工程思維導(dǎo)向的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)方法與實踐

管青海 付濤 周燕 薛江

[摘 要] 為適應(yīng)新工科培養(yǎng)目標(biāo)，提升學(xué)生力學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和工程實踐能力，針對“結(jié)構(gòu)力學(xué)”傳統(tǒng)教學(xué)課程內(nèi)容缺乏時代特征、教學(xué)互動性及多樣性等諸多問題，對“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的教學(xué)方法進行探討。在有條件的基礎(chǔ)上進行工程現(xiàn)場授課，形成與課堂授課互補的“第二課堂”;增加課上工程結(jié)構(gòu)電算內(nèi)容，組織課下工程結(jié)構(gòu)競賽活動;建立互聯(lián)網(wǎng)知識共享平臺，方便學(xué)生在線學(xué)習(xí)和師生及時溝通。教學(xué)結(jié)果表明，工程思維導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計，可以使學(xué)生建立結(jié)構(gòu)力學(xué)概念的工程思維能力和發(fā)展工程思維直覺，并為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)力學(xué);工程思維;教學(xué)設(shè)計;結(jié)構(gòu)電算

[基金項目] 2017年度天津城建大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項目“基于工程思維培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)方法研究與實踐”（JG-YBZ-1709）;2019年度山東省研究生教育質(zhì)量提升計劃項目“橋梁工程災(zāi)害預(yù)防與處置教學(xué)案例庫建設(shè)”（SDYAL19110）;2020年度山東建筑大學(xué)博士科研基金“大跨人行懸索橋風(fēng)致振動試驗與理論研究”（X20082Z）

[作者簡介] 管青海（1985—），男，山東諸城人，博士，山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院講師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)振動與控制研究;付 濤（1981—），男，山東濰坊人，博士，山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院副教授，主要從事橋梁抗震與防撞、裝配式橋梁結(jié)構(gòu)研究;周 燕（1979—），女，山東臨沂人，博士，天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）50-0133-04? ? [收稿日期] 2021-10-11

一、引言

“結(jié)構(gòu)力學(xué)”是土木工程相關(guān)專業(yè)的必修課，在大多數(shù)工科專業(yè)課程體系中具有顯著地位與重要作用。先修課程涵蓋“高等數(shù)學(xué)”“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”等理論性強的基礎(chǔ)課程，同時“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程又是“土力學(xué)與地基基礎(chǔ)”“結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”“橋梁工程”等諸多專業(yè)課的基礎(chǔ)?！敖Y(jié)構(gòu)力學(xué)”課程在整個工科課程體系中處于承上啟下的核心地位，不但為專業(yè)理論課提供必需的基礎(chǔ)理論知識，而且也為課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)實踐課提供理論基礎(chǔ)和計算方法。在新工科專業(yè)建設(shè)背景下[1]，將“結(jié)構(gòu)力學(xué)”有效融入相關(guān)工科專業(yè)課程中，必須加強結(jié)構(gòu)力學(xué)的工程思維能力培養(yǎng)。

二、“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

從當(dāng)前國內(nèi)土木工程、道路橋梁與渡河工程，以及工程管理等專業(yè)的力學(xué)課程體系設(shè)置來看，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課時被大幅削減，在實際教學(xué)計劃中“結(jié)構(gòu)力學(xué)”授課只能盡量保證經(jīng)典力學(xué)部分，對上下游其他關(guān)聯(lián)課程的銜接延伸講解，以及工程思維的訓(xùn)練則無暇顧及，因此，打造貫通“結(jié)構(gòu)力學(xué)”與專業(yè)課程的授課方式至關(guān)重要。

要求學(xué)生在有限課時內(nèi)掌握大量信息并非一件易事，同時枯燥的力學(xué)知識又往往使學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與工程思維。教學(xué)課時的縮減，使教師對授課大綱和講解內(nèi)容進行大幅度簡化，很多欠缺工程專業(yè)背景的力學(xué)教師則會“重公式、輕概念”“重理論、輕工程”，不利于提高教學(xué)水平和授課質(zhì)量，更難以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力，造成理論化教學(xué)與應(yīng)用能力培養(yǎng)割裂的困局，以及固定教學(xué)模式與創(chuàng)新意識、工程思維培養(yǎng)的矛盾。

由于“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程特點的限制，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”授課上易于出現(xiàn)以下問題：（1）課程內(nèi)容缺乏時代特征和靈活性;（2）教學(xué)過程缺乏互動性和針對性;（3）教學(xué)方法缺乏創(chuàng)新性和多樣性。這些問題容易使學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)無法系統(tǒng)性掌握，難以建立工程思維能力，更難以形成工程思維直覺。

結(jié)構(gòu)力學(xué)概念多，概念之間互聯(lián)強，極易造成概念混淆，學(xué)生在“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)過程中往往存在以下問題：（1）缺乏學(xué)習(xí)興趣，求知欲不足，學(xué)習(xí)主動性有待加強;（2）知識學(xué)習(xí)僵化，知識點難以融會貫通，只會做題不會分析;（3）學(xué)習(xí)缺乏批判性，面對公式死記硬背，對于典型例題生搬硬套。因此，需要教師創(chuàng)新教學(xué)方法，積極調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性。

雖然，很多高校教師提出了一些針對“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的授課方法，獲得了一些預(yù)期效果[2-5]。但是，無論是教學(xué)設(shè)計還是教學(xué)效果，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)仍存在很大挑戰(zhàn)。鑒于“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)當(dāng)前存在的諸多問題，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法上的改革勢在必行。結(jié)合“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的實際特點，應(yīng)建立一套具有可操作性的、基于工程思維能力培養(yǎng)的課程教學(xué)方法，并輔以豐富的教學(xué)資源，開發(fā)與行業(yè)發(fā)展及工程應(yīng)用環(huán)節(jié)緊密相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的全局專業(yè)眼光和工程思維意識，強化學(xué)生綜合運用力學(xué)知識解決實際問題的工程思維能力，培養(yǎng)具有現(xiàn)代工程理念的“卓越工程師”[6，7]，對于滿足新時代社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

三、工程思維導(dǎo)向的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)設(shè)計

（一）教學(xué)設(shè)計路線

單一課堂教學(xué)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前教學(xué)工作的需要，因此，我們要從多種渠道、多種維度強化學(xué)生的工程思維，同時，多渠道、多維度也能夠更好地結(jié)合時代特征與工程實際，使學(xué)生能夠?qū)W有所用、學(xué)以致用。

工程思維導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計，要將傳統(tǒng)課堂教學(xué)疊加課下教學(xué)，并補充線上教學(xué)，三種教學(xué)方式協(xié)調(diào)統(tǒng)一并相互促進，構(gòu)成三位一體立體化教學(xué)體系。工程思維導(dǎo)向的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)設(shè)計總體路線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）教學(xué)設(shè)計方法

教學(xué)設(shè)計不拘泥于單一課堂教學(xué)、線上教學(xué)或者線上線下混合教學(xué)，而是將課堂教學(xué)、現(xiàn)場教學(xué)及線上教學(xué)三種方式有機融合。

1.課堂教學(xué)除了講授大綱基本內(nèi)容之外，還需要涉及工程結(jié)構(gòu)電算部分。對于典型工程案例，結(jié)合力法和位移法進行結(jié)構(gòu)電算，能使學(xué)生更好地理解與掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的求解邏輯和理念。同時，工程案例解析要結(jié)合工程現(xiàn)場教學(xué)。

2.課下教學(xué)是課堂教學(xué)的有效延伸。課下教師可以組織學(xué)生參加各類結(jié)構(gòu)競賽，將結(jié)構(gòu)競賽設(shè)計成結(jié)構(gòu)電算的形式，并納入課程評價體系，能夠極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在有條件的基礎(chǔ)上，工程現(xiàn)場教學(xué)將會起到事半功倍的效果，或者將“結(jié)構(gòu)力學(xué)”與“認(rèn)識實習(xí)”“生產(chǎn)實習(xí)”等實踐課相結(jié)合，使實習(xí)過程成為“結(jié)構(gòu)力學(xué)”指導(dǎo)下的理論聯(lián)系實踐過程。同時，要注意不能為了現(xiàn)場而現(xiàn)場，工程現(xiàn)場教學(xué)要充分聯(lián)系課堂教學(xué)內(nèi)容。

3.充分利用豐富的互聯(lián)網(wǎng)線上教學(xué)平臺。比如，國內(nèi)外各大公開課、教學(xué)名師課堂、國家金課等高水平教學(xué)資源，或者B站等自媒體教學(xué)視頻。線上獲取教學(xué)資源的便利性，使學(xué)生具有更大的選擇自由度和學(xué)習(xí)空間，另外，除了線上共享知識平臺之外，建議開發(fā)互動性教學(xué)平臺，建立與學(xué)生持續(xù)溝通、隨時答疑的機制。

四、教學(xué)實踐與效果檢驗

（一）教學(xué)實踐

結(jié)合多年“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)實踐，以工程思維培養(yǎng)為導(dǎo)向，逐步摸索出課堂、現(xiàn)場及線上的三位一體教學(xué)體系。教學(xué)團隊圍繞道路橋梁與渡河工程、工程管理等專業(yè)進行了多輪次教學(xué)實踐和研討，將具體教學(xué)實踐過程總結(jié)如下。

1.以不同結(jié)構(gòu)受力特點為基礎(chǔ)引申實際工程背景，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。目前，結(jié)構(gòu)力學(xué)實際上是對結(jié)構(gòu)計算簡圖的學(xué)習(xí)，是簡化后的力學(xué)計算模型。學(xué)生在計算簡圖的學(xué)習(xí)過程中，容易對實際結(jié)構(gòu)的力學(xué)認(rèn)識不強，難以從實際工程中抽象出力學(xué)模型。在學(xué)習(xí)各種結(jié)構(gòu)時，引申相應(yīng)的工程背景，并適當(dāng)結(jié)合工程現(xiàn)場教學(xué)，使學(xué)生提高理論聯(lián)系實際的能力，從而培養(yǎng)工程思維能力。

2.增加電算教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生工程結(jié)構(gòu)電算能力。在畢業(yè)設(shè)計及今后工作中，學(xué)生遇到的工程問題復(fù)雜多變，采用手算不切實際，多數(shù)要通過電算完成。增加學(xué)生電算能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容，開展相關(guān)內(nèi)容的上機練習(xí)，能夠利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器或者自編結(jié)構(gòu)力學(xué)小程序，提高結(jié)構(gòu)計算分析能力，并結(jié)合結(jié)構(gòu)競賽進行專項結(jié)構(gòu)電算培訓(xùn)與指導(dǎo)。

3.增加以結(jié)構(gòu)模型競賽為依托的實踐內(nèi)容，使教學(xué)更貼近工程實踐。結(jié)構(gòu)模型競賽是教學(xué)與工程實踐較完美的結(jié)合，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型競賽與“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)的有效融合，并將競賽納入課程教學(xué)評價體系。定期舉辦結(jié)構(gòu)模型競賽，將所有學(xué)生進行分組，并鼓勵學(xué)生積極參與。結(jié)構(gòu)模型競賽與結(jié)構(gòu)電算相互反饋促進，深化對結(jié)構(gòu)力學(xué)理論知識的認(rèn)識，深刻理解各類力學(xué)結(jié)構(gòu)的一般力學(xué)特性，并與工程結(jié)構(gòu)建立直覺聯(lián)系，提高分析工程問題的能力，提升工程實踐能力，最終達到研究和創(chuàng)新能力的提高。

4.在有條件的基礎(chǔ)上進行工程現(xiàn)場授課，形成與教室授課互補的“第二課堂”。除了在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)之外，尋找典型工程結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場教學(xué)。諸如天津永樂橋（天津之眼摩天輪）、天津海河橋（開啟式鋼架橋）、濟南二仙橋（拱橋）、濟南黃河大橋（斜拉橋）等，有目的地深入實際工程現(xiàn)場講解相關(guān)知識，使學(xué)生能夠更直觀地發(fā)展工程思維，鍛煉工程直覺。

5.建立互聯(lián)網(wǎng)知識平臺，方便學(xué)生在線學(xué)習(xí)和師生及時溝通。利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的交互式教學(xué)環(huán)境，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺在課前預(yù)習(xí)、課堂討論，以及課后知識鞏固中的引導(dǎo)作用;利用線上資源學(xué)習(xí)相關(guān)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計案例及其施工視頻;開發(fā)結(jié)構(gòu)力學(xué)線上共享互動平臺，教學(xué)團隊在微信公眾平臺上開發(fā)運維結(jié)構(gòu)力學(xué)主題微信公眾號，并定期上傳“結(jié)構(gòu)力學(xué)”授課重點內(nèi)容、工程思維能力培養(yǎng)專題、作業(yè)題講解等內(nèi)容，學(xué)生能夠隨時在公眾號上完成課前的科學(xué)預(yù)習(xí)和課后的查漏補缺，師生建立長期有效互動，與教室課堂教學(xué)形成優(yōu)勢互補。

（二）效果檢驗

工程思維導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計可以充分利用啟發(fā)式教學(xué)，在授課中加強工程思維培養(yǎng)環(huán)節(jié)，并結(jié)合實際結(jié)構(gòu)工程進行現(xiàn)場講解和結(jié)構(gòu)電算教學(xué)，有利于學(xué)生養(yǎng)成結(jié)構(gòu)力學(xué)思維意識，進一步有意識地使學(xué)生發(fā)展工程思維能力，鍛煉工程直覺。

從多年教學(xué)經(jīng)驗及學(xué)生的反饋來看，工程思維導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計，課堂、現(xiàn)場及線上三位一體教學(xué)體系，能夠顯著提高“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生不僅僅在考試分?jǐn)?shù)上得到提升，在工程應(yīng)用能力上也得到了充分鍛煉。

五、結(jié)語

在工程思維導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計中，各教學(xué)環(huán)節(jié)之間絕不是孤立存在的，需要相互串聯(lián)與促進。三位一體教學(xué)過程要貫穿整個“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程體系，甚至打破原有的教學(xué)設(shè)計順序，從工程現(xiàn)場問題出發(fā)，反向?qū)で蠼Y(jié)構(gòu)力學(xué)解決方法，從而實現(xiàn)學(xué)習(xí)過程的主動化。工程思維導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計，突出了學(xué)生的主體地位，有利于使學(xué)生建立結(jié)構(gòu)力學(xué)概念的工程思維能力和工程思維直覺，有助于學(xué)生快速分析工程結(jié)構(gòu)力學(xué)特點，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

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