工程力学课程不断更新教学观念、深化教学改革，建立了一整套关于教学目的、方法、改革、管理和考核的新思路。

整合课程体系：更新教学观念，充实和创新教学内容，进一步实施课程体系的优化整合，根据学科发展和人才培养的需求，实现课程间合理分工和紧密衔接，建立一个由简单到复杂、由基础到综合的循序渐进教学内容体系。

更新教学内容：在保证基础知识体系完整的情况下，积极引入最新的内容，并将新内容融合于课程中。在理论教学中，把最新的力学知识和实际工程经验和案例引入课堂；在实验教学中将数值实验与实体模型实验放在同等重要的位置，鼓励以实际工程为背景的自主设计实验，大幅度增加综合性、设计性和研究创新性实验的比例。

开创实验教学的新模式：实验教学改革与课程教改紧密结合，以培养学生的创新能力和综合设计能力为主线，进行实验内容，实验手段，实验方法的改革。以三个结合（虚实结合、软硬结合、模数结合）为标准，对现有实验内容进行全面整合和更新。设计了基本型、综合型和创新型三类实验，已开出多个创新性综合实验，由学生自己制定实验方案，独立完成，学生可以多次反复修改方案直至得出满意结果为止。

全面引入数值实验：在工程力学的教学中，全面引入数值分析实验。综合设计型实验和创新性实验采用了实体实验与数值实验相对照的方式。学生将实验结果与数值结果互相对照，可以自行验证结果的正确性。采用数值方法以后，对实验结果的显示更加直观、生动，对结果的分析更加全面、深入。

理论教学与实验教学贯通：根据学校培养目标的定位和工程力学既是基础学科又是应用学科的特点，做到了实验教学与理论教学的人员队伍互通和教学计划互通。实验教学与理论教学密切联系、互相促进。基础实验已经做成多媒体课件，引入到理论教学中。

采用多种教学手段：板书+多媒体+工程实例，典型例子举一反三、深入分析，小环节训练学生创新思维，充分发挥学生在学习中的主体作用和教师的主导作用。采用多媒体组合教学实验设计、综合利用各种媒体的优势，提高学生综合素质和工程意识、提高教学质量和效益。

改革考核考试方式：加大平时成绩的权重，鼓励学生通过工作写出创新性的实验报告和课程论文，并计入平时成绩。理论考试增加了综合能力题，要求学生进行自己选择实际问题，然后自己建立力学模型、求解，并自行证明其结论的正确性。实验考试则对学生进行操作过程的考核，考察学生在仪器和软件使用、基本操作和把握实验的能力。

2.以高水平教学队伍为主导，构建教、学、研一体的高质量教学体系

工程力学课程组具有一支治学严谨、要求严格的注重教学质量、教学与科研有机结合、层次合理的教学队伍。现代力学的内涵已经远远超出了经典内容的范畴，新的力学问题不断出现，理论、数值和实验的综合方法成为现代力学研究的主要特点。在力学教学中应体现现代力学的这种发展趋势。

逐步实现向研究型教学的转变：将科学研究与教学实践相结合，以知识的发生、发展过程为主线，把学生引领到现代科技的前沿；利用现代信息技术，实施以学生为主体，教师为主导的自主学习、主动探索的教学模式；采用课内外相结合的多元化的实践方式，培养学生的工程实践能力、综合分析能力和科技创新能力。

   开展教学研究：课程内部制定了定期和不定期的教学研究交流制度，鼓励教师探索教学改革，撰写教学研究论文。在制定教学方案、引入新的知识点和工程案例时，大家共同准备、一起切磋，达到共同提高、提高教学质量的目的。

创造良好的学术氛围：采用走出去、请进来的方式，加强对外学术交流，营造良好的学术研究氛围。近几年，邀请了国内外一大批著名科学家、教育家来学校讲学和指导工作，每年邀请的学术报告40余次。同时积极选派教师到国内外大学参观访问或进修学习，学习和观摩国内外著名大学的教学、科研动态。

3.以培养应用型创新人才为目标，营造氛围宽松、主动探索的教学环境

学校担负着为国家和地方培养大批基础扎实、专业面宽、素质好、实践能力强、富有创新精神的应用型、复合型人才的重任，工程力学课程服务于这个大目标。

注重能力、鼓励创新：在课堂教学、实验教学和考试环节注重综合能力和全面素质的培养，鼓励学生大胆创新，只要能够想象出来的结构形式、力学模型或解决问题的方法，教师都给予鼓励和支持。同时鼓励和帮助学生将自己的设计、研究结果拿出去，参加各种形式的大学生课外科技实践活动或比赛，从中锻炼学生的综合能力，并不断完善和提高自己。

密切联系工程实际：培养学生的工程意识和动手能力是大学生全面素质培养的重要方面，也是培养适应性人才的重要手段。工程力学课程有意识地结合工程实际问题，进行理论和实验教学。经常把简单的工程实际问题交给学生进行实体模型和数值实验，针对典型工程事故，让学生再现过程，分析原因，提出改进设想。

宽松的氛围：在保证基本教学秩序和基本教学要求的基础上，让每位学生独立安排各自的研究课题，可以自由地选择实体模型实验或数值实验，允许研究失败的同学重新选题、重新选择研究方法、重新考试，鼓励有兴趣的同学尝试创新，充分发挥了学生的主观能动性。

良好的支撑条件：学校为学生提供了充足的实验设备、机设备和场地，开放各实验室的贵重设备及前沿技术应用于本科生开放实验教学，购买了各种先进的计算机仿真软件。安排有丰富经验的实验人员或研究生值班，对学生进行辅导，尽量帮助学生的构想变成现实，因此他们可以随时与值班教师或研究生讨论问题，这种宽松自由的学术交流环境有利于学生主动地进行探索。

六、结论

本文从课程定位、教改目标、教学内容与教学方式的改革以及我们自身的实践，全面阐述了工程力学课程改革的基本思路和具体实践，从教改得效果看，是基本成功的。只要真正把教育教学改革落到实处，勇于实践，大胆探索，就可以闯出一条具有学校和课程特色的教改之路。工程力学课程的教改实践，为传统基础课程的教学改革提供了教改实例，对于其他传统基础课程的教学改革具有借鉴意义。

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[1] Tiemoshenko, S. P., History of Strength of Materials, Dover Publications, Inc., New York, 1983.

[2] Gere, J. M., Mechanics of Materials, Brooks/Cole Publishing Company, New York, 2001.

[3] 杨庆生.关于教学内容更新的思考.教育研究通讯.2007.1：61-64.