于开平，王秋生，赵 婕
（哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘 要：本文以工程力学专业课“结构动力学”的教学与考试方法改革为例，谈谈作者对工科研究型大学专业课教学与考试方法改革问题上的一些体会和认识，包括科学研究及成果与经典教学内容的融合，计算机编程语言、视频及商用软件等信息技术的合理利用等问题。
关键词：工科；专业课；教学方法；考试方法；改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2015）08-0001-03
收稿日期：2014-12-16
作者简介：于开平（1968—），男，黑龙江富锦人，哈尔滨工业大学航天学院教授，航天科学与力学系副主任，省级精品课程负责人，主要从事工程力学及结构动力学研究。
基金项目：2014年黑龙江省高等教育教学改革项目“面向实践创新能力培养的振动力学系列课程教学改革研究”
专业课程是本科专业的主要载体，蕴含了专业的最主要特征，专业课程的教学在整个本科阶段所占的地位是非常重要的，直接关系到学生对本专业的热爱程度，更确切地说直接影响了学生培养水平和毕业生的质量。专业课教学的重要性显然是毋庸置疑，然而近年来的教学改革与实践成果，专业课的还是偏少，从上到下，更多关注的还是受众面更广的公共基础课或者技术基础课。不过，随着高等教育对创新人才培养要求的提高，专业课的教学改革与实践也开始逐渐得到教育者的重视[1]。本文首先对专业课程的教学及其深入改革的目标进行了阐述，然后根据自己多年的教学体会，从几个方面总结了科学研究、信息技术对专业课教学的促进作用，并浅议了合理有效利用的方式，最后针对专业课程的考试方式，结合教学实践强调了实践性考试对专业课程考核的重要性。
一、专业课教学与改革目标
为适应新形势下的教育改革需求，哈工大对所有专业培养方案进行了全面修订，修订后的2012版培养方案的目标和原则，与以往相比更加突出实践教学与创新能力培养，并提出各专业要加强校企合作。为实现这些目标，显然专业教育类课程要承担更多的任务。
课程的教学与改革，教师是实施主体。我们认为，一个优秀的专业课教师，不仅能够教授学生本门专业课程的重要概念、方法，还能培养学生利用专业知识解决工程问题的能力，能够引导学生深入到本门课程所支撑的学科方向，启发学生进行研究性思考，和研究性学习，获得初步的研究能力，并初步理解科学精神的内涵。因此，专业课教师在教学方法和考试方法上进行适度的改革是必要的，例如，将科研过程中遇到的学生在本科阶段也能较好理解的科研问题及时引入教学，科研用的手段和开发工具也及时用于教学，科研过程中的体会和感悟揉入课堂教学，让学生感受到科研的魅力并爱上科研，进而大大增强对本门专业课程的学习兴趣。这种教学改革对任课教师的科研能力有很高的要求，要求任课教师在专业课程相关的学科方向上有较高科研水平，并一直坚持该方向的科学研究，承担过该方向以科学理论研究为主要目标的项目，更应该承担过以解决工业部门潜在或现实存在的工程实际问题为目标的项目。国外著名大学本科专业课的任课教师，大多数都是由知名的高水平教授担任，就是为了达成这样的培养目标。研究型大学的学习方式就应该是研究性的，这已经得到了一些专家的认同[2]，专业课教学首当其冲应该承担起培养学生研究性学习的任务。
二、专业课教学方法改革
（一）科学研究与专业课教学
科学研究成果对工科研究型大学的专业课程教学的促进作用，应该是不用讨论的命题。很难想象，没有做过课程相关学科方向科学技术研究的人，能把专业课程展示得更加精彩，如学科目前的发展及应用，前沿技术和理论可能都无法给学生介绍得清楚。本文并不想去论证这个毫无争议的问题，只是想从自己的教学体会谈谈，可从哪些方面去加强和促进专业课的教学效果。
1.从科技史的角度去丰富课程内容。专业课的绪论是本门课程科技史的最佳载体，有人认为，绪论没啥好讲的，而我们认为恰恰相反，能把绪论讲好是非常不容易的，需要教师谙熟本门学科发展历史、本门学科特定科学研究方法，并以故事的形式讲述出来，才能达到第一课就抓住学生眼球的效果。在绪论讲述科技史，这一点应该是多数教师都认同的，但在课程中间加入科技史内容，其实同样有很好的教学效果。例如，在振动理论与应用类的课程里，共振是主要的概念之一，在用数学模型给出共振现象的解释时候，可以加入科技史的内容，给学生以更感性的认识，例如，1940年美国塔科马海峡（TacomaNarrows）大桥在风力作用下垮塌，就是典型的共振破坏。同时，还可以给学生简介一下，当初在确定破坏原因的时候，很多科学家认为是风和结构耦合作用结果，而20世纪最伟大的应力力学家冯·卡门则认为是桥梁结构设计不合理引起了气流旋涡运动，这个运动以规则的方式产生了一个固定频率的激励力，该激励力与结构固有频率相近从而引起了共振。
2.将最近几年的相关学科成果融合进教材。教材一方面要反映学科最重要的基本理论和方法，一方面还要一定程度地跟踪学科的最新发展，但是很多学科的最新发展很难在有限的课堂教学时间内讲清楚，而且有些成果需要很深入的数学工具，过程也十分繁杂，因此这样的一些成果写进教材就不十分合适。但是有一些对基本理论和方法简单扩展的，或者新思想、新方法比较容易理解和接受的，这些内容就适合于教材的修订内容。我们结构动力学教材最新修订就体现了这个原则。将随机振动分析的虚拟激励方法，以及作者自己提出的结构动力响应数值计算方法，经过几年的教学实践后，修订进教材。将合适的新成果写进教材是修订的重要内容，但我们也有这样的观点，在修订之前，至少经过一轮的教学实践，这样如何将新成果用教材的语言来描述就更清楚了。
3.将教师科研课题研究成果适度揉入课堂。前面已经说过，一个优秀的专业课教师，应该一直从事课程相关学科的科学研究，并有一定的造诣，还应该有承担工业部门课题的经历。这样就可能将自己的科研成果或者自己解决工程问题的经验与学生分享，这会让学生感到学有所用，感觉到自己不仅仅在学习，也是在研究，同时也会很快建立起对任课教师的信赖和尊崇，提高学习兴趣和效果。例如，在结构动力学课程上，在讲复杂结构建模时，我们讲述一个实际火箭复杂，如何简化建模为梁模型，这就是我们承接的一个科研课题演化而来的。在讲述结构动响应数值计算方法时，把我们自己提出的改进算法也加入对应的章节中，在课堂上讲述。
上述穿插的科研成果，用教材的语言陈述这些成果及其依托的理论，实践证明效果明显。
（二）有效使用信息技术
信息技术是现代教育技术的主要内容，应用得好，可以帮助学生理解和掌握课程的基本教学内容，尤其有一定深度、图形和公式繁复的内容（专业课主要特点之一），事半功倍、节省课内的教学时数，更重要的是，可以提高课程研究性学习的效果。但近年来，关于有些信息技术，例如PPT的使用，出现了不少争议，进而有否定信息技术促进作用的倾向。有效使用信息技术，可以提高教学效果，这也应该是不争的事实，关键是要适度使用、有效融合。下面以专业课的教学为例，就PPT、动画、计算机语言，以及商用软件程序等典型信息技术的使用，以结构动力学课程为例，谈谈看法。
1.关于PPT的使用。力学专业课中有很多公式十分复杂，有的黑板一行写不下，这不仅容易出错，也很浪费课时，还有动画，以往基本没有展示手段，一些复杂的图形，计算机画出来的漂亮又直观，计算机技术带给了我们无限可能。因此，一段时间内大家广泛使用PPT，以至于近年来PPT铺天盖地，大学课堂几乎不见板书，教师用“电子黑板”“电子课本”对学生进行“电灌”，学生也不再记笔记了，PPT的缺点明显被放大，学生以及部分教师对此都开始怀疑和抵触。的确，一门课程全部用PPT，有几方面的问题：一是进度过快，学生跟不上思路，也就无法记笔记，也容易疲倦，导致听课效果差；二是教师长期使用PPT，甚至几年都用一个，连重点内容和公式自己都不在备课时再一次推导，导致备课不认真。事实上这不是PPT本身有什么问题，而是没有合理使用。我们认为，一些重点公式及其细节的推导，板书效果更好，就是需要课前设计好，本节课那些用PPT，那些用板书，应该每节课都是板书和PPT的无缝结合。另外，制作PPT课件时要遵循多媒体教学的设计理论，要突破简单的演示型模式，提供丰富的多媒体资源，加强制作技术。
2.关于动画和视频。动画和视频这种媒体技术，带给听众的视觉冲击和影响是传统教育手段完全无法比拟的，我们提倡在课堂上，尤其是工科专业课的教学中广泛采用动画和视频。当然，不能将课堂变成影院，需要控制播放时间，一段动画一般不要超过2分钟，视频不要超过10分钟。
对于结构动力学课程，动画的使用是必需的，可以非常直观地表现复杂结构振动形态。我们在讲述两自由度振动问题时，用VB语言开发了两自由度系统振型动画，能直观地看出一阶同向振动形态和二阶反向振动形态以及节点的存在。在讲述梁的各阶振动形态时，我们制作了不同边界条件下梁的前若干阶振型动画，课堂讲到这个内容时，适时播放效果很好。
一般在绪论中，演示视频更为合适，因为视频只是定性地说明一种现象。在实质内容讲述时，引入视频有时也是必要的，也可以起到很好的效果。例如，在讲到板的振动形态时，我们会播放一段TED关于声音可视化技术的演讲视频。声音的主要特征是频率，所含的频率成分是可以通过可视化技术再现的。这种新技术其实主要的原理就是用声音去激励一个平板，不同频率的声音会激励平板的不同阶主振动，主振动的形态可以用可视化技术显示，看到不同形态根据板的计算结果就可以得出频率的大小。视频内容与教学内容衔接紧密，在深刻理解板的振动同时，激发了学生科学探索意识。
3.关于计算机语言和商用软件。专业课的一大特点就是数学模型和公式复杂，有时很难从公式中直观看出参数变化的影响，直接用传统方法画图又费时费力，画得还不一定准确和美观，而用计算机语言画出随参数改变的曲线，快速、准确和美观，但可能计算机语言的学习又是一个问题。随着Matlab语言的出现，为课堂教学带来很大方便，该语言是文本式的，好学易用，在国外大学几乎大学生人人都会用。以结构动力学课程为例，在单自由度振动问题中，放大因子曲线、频率响应函数曲线以及振动传递率曲线等都是重点内容，我们在课堂上直接给学生看源代码，改一个参数给出一个曲线图，这些曲线都是画在一张图上的，改3—5个参数就可以看出规律，教学效果非常好。几年来的教学实践体会，我们认为不仅结构动力学这门课程，其他一些工科专业课程应该都能够做到这一点，采用Matlab辅助教学，都能收到奇效。
现代计算技术的飞速进步，使得工科很多领域的理论知识都形成了商用软件，在各个工程领域广泛应用。以力学为例，以有限元方法为基础的现代CAE软件，发展到今天已经非常成熟，绝大多数的力学基本理论和方法，甚至科学技术人员正在研究的前沿理论和方法，在软件中都有体现，一个软件，例如Nastran、Ansys、LS_DYNA、Abaqus等，几乎就是一个力学大全，而且软件中计算模块大都已经为工程实践证明是可靠的。航空航天、船舶水利、建筑桥梁、能源动力、机械、交通等诸多工业部门在产品设计中，很多都采用了这样的软件进行分析和优化，这些领域的学生本科或硕士毕业后，到工业部门几乎都会或多或少遇到这些软件的使用问题，尤其是力学相关的专业，因此，在本科阶段，加强这方面的训练和培养是非常必要的。美国的工科课程中安排较多时间让学生学习和应用工程应用软件，利用这些软件“帮助本科生能干博士生的活”[3]，也应该是出于这样的考虑。我们通过大作业和课程设计的方式，让学生对照结构动力学理论方法应用商用软件，这样在学会用软件的同时更进一步加深了对理论的理解，同时体验了工程师的工作方式和内容。
总之，现代教育技术的应用是必要的，但要注意技术的应用应该能引起教学深度和广度的深刻变化，能引导学生尽快从理论走向实际工程应用，应该能引导教师采用更先进策略启发学生科学思维，激发学生的实践创新精神。现代的优秀教师应该都能掌握这些先进的教育技术，并适度引入课堂。
三、专业课考试方法
工科专业课一般都具有很强的实践性和理论的深入性，有的要求学生通过试验、计算机仿真等手段掌握解决问题的能力，有的理论性很强，要求学生有熟练使用数学工具、推导复杂公式的能力，这些特点就决定了仅仅用期末一卷考核的不科学性。例如，有的课程由于理论复杂，一道题要做30分钟以上，这就不适合仅仅用期末一卷考核的办法。我们认为，大多数工科专业课程，都可以采用试验、计算机仿真（上机）、大作业、口试、期中、期末试卷等综合手段进行考核，可不全用，但一般至少应该包含两种以上，根据不同课程具体情况而定。对于涉及学生保研的专业基础课，期末试卷环节一般都应该有，此外，为了保证评价的客观性，如果有实践环节还应该辅助口试。对专业核心课程，试卷可考虑开卷。对专业选修课程，一般应该有大作业，甚至可以没有其中和期末的试卷环节。结构动力学课程除了课堂理论教学以外，还设置了必要的试验和上机教学环节，我们认为工科专业课大都应该有试验和上机的实践环节。考核方式上，实践环节除了上交报告以外，还在期末考试结束当天或第二天，利用半天多的时间进行口试，这样既可以考查学生对本门课程综合掌握程度，还保障了实践环节给分的客观性，尽管这需要教师多花一些时间，但是必要的。这么多年我们一直坚持这样考核方式，学生反映也很好。
我们认为，工科研究型大学本科阶段专业课程的教学及改革目标最重要的是要使学生从被动接受到主动研究，思维和学习方式都渐变为研究性的。为了达成这样的目标，任课教师本身的科研经历、科研成果与本科专业课教学内容的融合以及现代教育技术使用能力十分重要，另外，教师本身的积极性可能更加重要，如果教师的教学积极性被调动起来，本文提出的一些关于如何提高专业课教育教学效果的看法和建议，不用花费很多时间和精力就可以付诸实践，也必将能取得预期效果。本文提出的一些建议，应该能为如何使工科专业课的学习向研究性方向转变提供有益的参考。
参考文献：
[1]董溪哲，赵亚杰，马永财.基于创新型人才培养的工科专业课教学改革[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2014，(8).
[2]范钦珊，陈建平，唐静静等.研究型大学需要研究型教学［J］.中国大学教学，2009，(11).
[3]庞思勤.中美机械专业课程设置与人才培养模式比较研究［J］.中国大学教育，2007，(11).