新工科背景下工程力学课程教学探索与实践

摘  要：新工科建设是我国积极应对新一轮科技革命与产业革命的重要战略部署，是国家教育高质量发展的关键指示。该文以新工科建设为背景，结合重庆大学办学理念及对于人才培养新模式的探索，本着以新时代高校人才培养为目标，针对工程力学课程中传统教育和慕课教学所存在的问题，同时结合其“理论联系实践、重推导和精演绎”等学科特点，提出尝试设置开放性课题，引进虚拟仿真实验室平台，指导学生进行自主创新实验等重要举措。建立以学生为中心、综合线上线下教育优势的翻转课堂教学新模式，为培养学生自主创新能力和主观能动思考能力提供积极的思路，为新工科背景下的工程力学授课提供有益的思考与探索。

关键词：新工科；工程力学；翻转课堂；人才培养；课堂设计

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）02-0138-04

Abstract： The construction of new engineering is an important strategic deployment for China to actively deal with the new round of scientific and technological revolution and industrial revolution， and it is the key indication of the high-quality development of national education. Taking the construction of new engineering as the background， combined with the school running concept of Chongqing University and the exploration of the new mode of talent training， aiming at the talent training of colleges and universities in the new era， aiming at the problems existing in the traditional education and course teaching in the course of engineering mechanics， and combined with its discipline characteristics of "theory connecting practice， rederivation and fine deduction"， this paper puts forward some important measures， such as trying to set up open topics， introducing virtual simulation laboratory platform， and guiding students to carry out independent innovation experiments. A new flipped classroom teaching mode focusing on students and integrating the advantages of online and offline education is established， which provides positive ideas for cultivating students' independent innovation ability and subjective thinking ability， and provides beneficial thinking and exploration for the teaching of engineering mechanics under the background of new engineering.

Keywords： new engineering; engineering mechanics; flipping classroom; personnel training; classroom design

教育是国之大计、党之大计，是国家富强振兴的基石，在国家现代化的进程中具有基础性、先导性和全局性的重要作用。为顺应世界教育跃进发展的洪流，我国作出建设中国特色世界一流大学和一流学科（“双一流”）的重大战略部署，并提出以培育一流专业为核心的国家“双万计划”。在新一轮科技革命和产业革命交汇的战略机遇期，高校建设更应该以质量提升为目标，加快一流课程的内涵式建设[1-6]。

新工科是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与分享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才为内涵，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑[7]。在新工科背景下，力学在工程应用中具有基础性和广泛性。工程力学是一门研究物体机械运动及物体承载能力的基础科学，为工科类院校重要的技术基础课之一，其理论性系统性强、逻辑严密且比较抽象，但与工程实际具有密切的联系[8]。该课程是目前国内理工科类院校（如清华大学、哈尔滨工业大学和浙江大学等）的专业必修课，在土木工程、机械工程和航空航天等学院均有开设。长期以来，国内高校在教授该课程过程中，普遍存在以教师为中心，重理论、轻实践，将力学基本原理与“工程”应用之间完全割裂的现象；随着“互联网+”时代的到来，国内高校在工程力学课中应用大型开放网络课程（Massive Open Online Courses，MOOC）的在线教育新模式，忽略了力学理论本身固有的重推导、精演绎的特点，在网络MOOC教学模式上，不可避免存在着模式同质化等问题。

因此，本文提出了关于工程力学课程在新工科建设时代背景下的教学模式的思考与探索，结合传统课堂和MOOC在线教育模式的优势，建立以学生为中心的工程力学翻转课堂（Flipped Classroom），着重理论与实践相结合，对于推动工程力学课程向个性化、定制化和多样化转变具有重要的意义。

一、新工科背景下实现工程力学课程教改的必要性

重庆是我国西南地区的工业重镇，但与东部地区高校的教育相比，还存在着发展不平衡、不充分的问题。自MOOC在线教育传入中国，重庆大学就联合国内其他高校发起了“东西部高校课程共享联盟”[9]，重庆大学是国内较早实施MOOC教育的高校之一。随后的2015年，重庆大学又开展了翻转课堂的实验教学，并于2018年成立了“未来学习研究中心”，推动“以教师为中心”的教学模式向“以学生为中心”的教学模式发展，并积极探索一流课程的教改项目实践。

网络时代下的在线课程为传统教学模式带来了一种课堂革命，MOOC平台的使用可以为学生提供网络学习的窗口，充分发挥学生的主观能动性，同时利用该平台还可以帮助学生反复学习该部分内容。但是，MOOC平台的引入，也导致大部分课程的编排趋于同质化，各部分内容均是按照讲授内容、小测评和总结等模式开展，这使得工程力学课程失去了由不同学校情况差异产生的特色。此外，工程力学课程具有其本身所独有的特点，而MOOC平台涉及对力学原理的推导和演绎，单凭观看在线视频，是无法理解其内在含义的；同时，基本的力学实验操作能力，工程运用与实际问题的解决能力无法得到锻炼。网络学习模式缺乏实践锻炼，而传统课堂中由老师操作实验，学生观看的学习模式，又无法让学生加深对实验细节问题的理解，单纯地增加实验设备，又面临着开支庞大，无法有效发挥设备利用率等问题。

二、工程力学目前教学面临的主要问题

（一）课堂教学模式单一化

工程力学课程涉及大量的力学基础知识和原理，同时也涉及大量的数学运算，所以对学生的逻辑思维和数学公式推导能力要求比较高。但是，目前在大部分高校中的工程力学课程的教育教学中，教师们通常为了方便，习惯运用传统的教育教学方式，这就造成了教学内容枯燥乏味，其中庞杂的运算和枯燥的公式更是让学生学习提不起兴趣，大多数的学生都是为了成绩和绩点被迫学习和接受知识，而很少有学生能够主动地去思考和研究，并且由于课程的特殊性，往往很多时候都是老师在黑板上板书或者运用PPT讲解大量的公式内容，这就导致了学生的课堂积极性不高，主动性不足，当然也就对于学习的兴趣不够高，这就导致了课程的质量不高，教学效率降低，偏离标准工程力学教育的水平。并且在很多的高校，学生觉得只要记住了，懂得了做题的套路就能够在期末拿到高分，这就导致了更多的学生死记硬背，无法将知识灵活运用。

（二）学生创新实践能力不足

创新实践的能力是我国高校重点培养的一种能力，特别对于工程力学这门课程，不管是在今后读研的科研学习中还是在以后工作的岗位上，大学生的创新实践能力都是不可或缺的一项重要的素质，然而想要具备一定的创新实践能力就要有过硬的专业基础知识，万变不离其宗，只有掌握了足够的基础知识，才能够做出创新利于实践。工程力学课程更是如此，想要将工程和力学紧密结合在一起，就要在其课程的教学中建立起对于学生的创新实践能力的培养，而在目前的教学中，由于学习的密度较高，课程较多，特别是对于力学系的同学来说，需要学习的理论知识本就很多，所以目前高校普通的工程力学课程教学往往就跟着常规的流程走，不会引入一些提高学生创新能力的教学方案。

三、工程力学翻转课堂的设计与探讨

教育改革到深处是“教学”，改到难处是“课程”。课程设置的合理性对学生系统性知识体系的构建有着显著影响。入学以来，学院相关负责人不断对工程力学专业的教学大纲进行调整，优化课程结构设置，以期专业课程及相关数理知识在整个学习过程中衔接更为紧密自然，从而使教学更为系统性，尽量避免某一门课程所需知识需要在之后的课程中才能学到的情况发生。工程力学专业课程整体较多，并且难度较大，学院在此基础上尽量优化每一学期的课程分配，尽量减轻学生的学习压力以达到更好的学习效果。并且工程力学专业要求学生具有一定的编程能力及对于ABAQUS等商业软件的应用能力，故学院负责人也为同学们设置了相应的通识课程与培训课程，以供同学们根据个人的兴趣与能力进行选择与学习，达到基础知识与专业技能同步发展的目的，激发了同学们的学习兴趣。工程力学专业注重专业知识在工程实际领域的应用，强调利用相关力学知识解决各种工程应用领域中的力学相关问题。学院为了更好地实现这一目的，在课程的教学过程中注重培养学生利用力学知识解决实际问题的能力，加入了许多实践导向性的任务考核。例如结构力学课程中，老师指导同学们搭建张拉整体，切实感受其中的力学原理，深化对结构力学等相关知识的认识与理解；结构分析软件应用课程中，老师让同学选择生活中感兴趣的力学现象或所学知识中的力学问题并利用有限元软件对其进行分析讨论，一方面锻炼学生使用相关商业软件的技能，另一方面使同学们对力学问题中的力学原理有了更直观深入的了解；大四的力学综合实验课程要求同学们自行购买或制造材料，利用所学力学知识搭建一座桥梁，在尽量减重的要求下满足尺寸、强度等要求，对同学综合应用专业知识解决实际问题的能力进行系统性的考核。这些不同形式的考核都体现了学院对于深化理论实践相结合这一教学改革目标的不断尝试与努力。作为学生，我们不仅在课堂上通过老师讲授的方式学习到了理论知识，也通过自主动手实践的方式更好地吸收了相关知识并掌握了一定的应用方法，这对未来同学们投身科研或进行相关工作打下了坚实的基础。

笔者所在的重庆大学工程力学系立足于重庆大学的实际授课情况，结合自身多年的教学经验，针对工程力学课在教学过程中所存在的上述问题，尝试以人才培养目标为改革切入点，在建设重大特色工程力学课过程中，注重理论与工程实践相结合，实验教学中讲究“虚实结合”，融合慕课在线教育和传统下线教育的优点，加强课堂讨论设计。为此，我们将工程力学课的翻转课堂设计分为四部分，即在线课堂设计、下线课堂设计、实验教学设计和评价制度设计。该工程力学翻装课堂融合了线上教育的优势和下线教育的长处，全方位、立体化地提出了一系列的工程力学学科所独有的特色化教育新模式探索道路，让学生在学习该门学科的过程中，能够提升自我的实验创新能力，力学基础原理推理演绎能力，能够充分发挥自我的主观能动性，充分发挥自我学习的好处，真正地做到新工科要求下的高校人才培养要求，该工程力学翻转课堂组织架构和要点如图1所示。