新工科背景下的“工程力学”一流本科课程建设

［摘 要］ 在为国家培养面向未来高科技创新的专业人才与领军人才的战略性需求的推动下，全国范围内各级各类高校都在开展新工科建设，工程力学作为传统学科及工科专业的基础，也应积极进行教学改革创新探索，以更好地服务高等教育变革。以新工科建设为背景，介绍北京交通大学“工程力学”本科专业课程的基本情况，详细介绍了“工程力学”课程在课程体系、教师队伍、教学方法与教学手段以及课程思政建设方面的具体经验和思路，以期为一流本科课程建设提供参考。

［关键词］ 新工科；工程力学；课程建设；课程思政

［基金项目］ 2022年度北京交通大学教改项目“‘工程力学’一流本科课程建设”

［作者简介］ 苏晓星（1978—），男，安徽安庆人，博士，北京交通大学物理科学与工程学院力学系副教授，主要从事弹性波动力学研究；税国双（1971—），男，四川射洪人，博士，北京交通大学物理科学与工程学院力学系教授，主要从事超声检测及波动力学研究。

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）26-0001-05 ［收稿日期］ 2023-01-17

引言

进入新时代，全世界正在经历以全面智能化和信息化为特征，以基因工程、量子信息、新材料、新能源、移动互联网等新兴技术为代表的新一轮科技革命和产业变革，促进几乎所有工业领域全方位的变革和创新，在短时间内极大地改变了人们的生产和生活方式。另外，在科技突飞猛进发展的同时，人们还需面对资源与能源危机、环境污染、全球变暖、公共卫生危机等，亟须产业结构的调整与优化升级。教育是科技的基础，科技进步和产业结构的调整与升级必然影响教育方式、内容及理念的变革，特别是与技术人才培养联系最为紧密的工科教育。近几年来，教育部积极推进作为“卓越工程师教育培养计划”升级版的新工科建设，主动应对新一轮科技革命与产业变革，为创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家重大战略提供服务支撑。从“复旦共识”到“天大行动”，再到“北京指南”，新工科建设的内涵和外延逐渐清晰，全国范围内的各类高校都在结合自身特点和优势如火如荼地开展新工科建设，打造新形势下领先世界工程教育的中国模式，为全世界工程教育进步贡献中国经验，为新时代的科教兴国和高等教育强国建设贡献力量［1-2］。

发展新工科专业和改造升级传统专业是新工科建设的两个主要方面。新工科专业一般指与新兴产业密切相关的专业，比如区块链、云计算、大数据等以工业智能和互联网为核心的专业，新能源科学与工程等以解决资源与环境问题为目标的专业，智能材料与结构等以发展新材料为目标的专业。学科交叉融合和产学研一体化培养模式是新工科专业的两个主要特征，为探索孵化和发展新兴专业的新模式。2020年5月，第一批未来技术学院被教育部批准在12所领军高校予以建设。除了积极培育新工科专业外，改造升级传统工科专业同样重要，各行各业皆已被新一轮科技和产业革命全面渗透，传统学科为适应新发展也需要做出调整。作为一门传统学科，力学的历史久远，是自然科学和工程技术领域的基础支撑。杨卫院士指出：“力学源于工程且高于工程，旨在发掘蕴含在工程中的基本规律和定量设计准则，为航空、航天、船舶、机械、材料、土木、水利、能源、化工、电子、信息、生物医学工程等发展提供解决关键技术问题的理论和方法。”［3］在国家现代工程和经济建设中，力学大有用武之地，力学也因新兴产业发展而不断出现新生长点，比如力学与医学、太阳能电池、人工智能等领域的交叉，因此人们不断地从外延与内涵上对传统力学进行升级和改造。另外，由于创新型多元化的人才培养目标、工程教育新理念及教学技术信息化的普及，促使我们必须进行相应的力学教学改革。对此，本文在课程内容设置、教学方法、实验实习、课程思政等诸多环节进行改革创新，从而更好地为新工科建设服务，对“工程力学”这门作为众多工科专业的必修基础课来说，是当下的紧迫任务［4］。

一、“工程力学”课程基本情况

“工程力学”系列课程是北京交通大学力学系为交通运输工程、机械工程、土木工程以及环境工程等工科本科专业开设的必修基础课。尽管不同专业在该课程的教学内容侧重点和学时安排上有所不同，但教学目的基本相同，都是使学生掌握静力学的基本概念、理论及物体受力分析和求解物体平衡问题的一般方法；掌握运动学、动力学的基本概念和理论及对质点和刚体进行运动分析的一般方法；掌握材料力学的基本概念和理论及构件的强度、刚度和稳定性分析与计算的一般方法。另外，还结合了主要针对材料力学基本变形部分的实验教学，使学生加深对材料力学理论知识的理解。学生通过对该课程的理论学习与实验训练，奠定了较为扎实的力学知识基础，有利于较为全面地培养学生的计算分析能力、综合运用力学知识解决实际工程问题的能力及动手实验能力。目前，北京交通大学力学系教学团队在“工程力学”系列课程建设中取得了较为丰硕的成果，“工程力学”课程被评为国家级精品资源共享课程，出版了北京市精品教材《工程力学》［5］及北京市高等教育精品立项教材《静力学》［6］《运动学与动力学》［7］和《材料力学》［8］，“理论力学”“材料力学”在线课程在爱课程平台上线并推荐参评第二批国家级精品在线开放课程。

二、“工程力学”课程建设内容

（一）课程体系建设

工科专业分门别类、数目众多，为对课程体系进行优化，从而实现高水平课程平台的构建，我们以各授课专业的人才培养体系为依据，追踪其在工程教育认证和参与新工科建设进行改造升级的更新情况，对教学内容不断进行动态调整，从而实现教学内容的基础性、实用性、前沿性等方面的统一。除了教学内容和学时安排有所不同，我们依据授课专业的知识结构及后续课程需求，对不同授课专业的课程侧重点进行了不同的设置。我们开设的“工程力学”系列课程具体细分为A、B、C、D四类，分别对应土木工程、机电工程、环境工程及交通运输工程等专业。其中，A类“工程力学”课程在静力学部分投入较多学时，对材料力学中的偏心压缩、截面核心等内容有所强调；B类“工程力学”课程在运动学和动力学部分有所加强，强调材料力学中的弯扭组合等内容；C类“工程力学”课程则将重点放在静力平衡分析和材料力学基本变形及组合变形上；D类“工程力学”课程旨在使学生学习基本的工程力学知识，从而具备一定的工程素质，侧重静力学及材料力学基本变形中的基本内容。

为使拔尖创新人才培养新模式在北京交通大学落地生根，2020年7月，我校以实体学院的形式成立了智慧交通未来技术学院（即詹天佑学院）。为全面达到新兴专业对人才的创新能力和综合素质的要求，詹天佑学院力争在实施基本新工科人才综合素质培养模式（即强化目标导向、“五育”并举贯穿、统筹资源配置、平台项目导入）的基础上，进一步加强教学培养的实验及实践性环节。“工程力学”作为该学院的基础必修课程，更要注重在教学内容的深度、广度和前沿性上进行必要调整。在基础教学内容的设置方面，在学生已扎实掌握力学的基本概念和原理的基础上，着力培养学生在工程实际中运用数学方法及建模工具实现对力学问题的定性和定量描述的能力。为加强对未来技术人才创新能力的培养，在教学中应注重引导学生挖掘具体的工程问题中蕴含的科学原理，培养其透过问题看本质、化繁为简的能力及抽象思维，具备在未来各种工程应用场景中熟练建立数学物理模型的能力，在分析问题和解决问题的过程中实现突破创新。另外，基于对未来人才实验实践能力的培养要求，我们会在现有教学活动中介绍许多有关工程实际问题的力学结构设计案例，引导学生对一些有记录的工程灾难事故进行力学破坏机理分析，增设一些开放式的实验教学项目，进一步拓宽学生的专业视野，提升学生对“基础力学”课程的学习热情和积极性。

（二）教师队伍建设

一流的课程教学是一流本科教育的核心所在，而一流的教学团队又是一流课程教学的必要支撑。在科学技术发展突飞猛进的新时代，任何一门课程的教学都面临诸多问题和挑战，团队建设的理念和机制对课程教学至关重要，加强队伍建设是保证一流课程质量的不可或缺的条件，一流的教学团队必须具备面向未来、与国际接轨的一流的教学创新和研究能力。新工科建设对未来创新型人才培养所提出的基本要求，是我们加强队伍建设的依据。北京交通大学力学系教师的第一学历背景较为多样化，除力学专业以外，还有土木、材料、机械、航空航天、物理等多种专业，因此，在教学团队中如何搭配第一学历专业不同的教师，是我们在进行队伍建设时应予以考虑的重要问题，以实现在教学中拓展学生的知识面，优化学生的知识结构。课程团队的教师基本具有至少为期一年的国外访学经历或留学经历，这无疑有助于拓宽学生的国际视野；注重在教师队伍中形成老中青教师结合的传帮带机制，既能彰显青年教师思维活跃的特点，又能传承老教师的丰富经验，同时发挥中年教师的中坚支撑作用和带头作用；注重加强教师对复杂工程实际问题进行力学简化分析和处理的能力，使其在课堂教学中尽量将复杂问题简单化、抽象问题形象化，理论基础知识与实验实践活动相互协调和配合，能够改善课堂教学效果，培养学生的创新能力；注重教师加强自身有机整合和综合利用数学分析、力学原理、力学简化模型及实验设计的能力，使其在深刻领悟课堂教学中力学基本原理的基础上，能够清楚地向学生呈现所讲授知识点之间的复杂的内在联系，引导学生自己逐渐将其组合成可解决各种复杂的工程力学问题的一整套独特有效的分析和处理方法。坚持因材施教的原则和教学相长的目的，教师和学生在教学互动中都应努力扮演好各自的角色，促进各自的成长和进步。关于教师素质的加强，高校教师处理好教学与科研的关系是非常关键的。高质量的教学可有效推进教师的科研工作，科研成果又能很好地用于教学指导，增强教师的教学前瞻性，在研究型大学中两者相辅相成，缺一不可。教师将相关的科研成果和工程实践经验融入理论教学，有助于拓展教师对基本理论知识点的讲解深度，使教师讲授的内容不拘泥于书本知识，课堂的新颖性、前沿性、实践性、趣味性得到大幅提升，可通过一些工程案例模拟或虚拟仿真实验辅助教学，以取得更好的教学效果。按照学校加强基础学科和新兴交叉学科建设的发展战略，我校力学系与物理系等单位于2022年初合并为北京交通大学物理科学与工程学院，这为面向国际科学前沿和国家重大战略需求、坚持基础研究与应用研究相结合、促进学科交叉融合、加强教师队伍建设等打下了坚实的基础。

（三）教学方法与教学手段建设

学生工程创新能力的培养和提高离不开教学方法和教学手段的持续改进。在新工科视野下，必须将新一轮产业和科技革命所需要的创新创业型工程人才作为人才培养的宗旨和目标，使传统、陈旧的“灌输式”教学转变为前卫、新颖的启发式及任务驱动式教学。同时，在教学模式上，由传统的以教师为中心过渡到以学生为中心，实现三个方面（理论与实践、课堂与工程及课内与课外）的紧密结合，从而使学生的创新创业能力得到实质性和全面性的提高。在启发式教学中，通过让学生带着问题学习，加深学生对所学知识的理解，而在任务驱动式教学中，学生不仅能学习到专业知识，还能在完成具体任务的过程中提高实操能力，将理论知识内化于与之紧密联系的操作实践中。通过强化师生互动，引导学生更加细致地考虑问题，提升教学效果。此外，教师不仅要“授之以鱼”，更要“授之以渔”，即这门课不仅要传授知识及解决具体工程问题的方法，还要注重兼顾和平衡对学生知识、能力及素质结构的培养，在发现问题和解决问题的过程中培养学生的直觉思维、研究型思维和批判思维。

对于“工程力学”课程，一般比较注重两种教学方法的运用：一是善于进行复杂模型的简化，即化繁为简。在工程力学中，我们一般根据构件的受力特征，将其抽象为杆、轴、梁三种模型，从而实现基于简化的模型对复杂工程结构进行受力分析。例如，在对构件进行约束力分析时，一般将实际中较为复杂的约束结构简化为固定铰支座、滚动支座、固定端约束、球铰链支座等，而在对各种类型的构件（如框架结构、桁架结构、悬臂梁、简支梁等）进行主动力分析时，实际中复杂的外载荷在受力构件模型化后可被简化为集中力、分布力、弯矩、扭矩等各种类型，这种简化处理方式使实际工程问题变得较为容易处理。二是融会贯通。物体的状态变化和运动信息在工程力学的知识体系中皆由数学物理方程严格控制。例如，静力学的刚体平衡方程、运动学的运动方程与动力学方程、材料力学中描述梁弯曲的挠曲线方程等。工程需要培养学生直观的想象力，而数学推导需要的是抽象思维。对力学问题的分析处理通常分为三个步骤：首先要求学生将数学模型从工程问题中抽象出来，进而建立控制方程并采用合适的数学或数值方法求解，最后对求解获得的结果进行讨论和分析，以指导进一步的实验设计或与已有实验结果进行比较。“工程力学”课程教学中的关键是有机整合和简化力学模型、数学推导、力学分析、实验研究等分散的知识点，从而形成解决各类实际工程问题的系统方法。教师在讲课过程中要注重对知识点进行重组归纳，对于工程领域中的结构设计问题，应融入微积分、线性代数、解析几何、数理方程、数理统计等知识点。