新工科背景下的“工程力學”一流本科課程建設

蘇曉星 稅國雙

［摘 要］ 在為國家培養面向未來高科技創新的專業人才與領軍人才的戰略性需求的推動下，全國范圍內各級各類高校都在開展新工科建設，工程力學作為傳統學科及工科專業的基礎，也應積極進行教學改革創新探索，以更好地服務高等教育變革。以新工科建設為背景，介紹北京交通大學“工程力學”本科專業課程的基本情況，詳細介紹了“工程力學”課程在課程體系、教師隊伍、教學方法與教學手段以及課程思政建設方面的具體經驗和思路，以期為一流本科課程建設提供參考。

［關鍵詞］ 新工科；工程力學；課程建設；課程思政

［基金項目］ 2022年度北京交通大學教改項目“‘工程力學一流本科課程建設”

［作者簡介］ 蘇曉星（1978—），男，安徽安慶人，博士，北京交通大學物理科學與工程學院力學系副教授，主要從事彈性波動力學研究；稅國雙（1971—），男，四川射洪人，博士，北京交通大學物理科學與工程學院力學系教授，主要從事超聲檢測及波動力學研究。

［中圖分類號］ G642.3 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）26-0001-05［收稿日期］ 2023-01-17

引言

進入新時代，全世界正在經歷以全面智能化和信息化為特征，以基因工程、量子信息、新材料、新能源、移動互聯網等新興技術為代表的新一輪科技革命和產業變革，促進幾乎所有工業領域全方位的變革和創新，在短時間內極大地改變了人們的生產和生活方式。另外，在科技突飛猛進發展的同時，人們還需面對資源與能源危機、環境污染、全球變暖、公共衛生危機等，亟須產業結構的調整與優化升級。教育是科技的基礎，科技進步和產業結構的調整與升級必然影響教育方式、內容及理念的變革，特別是與技術人才培養聯系最為緊密的工科教育。近幾年來，教育部積極推進作為“卓越工程師教育培養計劃”升級版的新工科建設，主動應對新一輪科技革命與產業變革，為創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家重大戰略提供服務支撐。從“復旦共識”到“天大行動”，再到“北京指南”，新工科建設的內涵和外延逐漸清晰，全國范圍內的各類高校都在結合自身特點和優勢如火如荼地開展新工科建設，打造新形勢下領先世界工程教育的中國模式，為全世界工程教育進步貢獻中國經驗，為新時代的科教興國和高等教育強國建設貢獻力量［1-2］。

發展新工科專業和改造升級傳統專業是新工科建設的兩個主要方面。新工科專業一般指與新興產業密切相關的專業，比如區塊鏈、云計算、大數據等以工業智能和互聯網為核心的專業，新能源科學與工程等以解決資源與環境問題為目標的專業，智能材料與結構等以發展新材料為目標的專業。學科交叉融合和產學研一體化培養模式是新工科專業的兩個主要特征，為探索孵化和發展新興專業的新模式。2020年5月，第一批未來技術學院被教育部批準在12所領軍高校予以建設。除了積極培育新工科專業外，改造升級傳統工科專業同樣重要，各行各業皆已被新一輪科技和產業革命全面滲透，傳統學科為適應新發展也需要做出調整。作為一門傳統學科，力學的歷史久遠，是自然科學和工程技術領域的基礎支撐。楊衛院士指出：“力學源于工程且高于工程，旨在發掘蘊含在工程中的基本規律和定量設計準則，為航空、航天、船舶、機械、材料、土木、水利、能源、化工、電子、信息、生物醫學工程等發展提供解決關鍵技術問題的理論和方法?！保?］在國家現代工程和經濟建設中，力學大有用武之地，力學也因新興產業發展而不斷出現新生長點，比如力學與醫學、太陽能電池、人工智能等領域的交叉，因此人們不斷地從外延與內涵上對傳統力學進行升級和改造。另外，由于創新型多元化的人才培養目標、工程教育新理念及教學技術信息化的普及，促使我們必須進行相應的力學教學改革。對此，本文在課程內容設置、教學方法、實驗實習、課程思政等諸多環節進行改革創新，從而更好地為新工科建設服務，對“工程力學”這門作為眾多工科專業的必修基礎課來說，是當下的緊迫任務［4］。

一、“工程力學”課程基本情況

“工程力學”系列課程是北京交通大學力學系為交通運輸工程、機械工程、土木工程以及環境工程等工科本科專業開設的必修基礎課。盡管不同專業在該課程的教學內容側重點和學時安排上有所不同，但教學目的基本相同，都是使學生掌握靜力學的基本概念、理論及物體受力分析和求解物體平衡問題的一般方法；掌握運動學、動力學的基本概念和理論及對質點和剛體進行運動分析的一般方法；掌握材料力學的基本概念和理論及構件的強度、剛度和穩定性分析與計算的一般方法。另外，還結合了主要針對材料力學基本變形部分的實驗教學，使學生加深對材料力學理論知識的理解。學生通過對該課程的理論學習與實驗訓練，奠定了較為扎實的力學知識基礎，有利于較為全面地培養學生的計算分析能力、綜合運用力學知識解決實際工程問題的能力及動手實驗能力。目前，北京交通大學力學系教學團隊在“工程力學”系列課程建設中取得了較為豐碩的成果，“工程力學”課程被評為國家級精品資源共享課程，出版了北京市精品教材《工程力學》［5］及北京市高等教育精品立項教材《靜力學》［6］《運動學與動力學》［7］和《材料力學》［8］，“理論力學”“材料力學”在線課程在愛課程平臺上線并推薦參評第二批國家級精品在線開放課程。

二、“工程力學”課程建設內容

（一）課程體系建設

工科專業分門別類、數目眾多，為對課程體系進行優化，從而實現高水平課程平臺的構建，我們以各授課專業的人才培養體系為依據，追蹤其在工程教育認證和參與新工科建設進行改造升級的更新情況，對教學內容不斷進行動態調整，從而實現教學內容的基礎性、實用性、前沿性等方面的統一。除了教學內容和學時安排有所不同，我們依據授課專業的知識結構及后續課程需求，對不同授課專業的課程側重點進行了不同的設置。我們開設的“工程力學”系列課程具體細分為A、B、C、D四類，分別對應土木工程、機電工程、環境工程及交通運輸工程等專業。其中，A類“工程力學”課程在靜力學部分投入較多學時，對材料力學中的偏心壓縮、截面核心等內容有所強調；B類“工程力學”課程在運動學和動力學部分有所加強，強調材料力學中的彎扭組合等內容；C類“工程力學”課程則將重點放在靜力平衡分析和材料力學基本變形及組合變形上；D類“工程力學”課程旨在使學生學習基本的工程力學知識，從而具備一定的工程素質，側重靜力學及材料力學基本變形中的基本內容。

為使拔尖創新人才培養新模式在北京交通大學落地生根，2020年7月，我校以實體學院的形式成立了智慧交通未來技術學院（即詹天佑學院）。為全面達到新興專業對人才的創新能力和綜合素質的要求，詹天佑學院力爭在實施基本新工科人才綜合素質培養模式（即強化目標導向、“五育”并舉貫穿、統籌資源配置、平臺項目導入）的基礎上，進一步加強教學培養的實驗及實踐性環節?！肮こ塘W”作為該學院的基礎必修課程，更要注重在教學內容的深度、廣度和前沿性上進行必要調整。在基礎教學內容的設置方面，在學生已扎實掌握力學的基本概念和原理的基礎上，著力培養學生在工程實際中運用數學方法及建模工具實現對力學問題的定性和定量描述的能力。為加強對未來技術人才創新能力的培養，在教學中應注重引導學生挖掘具體的工程問題中蘊含的科學原理，培養其透過問題看本質、化繁為簡的能力及抽象思維，具備在未來各種工程應用場景中熟練建立數學物理模型的能力，在分析問題和解決問題的過程中實現突破創新。另外，基于對未來人才實驗實踐能力的培養要求，我們會在現有教學活動中介紹許多有關工程實際問題的力學結構設計案例，引導學生對一些有記錄的工程災難事故進行力學破壞機理分析，增設一些開放式的實驗教學項目，進一步拓寬學生的專業視野，提升學生對“基礎力學”課程的學習熱情和積極性。

（二）教師隊伍建設

一流的課程教學是一流本科教育的核心所在，而一流的教學團隊又是一流課程教學的必要支撐。在科學技術發展突飛猛進的新時代，任何一門課程的教學都面臨諸多問題和挑戰，團隊建設的理念和機制對課程教學至關重要，加強隊伍建設是保證一流課程質量的不可或缺的條件，一流的教學團隊必須具備面向未來、與國際接軌的一流的教學創新和研究能力。新工科建設對未來創新型人才培養所提出的基本要求，是我們加強隊伍建設的依據。北京交通大學力學系教師的第一學歷背景較為多樣化，除力學專業以外，還有土木、材料、機械、航空航天、物理等多種專業，因此，在教學團隊中如何搭配第一學歷專業不同的教師，是我們在進行隊伍建設時應予以考慮的重要問題，以實現在教學中拓展學生的知識面，優化學生的知識結構。課程團隊的教師基本具有至少為期一年的國外訪學經歷或留學經歷，這無疑有助于拓寬學生的國際視野；注重在教師隊伍中形成老中青教師結合的傳幫帶機制，既能彰顯青年教師思維活躍的特點，又能傳承老教師的豐富經驗，同時發揮中年教師的中堅支撐作用和帶頭作用；注重加強教師對復雜工程實際問題進行力學簡化分析和處理的能力，使其在課堂教學中盡量將復雜問題簡單化、抽象問題形象化，理論基礎知識與實驗實踐活動相互協調和配合，能夠改善課堂教學效果，培養學生的創新能力；注重教師加強自身有機整合和綜合利用數學分析、力學原理、力學簡化模型及實驗設計的能力，使其在深刻領悟課堂教學中力學基本原理的基礎上，能夠清楚地向學生呈現所講授知識點之間的復雜的內在聯系，引導學生自己逐漸將其組合成可解決各種復雜的工程力學問題的一整套獨特有效的分析和處理方法。堅持因材施教的原則和教學相長的目的，教師和學生在教學互動中都應努力扮演好各自的角色，促進各自的成長和進步。關于教師素質的加強，高校教師處理好教學與科研的關系是非常關鍵的。高質量的教學可有效推進教師的科研工作，科研成果又能很好地用于教學指導，增強教師的教學前瞻性，在研究型大學中兩者相輔相成，缺一不可。教師將相關的科研成果和工程實踐經驗融入理論教學，有助于拓展教師對基本理論知識點的講解深度，使教師講授的內容不拘泥于書本知識，課堂的新穎性、前沿性、實踐性、趣味性得到大幅提升，可通過一些工程案例模擬或虛擬仿真實驗輔助教學，以取得更好的教學效果。按照學校加強基礎學科和新興交叉學科建設的發展戰略，我校力學系與物理系等單位于2022年初合并為北京交通大學物理科學與工程學院，這為面向國際科學前沿和國家重大戰略需求、堅持基礎研究與應用研究相結合、促進學科交叉融合、加強教師隊伍建設等打下了堅實的基礎。

（三）教學方法與教學手段建設

學生工程創新能力的培養和提高離不開教學方法和教學手段的持續改進。在新工科視野下，必須將新一輪產業和科技革命所需要的創新創業型工程人才作為人才培養的宗旨和目標，使傳統、陳舊的“灌輸式”教學轉變為前衛、新穎的啟發式及任務驅動式教學。同時，在教學模式上，由傳統的以教師為中心過渡到以學生為中心，實現三個方面（理論與實踐、課堂與工程及課內與課外）的緊密結合，從而使學生的創新創業能力得到實質性和全面性的提高。在啟發式教學中，通過讓學生帶著問題學習，加深學生對所學知識的理解，而在任務驅動式教學中，學生不僅能學習到專業知識，還能在完成具體任務的過程中提高實操能力，將理論知識內化于與之緊密聯系的操作實踐中。通過強化師生互動，引導學生更加細致地考慮問題，提升教學效果。此外，教師不僅要“授之以魚”，更要“授之以漁”，即這門課不僅要傳授知識及解決具體工程問題的方法，還要注重兼顧和平衡對學生知識、能力及素質結構的培養，在發現問題和解決問題的過程中培養學生的直覺思維、研究型思維和批判思維。

對于“工程力學”課程，一般比較注重兩種教學方法的運用：一是善于進行復雜模型的簡化，即化繁為簡。在工程力學中，我們一般根據構件的受力特征，將其抽象為桿、軸、梁三種模型，從而實現基于簡化的模型對復雜工程結構進行受力分析。例如，在對構件進行約束力分析時，一般將實際中較為復雜的約束結構簡化為固定鉸支座、滾動支座、固定端約束、球鉸鏈支座等，而在對各種類型的構件（如框架結構、桁架結構、懸臂梁、簡支梁等）進行主動力分析時，實際中復雜的外載荷在受力構件模型化后可被簡化為集中力、分布力、彎矩、扭矩等各種類型，這種簡化處理方式使實際工程問題變得較為容易處理。二是融會貫通。物體的狀態變化和運動信息在工程力學的知識體系中皆由數學物理方程嚴格控制。例如，靜力學的剛體平衡方程、運動學的運動方程與動力學方程、材料力學中描述梁彎曲的撓曲線方程等。工程需要培養學生直觀的想象力，而數學推導需要的是抽象思維。對力學問題的分析處理通常分為三個步驟：首先要求學生將數學模型從工程問題中抽象出來，進而建立控制方程并采用合適的數學或數值方法求解，最后對求解獲得的結果進行討論和分析，以指導進一步的實驗設計或與已有實驗結果進行比較?！肮こ塘W”課程教學中的關鍵是有機整合和簡化力學模型、數學推導、力學分析、實驗研究等分散的知識點，從而形成解決各類實際工程問題的系統方法。教師在講課過程中要注重對知識點進行重組歸納，對于工程領域中的結構設計問題，應融入微積分、線性代數、解析幾何、數理方程、數理統計等知識點。

在教學方法及教學手段方面，注重對學生普遍反映的工程力學難度較大的問題提出應對策略。筆者經過多年的教學實踐，總結可能導致該課程教學效果不佳的原因：（1）學生對學習內容的倦怠感。由于先修課程是“大學物理”，很多學生會誤認為“工程力學”課程是物理中力學的重復，尤其是理論力學部分。（2）學習內容抽象乏味。力學本身就具有此特點，工程力學雖然與工程實際聯系緊密，但研究對象仍然是實際工程構件的抽象模型，解題需要扎實的數學基礎。（3）學習內容過多。特別是對于土木、機械等專業，在有限的學時內學習理論力學與材料力學幾乎所有的知識點，對于教與學都是一個挑戰。對此，我們可以采取一些能明顯改善教學效果的應對措施：第一，要上好前幾節課，強調與“大學物理”課程中相關內容的區別；第二，理論聯系實際，結合工程案例提升課堂的趣味性，比如講運動學時，可以列舉與汽車行駛有關的實例；第三，在仔細和深入講授重點、難點的基礎上，引導學生自學一部分拓展性的內容，提醒學生充分利用MOOC資源進行復習鞏固；第四，通過測驗和期中考試加強對教學效果的及時監測。

（四）課程思政建設

任何一門課實際上都具有知識傳授、能力培養及作為思想政治教育載體的功能?！肮こ塘W”作為專業基礎課，同樣承擔著為大學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀的責任。為使學生堅定理想信念、掌握科學觀和方法論、增長智慧、健全人格，我們需要在教學中不斷深入挖掘課程思政元素，凝聚協同育人的教學合力。對于“工程力學”課程來說，由于其基礎課程的屬性，選修學生多、覆蓋專業面廣，因此利用其作為載體開展課程思政建設尤為重要。將學生的思維集中于知識體系，學生可以體會基礎知識和基礎研究的理論之美、創新之妙和力量之堅。通過概念的精確性，揭示基礎理論和科學精神的普遍性；通過對知識內在原理的分析，洞見理論的深刻性；通過理論、公式和結論的外在表現，感受和欣賞形式的簡單和美感；通過定理和理論的推演過程，培養學生嚴謹的科學態度和辯證思維。實際上，每門課程的課程思政素材都存在于其歷史發展過程、著名科學家逸事、特殊的思維方式、廣泛的工程應用等內容中。課堂教學既是課程思政的主要途徑，也是思想政治教育的主要渠道。對課程知識中的思政元素進行深入挖掘，例如，我們可以結合課程知識點，講述與之相關的學科前沿或者科學家的貢獻，潛移默化地激發學生的科學興趣和學習動力。筆者所在課程組在“工程力學”課程教學中挖掘了大量思想政治案例：（1）課程簡介。介紹我國力學領域先驅（如錢學森、周培源、郭永懷等）的光輝事跡，號召學生學習這些先驅為國家和科學事業無私奉獻的偉大精神。（2）剛體系統靜力學。在講解整體分析與隔離體分析相結合時，類比個人與社會、國家的關系，強調個人行為對整個社會的影響，培養學生的集體思想、愛國精神及人類命運共同體思想意識。（3）點的加速度合成分析。講解科氏力是造成河床沖刷的原因，由此聯系我國自然災害頻發的事實，加強學生居安思危的憂患意識，讓學生體會學好工程力學對分析與預防自然災害的重要意義。（4）達朗貝爾原理。在講解定軸轉動剛體對軸承的動壓力分析時，引申到工業生產過程中的安全問題，加強學生對國家財產和人民群眾生命、財產的愛惜和保護意識。（5）材料力學。在講解各種強度、剛度或穩定性校核問題時，強調工程設計中的安全意識，在講解構件的尺寸和材料設計時，強調減少材料損耗，為國家降低產能消耗，培養精益求精的工匠精神，進而聯系當前低碳環保的全球大計。

結語

本文首先介紹了新工科建設背景下北京交通大學“工程力學”本科專業課程的基本情況，然后詳細介紹了該課程在課程體系、教師隊伍、教學方法與教學手段、課程思政建設方面的具體經驗和思路。筆者所在課程組多年的教學實踐表明，本文所述的經驗和思路能使“工程力學”課程更好地服務傳統工科專業的改造和升級，促進新興工科專業的培育發展，從而成為融入研究型工科大學新工科建設的一支重要力量。

參考文獻

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［8］汪越勝，梁小燕.材料力學Ⅰ［M］.北京：電子工業出版社，2016：1-303.

Construction of First-Class Undergraduate Courses of Engineering Mechanics in the Context of Emerging Engineering Education

SU Xiao-xing， SHUI Guo-shuang

（School of Physical Science and Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： At present， driven by the strategic demand for the country to cultivate professionals and leading talents for future high-tech innovation， all kinds of colleges and universities at all levels across the country are in full swing to carry out the construction of emerging engineering education. Therefore， engineering mechanics， as a traditional discipline and the foundation of many engineering majors， should also actively carry out teaching reform and innovation exploration to better serve this higher education reform. After introducing the background of the construction of the new engineering discipline and the basic situation of the undergraduate course of “Engineering Mechanics” of Beijing Jiaotong University， we introduce in detail the specific experience and ideas of the course in terms of curriculum system， teaching team， teaching methods and ideological and political construction of the course.

Key words： emerging engineering education; Engineering Mechanics; course construction; curriculum ideology and politics