【摘要】土木工程类专业基础力学作为专业基础课程,知识覆盖面广。本文从土木工程专业学科特点出发,对目前基础力学教学现状进行了分析,提出了以科研带动教学、培养学生的创新能力、开展启发式教学、加强实验教学等观点,并对考试方式、答疑方式改革提出了建议。强调教师应该心系学生,加强实际应用和创新能力培养。
【关键词】基础力学 土木工程实验
【中图分类号】C41【文献标识码】A【文章编号】1009-9646(2009)02(a)-0036-02
理论力学、材料力学和结构力学、弹性力学、流体力学、土力学等是土木工程类专业的主要专业基础课,统称为基础力学,通过这些课程的学习,不仅能够使学生合理地利用力学特性,还能使学生掌握运动、动力学分析及校核材料强度、刚度和稳定性的方法,从而为设计提供重要依据。
基础力学课堂教学的效果好与坏直接影响到学生后续课程的学习,也影响到学生今后工作中是否能正确运用有关知识进行合理设计。因此希望学生能从各个角度全面掌握这几门课的内容,并能活学活用,举一反三,灵活应用所学知识解决实际问题,对未来从事这些行业的土木工程师尤为关键。
我校在土木工程类专业基础力学课程建设方面成绩喜人,继2004年工程流体力学获国家级精品课程后,理论力学又获得省级精品课程,材料力学等多门课程获校级精品课程。
1 土木工程类专业力学的学科特点
1.1 学科特点
土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。现代土木工程的特点是适应各类工程建设高速发展的要求,需要建造现代化的建筑物。既要求高质量和快速施工,又要求高经济效益。土木工程种类包括房屋建筑、桥梁工程、公路、铁道、隧道工程、矿井工程、水利工程、给水与排水工程。土木工程类专业力学是一门理论性和实践性都很强的学科。
1.2 对教学的影响分析
土木工程类专业力学学科特点对土木工程类专业力学的教学、土木工程类专业力学的研究方法以及土木工程类专业力学的发展态势产生深刻影响[1]。
土木工程类专业力学比较特殊。土木工程的基本结构形式有梁、柱、拱、桁架等,因此基础力学的学习从基本结构形式入手,要着重受力的路线及构件受力特点,实际上土木工程类专业基础力学更具有技术学科、工程学科的特点。因此,土木工程类专业力学的教学思路和方法与一般力学学科的思路和方法不完全相同。学习土木工程类专业力学形象思维比逻辑思维更重要。
在土木工程类专业力学教学中要重视实验环节,通过一系列的基础力学实验,熟悉构件的工程特性,掌握构件的强度特性、变形特性等测定方法,以及各种因素对它的影响规律。要重视对构件的物理力学指标的理解,以及它们的测定方法通过课程实验掌握其工程性质。
在土木工程类专业力学教学中要重概念,重理解,要重视工程经验。不仅要掌握分析方法,更要重视各种分析方法的适用条件如在稳定分析中,要强调稳定分析方法、分析中采用的参数的测定方法、采用的安全系数是配套的。采用的稳定分析方法不同,应采用的安全系数值也不同;在应用同一稳定分析方法时,采用不同的方法测定的参数,采用的安全系数也应不同。土木工程类专业力学中的许多分析方法来自工程经验的积累和案例分析,而不完全来自精确的理论推导。具体问题具体分析在土木工程类专业力学中更为重要。
2 土木工程类专业力学课程教学的现状
2.1 学时少与教学内容多的矛盾突出
当前,各高等院校为了适应经济建设和社会发展的需要,把将学生培养成适应社会需求的人才的教学目标,提高到越来越重要的位置上来。因此,拓宽专业口径成为教学改革的一大趋势。即要求学生在校期间不断增加基础课程的教学内容,又要扩大知识面。这样就使得专业课程教学的学时越来越少特别是近年来,本领域中新技术、新理论不断涌现,形成了教学学时的减少与教学内容广泛之间的矛盾。
2.2 与其他课程交叉、重复内容多
土木工程类专业基础力学利用力学的基本理论和土工测试技术,研究各种构件的基本物理特性、变形及其强度规律。课程涉及到的预备知识和相关领域较多,课程的横向跨度大,它与钢结构、建筑材料、混凝土结构理论等课程有密切相关联系,与这些课程的交叉、重复的内容也比较多[2]。
2.3 教学内容更新与学科发展相对滞后
近年来，由于地基勘查和土木测试的技术发展迅猛，地下工程的新科技、新理论不断涌现，基础力学课程与大多数课程一样，内容偏于陈旧，教学内容的更新程度落后于学科的发展。
2.4 限制开拓型人才的培养
传统的教学方法重于灌输,课堂教学讲得过多、过细;课堂教学习惯于老师讲、学生听,启发式、讨论式少;教学手段过于落后,教材内容过于陈旧并缺乏创新,加上课外作业过多,负担过重,学生懒得思考,也没有时间思考[3]。
为了培养开拓型人才,针对以上弊端,在教学中采用了结合实践内容、内容不断更新、方式多样化、精选习题并积极引导思维的教学模式是一种较好的选择。
3 教学方法的改革对策
3.1 以科研、生产促教学
教师是课程建设的主体,教学改革与创新的关键之一在于加强师德教育、提高学术水平和工程实践能力。
3.1.1 鼓励教师教学与科研并行,并使二者相互促进,鼓励教师结合科研授课。土木工程类专业力学课程教师应在教学的同时不断参与科研项目,撰写高质量的科研报告,发表科研学术论文。通过科研活动,推动教师拓展专业知识面,了解土木工程类专业力学学科发展的前沿动态,加深对土木工程类专业基础力学课程的认识和理解,进而促进和提高教学水平。
3.1.2 使教学与生产活动并行且相互渗透。教师适当参与一些实际工程,解决一些实际问题,从而能在教学中将土木工程类专业力学知识与工程中的实际问题紧密联系在一起,可以强化学生的工程意识,激发学生学习的兴趣。可以带学生到实际工程现场参加社会实践,使学生对课程有更深入的了解。
3.1.3 鼓励学生参加教师课题,鼓励学生参加大学生科研计划(SRTP),SRTP主要面对大二、大三的学生,目的是提高研究型大学本科生自主创新能力、科研能力和实践动手能力。申请SRTP项目来自二方面:一是根据教师现有的教学、科研、生产和管理中的研究课题,并符合本科生科研训练的实际能力,再细化为SRTP子项目;二是根据学生自定的科研项目或研究课题转化为SRTP项目。教师要指导学生从事基本的科研训练计划工作,通过该过程对其科研能力进行训练和提高。土木类专业学生完成这些SRTP项目,基本上都需要有扎实的力学基础,学生通过参加SRTP,学习的自主性和学习热情大大提高。图1为一大学生参加SRTP时利用所学的基础力学知识建立的某产品有限元计算结果。
图1 某产品最大应力值
3.1.4 学生在学习每门基础力学基础课后,在学有余力的基础上,要求学生写一篇小论文,论文题材不限,要写论文,学生必须要花精力学好这门课,同时还养成查阅资料,培养学习兴趣等好习惯。如一学生在学完材料力学后,针对自己所见到的图2中示意的塔吊结构所发生的事故,从压杆稳定、虚位移以及扭弯组合等入手进行了结构分析和计算,并写成小论文,做到了学有所用。
图2 事故塔吊示意图
3.2 施行启发式教学
土木工程类专业基础力学 作为一门经典的学科,发展至今仍存在很多问题,以前的某些理论、假设不断有学者提出新论点、新理论,因此在土木工程类专业力学教学中教师应注意避免给学生造成“书本知识一定完整、完全正确”的印象,施行启发式教学模式,鼓励他们勤于思考,敢于问为什么,敢于提出质疑。
另外,在教学中不仅要引导学生解决问题,更要注重培养其解决问题的能力,使学生能做到自觉地应用土木工程类专业力学的基本原理去学习后续课程、去解决实际工程中的问题。
3.3 加强实验教学
基础力学实验在土木工程类专业力学中的地位非常重要。如材料力学实验是土木工程类专业材料力学理论研究的基本手段。再如土力学实验除土的各种物理力学性质指标需要通过实验测定外,土的各种工程性质、地基的工作性状和破坏机理等都需要通过实验观测发现其规律,在此基础上再上升到理论。理论还需要大量的实验或工程实践进行检验,以使修正错误,不断完善。可以说脱离了实验,土木工程类专业基础力学就不可能发展。因此提高学生对实验课的认识,树立重视实验的正确思想是土木工程类专业力学教师的重要职责。力学实验有两大突出特点:一是对实验结果准确性要求高;二是实验结果对操作技术的敏感性大。因此,力学实验要求严格按照规定的操作步骤和要求进行,不得有半点的疏忽。要保证实验结果的可靠性,要求实验者熟练掌握实验方法和操作技能,为今后的工作打下良好基础。为使学生对土工实验的重要性和对实验结果准确性的要求有足够的认识,教师在课堂上要结合具体事例讲述实验的地位和作用,使学生以严谨认真的态度对待实验课。此外在实验课的时间安排上,应确实保证每个学生都有充足的时间熟悉仪器,熟练掌握教学大纲规定的各项实验的操作步骤和操作技能。教师应严格要求,耐心辅导,不合格的实验必须重做。
在完成基本教学实验的同时,我们还增设了创新实验,鼓励学生自己编制实验程序,独立完成题目设定的实验内容。
3.4 鼓励学生参加学科竞赛
学科竞赛可以更进一步加强学生创新能力。在教学中采用学科竞赛等形式,鼓励学生自己动手,制作作品。如我校定期举办工程力学创新设计竞赛。要求参赛学生制作纸制作品,重量有规定要求,在相同条件下采用万能试验机通过加载来定胜负,以确定获奖作品。图3、图4为土木专业学生在工程力学创新设计竞赛的获奖作品。此外我们还举办多期结构设计大赛,也取得良好效果。
图3 工程力学创新设计竞赛作品
图4 工程力学创新设计竞赛作品
3.5 应用多媒体技术
随着教育目标由应试教育转变为素质教育,同时由于“大土木工程”的专业教学要求,使得在当前高校中存在的学时少与教学内容多的矛盾日益尖锐。必须在有限的时间里完成教学内容,多媒体教学成为一种有效的手段。应用 CAI(计算机辅助教学)及多媒体技术等先进的教学手段是大势所趋,计算机辅助教学可使教学透明度大大增加,教学直观形象,作图清晰,讲解面广,教学严谨。能将实际构件清晰地表示出来,有利于学生理解。在教学实践中,发现黑板教学弊病较多。在基础力学教学中编制课件(电子版)。编制应用Microsoft FrontPage、Authorware 、3DSMAX 、Microsoft PowerPoint、AutoCAD等软件,并完全模拟黑板教学,即按授课次序推导公式,安排例题,同时配以插图,根据变形要求配上动画,使学生方便地学习。因此,目前多媒体教学在众多高校得到了广泛应用。土木工程类专业力学作为主要专业基础课程,有众多学生需要学习,我们将授课内容制作成网络课件,挂在网上,学生学习起来更加便利了。当然课件也不是万能的,一名称职的教师应该结合学科的发展以及教学当中的具体情况,适当地对教学内容、进度等进行调整,而且必要时还需要结合板书的手段才能达到更好的教学效果。
3.6 实施双语教学
随着我国对外贸易的不断发展,改革开放步伐的不断加快,土木、交通、水利、港航等行业发展迅速,国外的先进技术、理念需要我们去理解,去掌握。然而全中文的教学方式使得学生在此方面往往处于被动地位,由于对英文专业词汇尚不清楚,从而影响了对外文资料的切实理解以及技术上的对外交流。于是,目前高校鼓励施行双语教学。根据调查,目前国内的土木工程类专业力学双语教学模式主要有以下3种:①外文教材(讲义),外文课件,外语授课;②中文教材(讲义),外文课件,国语授课;③外文教材(讲义),外文课件.国语授课[4].对以上的双语教学模式,很多高校目前仍处于研究、探索阶段,我校在材料力学甲中开设了双语教学,教学效果良好。双语教学要结合当前的中国国情,不能本末倒置。课程教学最重要的目的还是在于使学生掌握课程知识,在此前提下通过双语教学的方式尽可能使其对相关的外文专业词汇有所了解,为其以后的学习、工作和研究奠定一定的基础。可见在双语教学中,外语只是手段,而不是目的。因此双语教学的顺利实施还需相应的教学管理制度来确保。
3.7 考试和答疑方式的改革
考试是教学过程中的重要环节,也是评价学生学习情况,检验教学效果的重要手段,我们认为考试应着重考查学生分析问题,解决问题的能力,以提高学生学习的主动性[5]。基于这些,我们进行了几点尝试:①实现考试命题的科学化,即要真实反映教学水平和教学要求,能有效地评价教学质量,试题内容力求从基本概念、知识覆盖面和思考性与启发性较强的综合应用等方面作合理安排,注重对学生能力的考核;②考试方式规范化,评分采用集体批阅,保证评分的公正性,课程成绩采用平时作业、期末考试和实验构成总评成绩;③注重考后分析,用模糊综合评价方法评定课程成绩,有效地克服了以往成绩评定只重视主观因素而忽略了客观存在的模糊性,从而使学生与学生之间,班级与班级之间的评价更加合理;对学生成绩进行统计,获取均值、方差等统计数据,进行成绩质量分析和评估,找出原因和不足,以利今后教学的改进;⑤目前我们在多个基础力学科目中采用一纸考试方式,即允许带4号纸一张,可以写入公式、自行整理的资料等,目的就是为了考核学生对知识的灵活掌握,有效避免了学生对公式死记硬背;⑥组织学生在期末写小论文一篇,以论文成绩作为平时的重要成绩,成绩计入期末总评成绩,带动学生自主创新能力。
答疑可以帮助学生快速解决疑问,解决难点。以往教师答疑都采用现场答疑方式,既费时又费力,效果不好。目前,我们增加了网上答疑形式,不受时间和空间限制,起到良好效果。
4 结束语
土木专业类基础力学课程建设与改革任重道远,是一个艰苦的过程,涉及到许多方面。课程建设的成与败关键取决于教学质量是否提高,学生是否对本课程知识有系统的掌握,并应用自如。我们倡导教师心系学生,团结一致,虚心向同行学习,取长补短,经过不懈努力,教学工作和课程建设必定能取得卓越成绩。
参考文献
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[2] 魏德敏.土木工程专业力学课程教学改革动态分析[J].科技愉报开发与经济.2004,14(4):159-160.
[3] 陈家瑾,谢小明,蒋明等.土木工程专业基础力学课程改革的思考[J].苏州城市建设环境保护学院学报.2001,3(3):159-160.
[4] 任良玉,李静雅,柳海红等.双语教学存在的问题及对策[J].高等农业教育.2004,3(3):78-79.
[5] 王建军,许鹏奎.学分制下的高校考试制度改革[J].社科纵横.2003,18(3):73-74.