新工科背景下应用型导向的土木工程学科理论力学教学探索

刘良坤，潘兆东，庞书孟，秦任远，邸 博

（东莞理工学院生态环境与建筑工程学院，广东 东莞 523808）

新工科建设对工程专业人才的培养提出了新的需求[1-2]。“新工科”建设是中国工程教育应对新技术和新经济发展的重要举措。土木工程属于传统工科，面对新技术、新经济的变革更加需要适应当前的新形势，并主动“升级”。理论力学课程作为土木工程专业的重要核心基础课程，重点在于培养土木工程专业学生的计算分析能力，是土木工程行业工程师力学思维培养的前提，更是后续材料力学、结构力学等专业力学课程的重要基础。

然而，工程学科强调知识的应用能力，理论力学的理论性较强，其概念及原理相对复杂，学生容易产生疑惑；而且，在教学过程中，很可能因授课教师的专业背景及承担课程不同，缺乏有效引导，导致理论力学的独立性过强，无法将其与其他课程建立有效联系，从而导致学生的力学思维能力培养不足，力学概念与原理的应用能力有限。因此，提高学生对理论力学课程的重视，实施应用型导向的教学模式，有利于培养土木工程专业学生的力学工程思维及理论联系实际的工程应用能力[3-5]。本文将以笔者承担的理论力学为例，对近几年应用型导向理论力学教学改革进行探讨。

1 理论力学教学现状

理论力学是一门理论性较强的专业基础课程，其内容相对枯燥，公式较多，学生在学习过程中往往存在较多疑问。目前在教学上存在以下问题：

（1）教学内容过于抽象，不利于力学概念的理解。相对而言，由于理论力学是一门偏于理论的基础核心课程，力学概念较多，内容相对抽象枯燥，难以调动学生对学习的热情。教师在教学过程中容易出现误区，将过多的时间用于公式讲解与推导，缺少对力学概念的理解，导致学生陷入误区，使原本晦涩难懂的力学理论理解“雪上加霜”。因此，重视力学概念的理解是保证力学应用的基础。

（2）教学过程重视理论学习，缺乏有效实践。目前的理论力学教学注重课程的讲授，且以理论学习为主，缺少真正的动手实践，导致学生对力学概念的认知仅仅在于对力学概念文字上的认知，无法了解其真正内涵，也无法对理论进一步深化；而实践教学内容的缺乏正加剧了这种过程的产生。因此，对理论力学的理论与实践内容进行合理安排至关重要，有利于学生达到学以致用的目的。

（3）教学关联性存在断层，专业课程的力学应用引导不足。理论力学作为基础核心课程涉及各类力学课程（诸如材料力学、结构力学等）、土木专业课程（混凝土结构设计基本原理、钢结构设计等），这使得理论力学的学习直接关系到后续课程的理解与掌握。然而，在教学过程中，很可能因授课教师的专业背景及承担课程的不同，导致理论力学的独立性过强，无法将其与其他课程建立有效联系；加之缺乏有效引导，不利于学生力学思维的培养，导致对力学概念与原理的应用能力有限。此外，土木工程专业课程，大多安排于大学的中后期，若教师在授课程中未及时补充相关的力学知识，由于学生对前期力学知识的遗忘，很可能对专业课程的理解不足。上述情况将阻碍其在后期的工程应用。

2 应用型导向的理论力学教学改革措施

为培养土木工程专业人才的力学工程思维，提高其工程应用能力，应用型导向的教学改革势在必行。据此，作者根据理论力学的核心基础课程定位，从三方面进行教学改革，基本改革框架如图1所示。

图1 应用型导向的理论力学教学改革框架

2.1 重视理论力学概念理解

土木工程应用能力的基础在于对力学概念的理解。区别于传统理论力学的灌输式教学方式，笔者采用启发式的力学概念感知教学方式。首先，按传统方式讲解力学概念，使学生有初步的了解；然后，将力学概念与生活或工程中常见的力学现象相结合，引起学生求知欲，并辅以图片或视频方式演示力学想象，讲授背后的力学机制，引出关键的力学概念；随后，启发学生产生联想，并进行力学概念的拓展与延伸；最后，以此为契机，启发学生，用力学视角解释并分析生活上常见的现象，从而提升对力学概念的理解，为其今后力学应用能力提升提供基础。

2.2 强调理论力学的应用实践

对于土木土工程学科而言，理论力学的学习在于为后期课程学习与工程应用提供基础，而力学实践引入将有效提高其支撑效果。因此，基于前期的力学概念理解，强化力学理论，并以力学理论为基础进行力学实践，让学生加深对力学概念的感知，便于后期专业课程的学习和力学应用能力的培养。考虑到本课程静力学部分与土木工程学科最为密切，教学过程中以力矩、力偶、重心等概念为例，采用电子版作业的方式让学生参与力学实践。例如，力对轴之矩的概念，学生A根据所学的基本知识，先对该概念进行初步理解，然后，以宿舍的门为例，分析门在开合过程中，手对门施加不同方向作用力时，对该轴之矩的影响；同时该同学就分析过程以图片的形式进行了说明。此外，如图2，本课程还设置了趣味力学竞赛及课内结构设计竞赛，以此来提高学生的力学实践与应用能力。

图2 力学实践活动

2.3 促进专业课程力学思维导向

理论力学因其课程的特殊性，学生普遍接受起来存在一定的困难，加之授课教师的专业背景及承担课程不同，导致该课程的独立性过强，影响其与后续课程的关联性建立，不利于力学工程思维培养。因此，理论力学教学中应根据力学概念与原理，适当引出后期专业课程可能涉及的相关工程案例，实现其与理论力学的初步“对接”，减少学习专业课程时的生涩感及课程间的独立性，完善理论力学在土木工程专业课程中的框架体系。具体而言，在教学过程中，首先应重视理论力学中与土木工程专业最为密切的静力学内容，并在力学课程中突出工程应用，培养初步的力学工程思维；其次，后续专业课程的授课时，应回顾相关力学原理，并以力学思维进行引导；最后，结合专业课程中相关的力学内容进行讲授，在得到结论后再次强调与专业课程的关联性，让学生掌握该部分内容的内在力学机理。通过上述过程，既可完成理论力学对专业课程的有效引导，又可确保后续专业课程对理论力学的有效承接，从而改善力学与土木工程专业课程之间教学的独立性，实现专业课程的力学思维导向。

例如，混凝土结构基本原理中单筋矩形截面的等效过程，其等效原则实际为合力的大小和作用点不变。相关原理来源于理论力学的静力平衡：（1）合力大小不变对应于力的平衡；（2）作用点不变对应于力矩平衡。在理论力学课程中，可以适当多准备一些后续专业课程的应用案例，引导学生重视静力平衡的概念与原理学习。在混凝土结构基本原理讲授时，首先在讲解前用2～5分钟复习静力学平衡知识；然后，根据截面等效的四个基本假定，完成混凝土梁受压区截面应力的矩形等效，并推导计算公式；最后，再次解析等效过程，并强调等效过程的核心在于力与力矩的平衡，从而确保在该知识点的讲解过程中突出力学概念与原理的应用。此外，还可介绍相关的实际工程案例，启发学生采用静力平衡原理进行分析。

3 结语

理论力学是土木工程专业的重要核心基础课程，重视力学概念的理解，加强有效的力学实践，并促进专业课程的力学思维导向，对于培养学生的力学工程思维能力非常重要。笔者针对所承担的理论力学及部分专业课程进行了为期多年的教学改革，取得了良好的效果：学生对力学概念的理解有所加深，而且由于力学实践的引入，学生的学习兴趣有较大的提高；此外，改革过程中对力学与专业课程进行了有效的“前启后承”，降低了课程间的独立性，有助于建立力学与专业课程的紧密联系。因此，对于土木工程学科，应用型导向的理论力学课程改革，有利于提高学生的计算、分析与实际应用能力，促进学生力学工程思维的培养，为培养“新工科”建设下土木工程专业复合型人才提供支撑。