以力学竞赛促进力学课程教学改革探讨
摘 要：文章以周培源力学竞赛和结构力学竞赛为契机，探讨以竞赛促进“力学”课程的教学改革思路。分析了力学竞赛中存在的问题，提出了以提高学生的综合应用能力和创新能力为目标，结合工程实例，训练学生的力学建模能力，运用多种教学方法，加强学生对力学基本原理的理解和综合问题的训练，以竞赛为依托培养学生的创新能力，实现“力学”课程教学改革措施。
关键词：力学课程；教学模式；教学改革；力学竞赛
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）06-0022-02
学生参与的力学竞赛主要是全国周培源大学生力学竞赛和中南地区高校土木工程专业结构力学竞赛，均为每两年举办一次。至今，周培源力学竞赛已成功举办了十一届，结构力学竞赛已成功举办了六届，越来越多的学校和学生都加入到了力学竞赛中，取得了良好的成绩。参加力学竞赛，不仅能激发学生的学习兴趣，提升学生的分析能力和创新能力，而且能提高教师的教学水平，促进力学课程的教学改革，提高人才培养质量。本文结合近两届学生参加力学竞赛的比赛情况，总结学生参加力学竞赛中存在的问题，思考力学课程教学改革的方向，以力学竞赛促进力學教学改革，以期望提升力学课程教学质量，提高学生的工程综合应用能力和创新能力。
一、力学竞赛现状
第六届到第十届的全国周培源大学生力学竞赛试题不是学生常接触的习题内容，充满着趣味性、综合性和创新性，以考查学生的综合分析能力和创新能力为主[1]。竞赛题目不同于习题中的已知条件求未知问题，而是以趣味性的魔术、杂技、生活等故事引出力学问题或现象，已知条件隐藏在故事之中，需要学生读懂题后建立力学模型；题目求解需要综合运用多个知识点，一道题求解需要理论力学结合材料力学的知识，考虑多种因素，采用多种方式求解。虽然试题考查的都是力学的基本知识点，但各地的竞赛成绩并不理想，获奖的学生试卷分数都低于预期的分数[2]。第十一届的周培源力学竞赛试题由两部分组成，第一部分是基础题，和平常学生的练习题类似；第二部分是提高题，和前几届的竞赛题目相似，综合性和灵活性较强。以广东赛区为例，基础题的得分率高于提高题，其中146人的基础题和提升题都能得分，224人仅能基础题得分而提高题得分为0，虽然最高分较往届有所提高，但平均分基本和前几届持平。结构力学竞赛试题与学生平时学习考试的题目类似，竞赛试题平均分远高于周培源力学竞赛，学生对静定结构的内力普遍掌握得较好，对综合运用力法、位移法、力矩分配法等计算超静定结构的内力掌握较差。
二、由竞赛反映出力学教学中存在的问题
力学竞赛的成绩不仅反映出了学生对基础知识的掌握程度和综合运用能力，也反映出了基础力学课程教学效果中存在的问题。
（一）基础知识不牢固
参与力学竞赛的学生大多数是经过学校选拔或对力学有兴趣的学生，以大三学生居多，他们已学过了理论力学、材料力学、结构力学等课程，但在力学竞赛辅导中仍表现出力学原理不清晰，基础知识不牢固的现象。第十一届的周培源力学竞赛试题基础题有25%学生得分低于5分，综合起来对静力学空间力系、摩擦、动力学定理的运用，强度理论以及组合变形掌握较差。
（二）力学建模能力较弱
周培源力学竞赛中的综合题，需要学生先自己分析题目、建模、简化后再处理复杂问题，多数学生都无从下手分析，不能读懂题意。学生们习惯了根据教材例题和习题中给定的模型求解，而将实际问题简化为力学模型分析的能力较为薄弱。结构力学的竞赛题更接近作业题，学生的得分率高于周培源力学竞赛。力学课程中，给定模型的习题练习较多，问题分析太少，学生分析问题、解决问题的能力不足[3]。
（三）综合运用能力较差
周培源力学竞赛和结构力学竞赛中的综合题都需要学生准确判断知识点、综合运用多种知识、快速计算各个问题，对学生的综合运用能力要求较高，这类题型在整个试卷中得分是较低的。目前在力学课程教学中，学生接受综合题的训练太少，将各种知识综合运用的能力较差。
三、以竞赛促进力学课程教学改革
以竞赛为契机，针对竞赛反映出来的问题，以赛促教，改革教学方法，加强学生分析问题、解决问题和综合运用问题的训练，创新学生的思维能力，提升教学效果。
（一）结合工程实例训练学生力学建模能力
力学来源于生活和工程实例，教学内容应紧密结合工程实例，突出学生的专业工程背景。以工程实例提出问题，让学生带着问题思考，学会建立力学模型分析问题，利用力学知识解决问题。即在课堂教学中按照“实例—理论—实例”的原则，以典型的工程事故引出本次课需要讲解的知识点，理论知识讲授完毕后要求学生再结合工程实例分析事故原因及改进措施，让力学知识从工程中来再回到工程中解决工程问题[4]。并结合专业课中的桥梁、厂房、高层等构造，要求学生建立相应的力学模型，且能正确地将约束和荷载简化作用于力学模型上。通过将专业课程和力学课程相衔接，学生理解了力学课程与专业课的关联，也为学生更好地学习专业课做铺垫。
（二）多种教学方法相结合
课程教学采用基于问题的学习和基于项目的学习、探究式教学方式，以工程中的“项目”或“问题”这一类真实复杂的问题为核心，引导学生思考讨论，调动学生的学习积极性，培养学生的自主学习能力，提升学生的力学分析能力和综合应用能力。
（三）加强力学基本原理理解
在综合题中，很多学生找不到入手点，不能正确选择合适的公式进行分析，其根源就是对力学的基本原理理解不透彻。力学课程教学中，学生对理论公式的推导普遍不感兴趣，很多教师在讲解中也是简要说明推导过程，学生对公式的基本假设、思路都不清晰，相应也就不会对这类知识进行举一反三的运用。如弯曲切应力公式的推导思路在周培源力学竞赛中作为常考点，但遇到类似题目时很多学生还是不能正确分析。在课程教学中，将基本原理、公式推导重点和难点等采用MOOC、微视频等形式，让学生课前预习，并将公式的推导作为课后的练习以加深学生的理解。在力学竞赛培训中，则需要注重学生对基本原理的理解，并要求学生自己对基本原理总结和梳理，找出相关知识点之间的内在联系，理清原理的适用条件以及能解决的相关问题。
（四）加强综合问题的训练
力学竞赛培训中，教师对歷年考试综合题进行逐层剖析，引导学生采用“分过程—找知识点—后综合”的思路来分析问题[5]。先把要求解的问题分为几个过程，后寻找每个过程所需要的相应知识点并建立对应的力学模型，最后综合每个过程所需要的力学数学模型来寻求最终的答案[6]。练习中，要求学生按照这种思维方式来思考和分析问题，并对每道题进行总结。经过一段时间的训练，让学生养成这种思维方式，习惯求解综合问题。结构力学竞赛辅导中，注重综合训练学生灵活运用所学知识快速解题的能力，如灵活运用叠加法，不求出内力直接画出静定结构的内力图，综合运用力法、位移法、力矩分配法等快速绘制超静定结构的内力图等。
（五）以竞赛加强创新思维能力培养
建立以课程教学为基础，以竞赛项目为载体，以能力训练为手段的创新能力培养模式。结合国家、省、校三级力学竞赛和结构模型比赛，鼓励学生积极参与比赛，感受比赛的乐趣，激发学生学习力学的兴趣。结构模型大赛，学生需要利用所学的力学知识设计模型方案，并撰写结构模型设计说明书。模型的设计需要学生综合利用材料的力学性质结合受力状态建模，说明书的编写充分体现学生力学建模、力学分析与计算的能力，是对力学知识的最好展现，也培养了学生的工程应用、分析和创新能力。
四、结论
力学竞赛不仅激发了学生的学习积极性，对力学课程的教学改革也有重要的促进作用。从力学竞赛中反映出来的问题入手，以提高学生的综合应用能力和创新能力为目标，结合工程实例训练学生的力学建模能力，多种教学方法相结合提升学生的自主学习能力，加强对力学基本原理的理解和综合问题的训练，以竞赛为契机培养学生的创新能力。今后笔者将继续以力学竞赛促进课程教学改革，提高教学质量，提升学生的综合能力。
参考文献：
[1]刘安中，张速. 基于全国周培源大学生力学竞赛创新思维培养能力的实践[J].淮北师范大学学报：自然科学版，2013，（2）.
[2]赵玉萍.刍议基础力学课程教学的改革——透过力学大赛看基础力学课程教学[J].湘潭师范学院学报：自然科学版，2008，（1）.
[3]赵丽霞，刘丹丹.基于周培源力学竞赛的基础力学教学方法的思考[J].亚太教育，2015，（8）.
[4]刘志勇.混凝土结构课程四位一体探究式教学法改革与实践[J].高等建筑教育，2016，（1）.
[5]张速.基于全国周培源大学生力学竞赛材料力学新教学模式的实践[J].淮北师范大学学报：自然科学版，2015，（2）.
[6]刘安中，张速.几种逻辑方法在力学竞赛辅导中的应用[J].力学与实践，2012，（3）.