矿业类院校基础力学课程教学改革探索与实践

基础力学（包括材料力学、工程力学、理论力学等）是工科高校重要的技术基础课，它是多种科学与工程的基础[1-4],经过基础力学课程同仁们的不懈努力，该类课程在我国高等工科院校中已形成了相对稳定的课程体系，它的教学效果好坏会直接影响着本课程及后续专业课程教学质量，进而影响人才培养问题[5-7]。我国力学课程是20世纪50年代沿袭前苏联的教材和模式，虽经多次变革，但基本格局如课程设置及内容等变化不大。目前，各工科类高校为了顺应高等教育“宽口径、复合型”的培养模式[8-9]，增设了其他课程，这样大幅压缩了基础力学课程的总课时，课时严重压缩导致基础力学教学内容、方法、体系等已不适应当前的需求。因此，很多高校结合自身办学特色从力学课程教学思路、教学模式和配套教材等方面进行了一系列的改革实践。如李双蓓等[10]、邱秀梅等[11]从建筑类专业的角度对基础力学课程的教学改革进行了研究，王京云[12]就机械类专业力学课程进行了有益的探索。江西理工大学作为矿业特色鲜明的高等工科院校，在力学课程改革和实践方面进行了有益的尝试。 基础力学是我校采矿、地质、土木、机械等专业必修课，受众面广。它兼有基础理论和工程应用的双重性质，一方面可直接用于解释和解决矿业工程中的力学问题；另一方面又是其它许多学科领域，如岩土、机械和材料等专业的理论基础，且对某些后续课程，如岩石力学、机械设计等的教学具有重要的作用。它是基础课与专业课之间的桥梁。对于工程应用知识匮乏的大学生来说，要顺利地进入广阔的专业知识领域，基础力学课程的作用是不言而喻的。因此，有必要以“厚基础、宽口径、善学习、重创新、强实践、高素质”的原则制定人才培养方案，结合我校矿业特色的实际情况，开展基础力学课程建设和教育方法的改革研究与实践。 一、教学方法方式改革 在当前高校普遍压缩基础力学总课时的形势下，如何做到基础讲授内容不削减，又能确保教学质量是摆在每一位基础力学授课教师面前的一个难题。改变教学方法、提高教学效率是一个势在必行的趋势。 （一）多媒体教学与传统板书有机结合 随着计算机和多媒体技术的高速发展，多媒体教学目前已被高校各专业普遍应用。多媒体课件信息量大，可承载的内容丰富多样，如重要的内容可通过调整字体、颜色、字号等来达到重点突出、内容清晰、醒目的效果；同时对一些比较抽象、难以用语言表述清楚、学生又难以想象和理解的内容，可通过动漫、流程图、影视视频、数值模拟等动态的过程形象、生动地展现出来，使学生直观了解、感性上认识，充分调动学生的学习积极性和激发其学习兴趣，比单调、乏味的传统板书模式，更能让学生成为学习的主体。如由于基础力学总课时的压缩，导致实验课时也缩减，根据教学计划一些实验内容无法开展实验，我们在讲解材料扭转破坏时，为了弥补无法在实验室开展实验的缺憾，在课堂上，给学生播放不同材料扭转破坏的视频或动漫。这样让学生从感官上认识不同材料破坏过程及破坏断面的异同，比老师单纯的语言描述或几张破坏断面图片效果要好很多。 由于多媒体课件承载的信息量大，如果老师上课时没有把握好上课的节奏和进度，一味地依赖多媒体课件，往往导致授课效果事倍功半。所以多媒体教学应该和传统板书教学有机结合起来。传统板书教学模式的板书过程，老师可以根据授课学生理解情况有效控制讲授速度，随时询问互动，板书间隙学生可在下面做笔记，做笔记的过程是学生加深理解知识和思考的过程，这样更容易让学生接受知识。尤其是基础力学课程，逻辑性强，一些定理、公式推导过程和题目的解题过程和步骤，板书的授课效果是多媒体课件无法比拟的。因此，在基础力学授课时，结合课程的特点，将多媒体授课和传统板书有机结合，取长补短，发挥各自的优势，达到最佳授课效果。 （二）采用诱导启发式教学 传统的教学模式习惯将课本内容 “填鸭式”地向学生“满堂灌”，老师从上课开始一直讲到下课铃响，两节课下来，从老师的角度来说是感觉比较累；从学生的角度来说，老师把内容讲完，并不代表学生都学会、听懂、理解了老师所讲的知识。通过这几年我们的实践经验，课堂教学采取诱导、启发式教学、设置问题的方式更能达到理想授课效果，这种模式让学生作为主体，充分挖掘学生的学习主动性，老师仅作为引路人。 诱导启发、设置问题式的教学模式也是有一定技巧的。如何诱导启发？从一堂课的什么时间设置问题？提出什么问题？这些都需要老师根据课程内容提前做好设计。由于学生社会经历比较单一，所以很多问题可以从学生身边的学习生活中提出，如在给学生讲授基础力学课程时，第一堂课上课前让学生观察我校主楼01—03教室天花板上悬挂灯棒的绳索，与隔壁其他教室天花板灯棒绳索的不同之处，从力学的角度分析其不同的优劣之处。我校主教学楼只有每层的中间01—03教室灯棒的绳索与顶板接触点是两根绳索间距比较小，下面与灯棒接触点两间距比较大，即两根绳索倾斜着悬挂灯棒，如图1；而其他教室灯棒的两根绳索是平行悬挂灯棒的，如图2。这个现象也是我在一次监考时偶然发现的，当时就非常佩服将两根绳索倾斜悬挂灯棒的电工师傅，他充分应用了力学的原理。倾斜挂灯棒的绳索拉力可以分解到水平方向和垂直方向，垂直方向的拉力起到了将灯棒拉起的作用，而水平方向的分力可以抵抗住窗外的风吹灯棒，避免灯棒左右摆动，这样挂灯棒更稳固。这个平时大家天天在教室里学习，很多同学都没有发现这个问题，经过我一提醒，同学们都饶有兴趣地去不同教室观察。然后同学们就兴致勃勃地讨论开来，激情都比较高。第一节力学课程通过设置问题、诱导启发的方式，让学生自己去观察生活中的力学现象，激起了同学们学力学的兴趣和积极性，同时也体现出了力学现象在我们生活中无处不在，只要学好、用好力学知识就能为我们带来很多便利，同时也启发学生生活中处处皆学问，要多观察、勤思考。 图1 两根绳索倾斜着悬挂灯棒 图2 两根绳索平行悬挂灯棒 二、教学内容改革 （一）增加与专业知识相关的教学内容 纵观国内一系列关于基础力学课程的教材，大部分的教材都是以机械类专业的工程实物为背景，如工程力学中静力学部分的基本概念、受力图无论是例题还是习题，绝大部分的研究对象都是机械设备的零部件，材料力学部分也大都以吊车、起重机为研究对象。这样矿业类专业的学生很难将所学的理论知识和力学模型与矿山工程建立联系。这就会对学生造成一种认识上的误区，认为基础力学与矿业专业联系不大。因此，有必要在现有教材的基础上对授课内容进行调整，增加与矿业有关的力学内容，另外增加力学在矿山应用中的例题和习题，让学生从思想上认识到基础力学与矿山的联系。 如在讲解应力集中的问题时，可以矿山巷道的设计形状入手。矿山的巷道断面大部分设计为椭圆形、马蹄形或三心拱形，为什么不直接设计为矩形？给学生播放一下利用数值分析软件对设计不同形状其应力分布云图的对比，学生自然就明白原因了。学生不仅能够明白基础力学知识在矿山中的应用，同时通过数值模拟应力云图更能直观地了解到巷道断面不同形状其应力分布的异同、易破坏的区域位置。如在讲解压杆稳定时，可以矿山矿柱支护采空区覆岩为研究对象，来讲解压杆稳定的相关知识，对矿柱破坏的临界力及如何提高矿柱稳定性的措施等内容。通过将这些矿业工程中遇到的工程实物与这些基础力学知识相联系起来讲解，学生会对基础力学知识和专业背景有更深刻的理解。 （二）删减与精讲提炼相关教学内容 目前很多基础力学课程都被从总课时上进行了压缩，但是相关课程内容并没有减少。为了满足新形式下的教学要求，改变教学手段和方法是一种方式。另外针对教材中一些内容与大学物理中重复的知识，如摩擦部分，在高中和大学物理中有些内容多次出现，我们可以少讲，甚至不讲。 在对传统教学内容中重复、过于冗长繁琐的理论证明推导等知识进行删减的同时，任课老师还要对一些力学的基本概念、基本理论和方法进行详细讲解，并提炼出其精华，便于学生理解和掌握。 如在讲解截面法求构件内力时，教材对该方法归纳为两个步骤[13]：第一，假想地用一个截面将构件截开为两部分，取其中一部分为研究对象，弃去另一部分，将弃去部分对研究对象的作用，以截面上的内力来代替；第二，根据研究对象的平衡条件确定内力的方向和大小。我们在授课时要详细讲解其思路和方法，为了便于学生记忆和理解，将其步骤和方法进行简化总结和归纳为4个字：“截（选取某一截面）、取（取其中一部分为研究对象）、代（用一内力代替另外一部分对留下这部分的作用力）、求（列平衡方程求解出内力的方向和大小）”，这样便于学生记忆、理解和掌握其精髓。 在学习材料力学平面应力状态时，学生在确定单元体主平面时，往往很难理解该部分的内容，做题目时，也经常出错。老师通过参阅很多教材发现，对该部分的内容阐述时，很少有表达清楚其真正含义的，为了便于学生理解和记忆，我们把相关的内容简化为：当σx≥σy时，｜a0｜较小的值，对应σmax的方向，当σx＜σy时，｜a0｜较大的值，对应σmax的方向。然后再把这句话进一步精简为：大（σx≥σy）小（较小的值）大（对应 σmax），小（σx＜σy）大（较大的值）大（对应σmax）。通过这 6个字的总结，学生很容易记住这个规律，在做相关题目时，很少在确定主平面方位时出错。老师的精讲提炼，可以减轻学生的学习负担，同时还增加了学生对知识的学习兴趣。 （三）以专业工程背景为引导，注重实用 基础力学课程的发展是基于生产和生活实践总结出的力学最基本规律，然后由实际抽象出力学模型、逻辑推理、建立理论体系，再实践检验，不断发展的过程[14]。正如前文所述，在课程内容组织上，以矿业工程实践为背景，以基础力学素质培养和能力提升为标准，以基础力学的概念及其在矿业工程领域的应用为主导，重点加强矿业工程现象中的力学分析方法和思维培养。基础力学课程之所以被称为技术基础课，是因为它不仅理论性较强，更重要的是它与工程实践联系紧密。对于矿业类专业的学生来说，基础力学课是最早接触工程概念和工程知识的课程，通过该课程的学习，学生开始了解和熟悉力学知识在工程中的应用价值。 因此教学内容应引导学生抓住工程实际本质问题[15]，使学生掌握利用力学知识分析问题的思维和方法，将基础力学知识转化为矿业工程力学模型，从力学模型的简化到数学模型的建立再到工程问题的解决，让学生将基础力学知识与矿业工程背景有机地结合在一起。力学现象源于工程，也应回归工程，只有将力学知识理论联系实际，应用到实际工程中，才能体现力学知识的价值。我们在基础力学课程中有意将矿业工程背景引入到力学授课中，给学生讲授一些矿业工程背景的案例和习题，让学生明白基础力学知识对自己专业的应用价值。如老师在给学生讲解压杆稳定时，将矿山采空区支撑覆岩的矿柱作为研究对象，让所学的欧拉公式及相关的力学模型应用到矿柱稳定性的判断上；在讲解弯曲应力和弯曲变形时，为了给学有余力的学生留有发挥自己能力的思考题，将矿山采空区覆岩的稳定性作为工程研究背景，让学生建立力学模型和数学模型，然后结合自己的相关专业知识进行相应的研究和分析。有的学生做得非常好，其中有一个小组中的几位同学一起将所学的力学知识应用到工程背景的基础上，将矿山房柱法开采中采空区覆岩简化为简支梁结构，如图3、图4，考虑到采空区的覆岩层厚度与矿柱之间的尺寸关系，将采空区的覆岩层当做梁处理。学生根据建模的需要还主动查询了矿业该领域覆岩稳定性的专业学术文献资料，在教师指导下，该小组几位同学在前人研究的基础上对覆岩沉降预测提出了自己的方法。该方法已经申请了发明专利，令人欣喜的是，该专利已经进入实质审查阶段。作为大学生，在还未完全对专业知识进行系统学习的情况下，在老师的指导下就能做出这样的成绩，实属不易，让老师非常欣慰，很有成就感，同时也表明，作为思维活跃、精力充沛的大学生，其学习能力、自学能力、创新意识和创造能力都是不可估量的。只要任课老师引导得好，学生发挥自身能动性，就可以做出一定的成绩。 图3 房柱法采空区覆岩示意图 图4 采空区覆岩简支梁简化模型图 当然，以专业工程背景为引导的教学方法，对工程实践问题的求解分析是一个复杂系统，老师要有一定的耐心和具有专业科研素养。从专业工程背景案例选择、采用相关基础力学知识、提出问题、力学模型简化与建模、计算数据分析、结果与工程现场的吻合度等方面，都需要老师和学生充分运用力学知识去解决。学生在这种以工程为引导的学习模式下，可以强化创新意识和工程应用能力，满足用人单位需求的创新型、应用型人才培养要求。 三、考核手段改革 （一）改变试卷考试内容与分值权重 考核评价方式改革取决于人才培养目标，在人才培养过程中起着主导作用。基础力学课程考试应重视能力考核，试卷考核内容在基础知识考察的基础上，要加强力学知识在矿业工程领域应用能力、创新意识、矿业工程力学问题简化与模型建立能力和解决实际工程问题的能力培养。在最终的成绩中，降低试卷成绩的权重，现在的试卷成绩占总成绩的50%~60%，增加了实验成绩、课程出勤及课堂表现、作业完成情况等平时成绩的比重，达到了总成绩的40%~50%。 （二）增加多元化的考核方式 为了避免期末考试“一考定终身”的弊端，同时也为了充分调动学生的学习积极性，提高学生综合应用能力，我们采取多元化、开放性的评价方式。如增加学生在实验课堂上的动手能力和实验能力的分值；在课堂上，根据学生出勤率、课堂纪律、课堂讨论互动，课后作业完成情况和质量好坏打分等给平时成绩；对学有余力的学生根据学生参与矿业工程科研小组及小论文的情况给予一定的附加成绩。这种多元化的考核方式，不仅全面地考核学生对基本理论知识和技能理解能力，也考察了学生对力学问题在本专业领域的实际应用能力、创新思维和创新能力。 四、结 语 近几年综合运用上述几种改革方法和措施，在基础力学课程授课时，结合我校矿业类特色进行了有益的实践和探索，取得了一定的成效，学生学习基础力学课的积极性和主动性明显提高，学生对力学知识在矿业工程中的应用意识和创新能力大大增强，学生到矿山企业就业后，由理论知识转化为工程应用的周期变短，得到用人单位的好评。当然教学改革是一个复杂的、长期的、系统的过程，需要政府、学校、老师、学生和用人单位共同努力，不断总结经验和完善相关模式，只有这样才能培养出满足“大众创业、万众创新”政策下的创新型和实用型人才。

文章来源：《中国矿业大学学报》 网址: http://www.zgkydxxbzz.cn/qikandaodu/2020/1221/475.html