土木工程力學類課程體系與教學方法的研究與實踐

李書進 厲見芬 高瑞霞

(常州工學院土木建筑工程學院，江蘇 常州 213002)

0 引言

力學類課程是土木工程專業(yè)的技術(shù)基礎課，是解決工程問題的基礎。［1］但是，傳統(tǒng)的力學課程教學存在2種傾向:一是側(cè)重理論講述而缺乏工程實例的支撐，理論教學與工程實踐相脫節(jié);二是在部分任課教師中存在重專業(yè)而輕基礎的現(xiàn)象，造成力學類課程的教學逐漸被弱化。其結(jié)果導致教學效果不佳，學生難以學以致用。有關(guān)力學類課程的教學改革［2－3］報導很多，但有的研究過于追求各門力學課程自身的完善。以課程為中心的教學對知識的相互滲透和銜接不夠，割裂了力學知識體系的整體性和綜合性。有的則過于重視力學類課程的理論性、系統(tǒng)性，與后續(xù)專業(yè)課程的結(jié)合度不夠，不能突出應用型本科的培養(yǎng)目標。

本文按照新時期培養(yǎng)應用型土木工程專業(yè)人才知識、素質(zhì)、能力結(jié)構(gòu)的要求，以培養(yǎng)學生對力學原理的“工程應用能力”為主線，構(gòu)建和優(yōu)化力學類課程的課程體系和教學內(nèi)容，并對教學方法和教學手段等進行了全方位的教學改革。通過教學研究和教學實踐，激發(fā)了學生的學習興趣，提升了總體教學質(zhì)量，為土木工程專業(yè)的學生綜合運用力學原理解決工程問題奠定了良好的專業(yè)基礎。

1 構(gòu)建土木工程力學類課程體系，優(yōu)化整合教學內(nèi)容

1.1 設置力學類課程模塊，構(gòu)建“模塊化、專題式”的課程體系

按照力學類課程內(nèi)容的關(guān)聯(lián)程度將力學類課程設置為基礎模塊、工程基礎模塊和專業(yè)模塊。基礎模塊包括3門基礎力學課程，其內(nèi)容又分成基礎部分和專題部分。基礎部分講授力學基本概念和基本原理，專題部分具體講授工程應用。專題部分是后續(xù)課程的重要專業(yè)基礎，可根據(jù)學生專業(yè)方向不同取舍教學專題。交通土建方向的專題主要有影響線及其工程應用、無鉸拱的計算等;建筑工程方向的專題主要有多次超靜定框架體系的求解、無剪力分配法、塑性鉸等。工程基礎模塊主要講授較復雜的力學概念和原理，以及并用其解決工程設計中的技術(shù)問題。專業(yè)模塊重點解決力學計算、求解與數(shù)值模擬，包括“工程結(jié)構(gòu)抗震”、“結(jié)構(gòu)實驗”和“預應力混凝土構(gòu)件”等課程。土木工程專業(yè)力學類課程教學模塊如表1所示。

表1 土木工程專業(yè)力學類課程的教學模塊

由于各專業(yè)模塊涵蓋課程較多，表1中僅列出了各模塊中的部分核心專業(yè)課程。劃分3大模塊并選擇不同專題開展教學，對課程內(nèi)容和授課形式等方面進行必要的調(diào)整，以保證力學課程體系的科學性和完整性。統(tǒng)籌各模塊教學內(nèi)容的取舍，充分發(fā)揮模塊組合效應，以滿足不同專業(yè)方向人才培養(yǎng)的需要。

1.2 基于土木工程專業(yè)對能力培養(yǎng)的要求，優(yōu)化整合力學教學內(nèi)容

土木工程專業(yè)要求學生不僅要具備扎實的力學理論知識，還應具備相應的建模能力、分析能力、計算能力、判斷能力和解決工程實際問題的能力。本專業(yè)各門力學基礎課程(基礎模塊)對學生能力培養(yǎng)的要求見表2。

表2 土木工程專業(yè)力學基礎課程對學生能力培養(yǎng)的要求

雖然土木工程專業(yè)的3門力學基礎課程側(cè)重點不同，但內(nèi)容上卻有較強的聯(lián)系和交叉。在教學內(nèi)容的選取上，應基于本專業(yè)對學生力學能力培養(yǎng)的要求而統(tǒng)籌編排，避免過于追求各門力學課程本身的系統(tǒng)性和完整性。對于相同或相近的教學內(nèi)容予以優(yōu)化重組，整合后的“理論力學”課程主要涵蓋靜力學、動力學基本原理;“材料力學”課程主要涵蓋構(gòu)件的強度、變形和穩(wěn)定理論;“結(jié)構(gòu)力學”課程主要涵蓋桿系結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形計算。“理論力學”課程中的虛功原理與“結(jié)構(gòu)力學”課程中單位力法作為精講內(nèi)容，“材料力學”課程則只需稍加闡述。對于土木工程專業(yè)來說，運動學和桿件扭轉(zhuǎn)等內(nèi)容與后續(xù)課程關(guān)聯(lián)性不強，可適當刪減。

此外，還應理順力學類課程和后續(xù)專業(yè)課程的銜接關(guān)系，避免內(nèi)容上的重復或知識點的缺位。將“土木工程材料”、“混凝土結(jié)構(gòu)原理”和“鋼結(jié)構(gòu)”等課程有關(guān)材料力學性能的內(nèi)容，以及“鋼結(jié)構(gòu)”課程中截面幾何性質(zhì)部分均調(diào)整到“材料力學”課程中，將基礎力學課程中連接件計算、實際壓桿穩(wěn)定計算等專業(yè)內(nèi)容調(diào)整到“鋼結(jié)構(gòu)”課程中;精講結(jié)構(gòu)動力計算部分，為后續(xù)“工程結(jié)構(gòu)抗震”課程的教學做好鋪墊。

2 以培養(yǎng)“工程應用能力”為主線的力學類課程教學實踐

教學活動應始終圍繞培養(yǎng)學生對力學原理的“工程應用能力”這一主線，注重結(jié)合工程背景講授力學原理，避免單純從理論角度灌輸力學知識，給傳統(tǒng)教學方式添加“活化劑”，充分調(diào)動學生學習的積極性。

2.1 運用工程案例培養(yǎng)學生的抽象思維能力

結(jié)合工程實例講授基本力學概念，引導學生對實際工程結(jié)構(gòu)進行抽象思維，再加以概括提煉，去偽存真、由表及里地抽象出其中的力學要素，最終引出力學概念。運用圖片、影像等多種媒介展示具體工程案例，將工程結(jié)構(gòu)的實際約束抽象為理想約束而得到力學計算模型。如，鋼屋架的焊接、木屋架的榫接以及現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋架，當彎矩和剪力較小時，常簡化為光滑圓柱鉸，桿件簡化為鏈桿，屋架則抽象為理想桁架。以實際工程案例講解剛架、排架和桁架的概念，可以所在教學樓為鋼筋混凝土剛架結(jié)構(gòu)，教室門窗過梁可簡化成簡支梁等為例。

2.2 鍛煉學生對力學原理的綜合應用能力

力學類課程教學既要讓學生掌握系統(tǒng)的力學知識，更要做到學以致用。如，講授斜梁內(nèi)力圖后，可讓學生對樓梯進行分析計算;講完排架的內(nèi)力計算后，可讓學生對單層廠房排架結(jié)構(gòu)進行分析計算。補充講解設計、施工環(huán)節(jié)中常見的受力分析不清、傳力途徑混亂，結(jié)構(gòu)抗力不足等問題。在認識實習和施工實習時，引導學生思考構(gòu)件運輸、堆放、吊裝、組裝過程中涉及到的力學問題，使力學類課程教學發(fā)揮承前啟后、理論指導實踐的作用。

2.3 力學類課程教學充分考慮執(zhí)業(yè)考試的需求

目前，土建行業(yè)各類執(zhí)業(yè)注冊考試基本都含有力學內(nèi)容，而且所占分值比例較高?？紤]到這一實際需求，授課內(nèi)容盡可能覆蓋執(zhí)業(yè)注冊考試大綱的范圍，加大相關(guān)題目的練習。這也要求授課教師應具有豐富的工程經(jīng)驗，且在當?shù)亟ㄖ袠I(yè)具有一定社會影響，成為培養(yǎng)較強崗位適應能力卓越工程師的教師。

3 創(chuàng)設趣味性、探究式教學新方法，鍛煉學生的開放性思維

3.1 趣味性教學新方法的創(chuàng)設與運用

興趣是學習的最好老師，濃厚的學習興趣更容易誘發(fā)學生學習的主動性和積極性。將抽象晦澀的力學概念講述以學生喜聞樂見的方式進行，通過蘊含力學原理的事例，增加課堂的趣味性。征引古今中外的力學趣聞和史話，如，漢代鄭玄對胡克定律的貢獻，宋代《營造法式》關(guān)于木梁高寬比的認識等;討論如何培育抗倒伏水稻、竹子為何長成中空截面等看似與力學無關(guān)的問題，讓學生加深對歐拉公式和壓桿穩(wěn)定的理解;將漸進法中力矩分配和傳遞過程喻為“按勞分配”、“禮尚往來”等故事化情景，創(chuàng)造寓教于樂的良好課堂氣氛，有助于激發(fā)學生學習的內(nèi)在動力和智慧潛能的發(fā)揮，從而達到預期的教學效果。

3.2 探究式教學新方法的創(chuàng)設與運用

針對“以問題為起點，以結(jié)論為終點”的封閉式教學過程的弊端，創(chuàng)設一種以案例和問題為核心的情境，激發(fā)學生探究問題的興趣，培養(yǎng)學生的研究能力。探究式教學法以學生的積極參與為前提，強調(diào)師生互動，是一種“問題—探究—結(jié)論—問題—探究”的開放式教學過程。從熟悉的現(xiàn)象和工程實際問題入手，廣泛聯(lián)想引出力學命題，給學生思考的空間，展開討論并加以引導，將朦朧的感性認識升華到科學嚴謹?shù)睦碚?。如，關(guān)于疊加法繪制伸臂梁M圖，先讓學生對比分析簡支梁和伸臂梁的區(qū)別，進而分析“高架橋橫梁為何采用伸臂梁的形式”在這種教學過程中，充分利用學生的求知欲，使其始終處于主動學習狀態(tài)，潛移默化地提高了學生分析問題、解決問題的能力，鍛煉了開放性思維。

4 結(jié)語

模塊化、專題式的土木工程力學類課程體系，可充分發(fā)揮模塊組合效應，符合不同專業(yè)方向人才培養(yǎng)的需要。以培養(yǎng)學生對力學原理的“工程應用能力”為主線，注重結(jié)合工程背景，靈活運用案例進行課程教學，為學生學好后續(xù)專業(yè)課程奠定堅實的力學基礎。創(chuàng)設的趣味性、探究式的新型教學方法，激活用力學概念進行結(jié)構(gòu)設計的創(chuàng)新思維潛質(zhì)，將傳統(tǒng)的封閉式教學過程轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放式的教學過程。

［1］邱繼生，文艷芳，熊光紅.土木工程力學類課程系統(tǒng)性及創(chuàng)新性實踐與研究［J］.陜西教育:高教版，2009(9):40－41.

［2］楊博，孫海濤，楊柳，等.工程化教育背景下土木工程專業(yè)力學課程體系改革的探討［J］.教育與教學研究，2010(5):63－64，83.

［3］馬崇武，徐有基，秦懷泉.土木工程專業(yè)力學課程改革的研究與實踐［J］.高教論壇，2007(2):112－113.