繆志偉 馬棟梁

[摘 要] 分析目前結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)過程中存在的過多關(guān)注基礎(chǔ)性忽視專業(yè)應(yīng)用性的問題，通過將虛擬仿真實驗融合進傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)理論教學(xué)，進行課程教學(xué)的創(chuàng)新和實踐，探索更靈活有效的教學(xué)模式，從而使結(jié)構(gòu)力學(xué)成為讓學(xué)生從土木工程中的力學(xué)基本理論過渡到工程實際應(yīng)用的重要橋梁。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)力學(xué);虛擬仿真實驗;教學(xué)創(chuàng)新實踐

在土木工程教育的培養(yǎng)計劃和課程設(shè)置體系中，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程具有十分重要的基礎(chǔ)性地位，它是聯(lián)系前期各基礎(chǔ)力學(xué)課程和后期各專業(yè)課程的紐帶，是讓學(xué)生從土木工程中的力學(xué)基本理論過渡到工程實際應(yīng)用的重要橋梁[1]。因此，在各高等工科院校的土木工程教育中，均將結(jié)構(gòu)力學(xué)作為最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。

一、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題

筆者通過多年來的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)目前在結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程教學(xué)過程中存在一個問題，即作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其“基礎(chǔ)性”被過多的重視，而其“專業(yè)應(yīng)用性”則相對被忽視。具體來說，體現(xiàn)在以下兩個方面。

1.從教師“教”的角度而言，目前主要是通過課堂理論教學(xué)的方式實現(xiàn)對課程基本概念、原理的講授和基本方法的訓(xùn)練。這一教學(xué)方式突出了課程知識的基礎(chǔ)性，卻相對忽視了其工程實踐的專業(yè)應(yīng)用性，無法有效激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。機械的教學(xué)手段也使得學(xué)生缺乏感性認(rèn)知，產(chǎn)生知識理解上的困難。更重要的是，實際工程中需要的應(yīng)當(dāng)是結(jié)構(gòu)力學(xué)概念清楚、工程思維性強、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新意識濃厚的優(yōu)秀專業(yè)人才。而偏重基礎(chǔ)知識的傳授，將無法使學(xué)生理解所學(xué)基礎(chǔ)知識的意義，不能激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，使其在后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中不能主動地應(yīng)用本課程所學(xué)基礎(chǔ)知識。

2.從學(xué)生“學(xué)”的角度而言，由于本課程屬專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性很強，學(xué)生對于本課程產(chǎn)生了先入為主的“刻板”印象，并沿用過去學(xué)習(xí)公共基礎(chǔ)課的一些經(jīng)驗，形成了被動接受新的概念原理——機械掌握新的計算方法——通過題海戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練鞏固解題能力的學(xué)習(xí)模式。這樣，經(jīng)過一學(xué)年的課程學(xué)習(xí)，只培養(yǎng)了針對特定題型的定量計算能力，而缺乏對結(jié)構(gòu)概念原理的深入理解和靈活把握，沒有建立起工程思維和創(chuàng)新意識，不具備將所學(xué)的基礎(chǔ)知識應(yīng)用于解決專業(yè)的實際問題的能力。這對于本專業(yè)的后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)是很不利的。

綜上所述，現(xiàn)今的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)應(yīng)更加注重培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⒘W(xué)概念與實際工程進行緊密聯(lián)系和有效融合，進而在定性分析的基礎(chǔ)上進行合理結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。為此，有必要通過引入更為生動的實驗教學(xué)，并與傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)進行有機的融合，以解決上述問題。

二、虛擬仿真實驗對于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革的意義

土木工程專業(yè)實驗教學(xué)有其自身的特點。由于實驗綜合性強、設(shè)備體量大、實驗環(huán)境惡劣、資源消耗大、成本高，因此在實踐環(huán)節(jié)中往往存在一定的技術(shù)困難，特別是高危險、大型復(fù)雜但與實際工程結(jié)合緊密的一些實驗無法在實驗室內(nèi)讓本科生直接深入?yún)⑴c。

然而，隨著專業(yè)和學(xué)科的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的不斷進步，虛擬仿真實驗可以利用專業(yè)仿真計算軟件和計算機平臺，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，并在虛擬環(huán)境中開展實驗，從而克服上述技術(shù)困難。基于虛擬仿真實驗系統(tǒng)，既可再現(xiàn)傳統(tǒng)實驗室中的經(jīng)典試驗，又可開展傳統(tǒng)實驗室中難以進行的高難度、高危險、高成本試驗，使學(xué)生對需要掌握的基本概念和原理產(chǎn)生直觀的認(rèn)識和理解，從而激發(fā)學(xué)生主動探索學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神、實踐能力、自主學(xué)習(xí)能力以及獲取信息、運用信息的能力[2-4]。

鑒于此，筆者通過將虛擬仿真實驗融合進傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程理論教學(xué)，進行課程教學(xué)的創(chuàng)新和實踐，探索更靈活有效的教學(xué)模式，同時與后續(xù)專業(yè)課程有效銜接過渡，從而激發(fā)學(xué)生對于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程思維，充分發(fā)揮本課程在聯(lián)系前期基礎(chǔ)力學(xué)課程和后期專業(yè)課程之間的紐帶作用。

三、與虛擬仿真實驗相融合的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新與實踐舉措

筆者通過如下兩個方面的舉措，實現(xiàn)了將虛擬仿真實驗有效融合進結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的理論教學(xué)。

1.教學(xué)內(nèi)容方面，一是虛擬仿真實驗案例的選取與設(shè)計，實現(xiàn)傳統(tǒng)課程理論教學(xué)與虛擬仿真實驗的有機融合，前提是實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容上的緊密聯(lián)系，這就需要精心選擇虛擬仿真實驗案例;二是實驗案例的選取與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)既能深刻反映所必須掌握的基本概念、原理和方法，同時又與專業(yè)工程應(yīng)用緊密聯(lián)系。通過虛擬仿真實驗，讓學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識應(yīng)用到具體的工程實例，從而在建立抽象的力學(xué)體系的同時，盡早建立起具體的工程性思維，從而為后續(xù)學(xué)習(xí)、后續(xù)與工程設(shè)計、分析等緊密相關(guān)的課程打下良好的基礎(chǔ)。因此，筆者通過廣泛的專業(yè)調(diào)研與資料整理，收集和選擇專業(yè)工程應(yīng)用中各種與結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念、原理和方法緊密相關(guān)的素材，并據(jù)此精心設(shè)計加工出若干虛擬仿真實驗案例，如表1所示。

2.教學(xué)方式方面，實現(xiàn)虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)方式的有機結(jié)合。虛擬仿真實驗教學(xué)是一種新型的教學(xué)手段，引入這一新型教學(xué)手段的目的是為了取得更好的教學(xué)效果而不是嘩眾取寵，因此教師授課時必須立足本課程的專業(yè)基礎(chǔ)課地位，將傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)方式與虛擬仿真實驗進行有機結(jié)合，否則將顧此失彼，分散學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力，產(chǎn)生“喧賓奪主”的負(fù)面效應(yīng)。筆者針對上述所選擇的實驗案例，開發(fā)了虛擬仿真實驗平臺。在該平臺中，包括總體介紹、參數(shù)查看、經(jīng)典案例、互動試驗、結(jié)果分析等多個環(huán)節(jié)，可以真實地覆蓋實驗教學(xué)的全過程。在課堂教學(xué)中，利用多媒體條件，首先進行教師為主導(dǎo)的課堂虛擬仿真實驗，主要用于演示虛擬仿真實驗基本操作，深化課程知識體系中的基本概念，驗證相關(guān)基本原理和方法，使學(xué)生獲得專業(yè)工程應(yīng)用上的直觀感性認(rèn)識，激發(fā)其課程學(xué)習(xí)的興趣和積極性，培養(yǎng)其應(yīng)用基礎(chǔ)知識解決實際問題的工程思維和創(chuàng)新意識。然后，在課堂虛擬仿真教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過教師引導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)知識和虛擬仿真實驗手段在平臺上自主進行較深入的專業(yè)課題研究，從而實現(xiàn)以學(xué)生主導(dǎo)的課外虛擬仿真實驗，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)論

針對目前結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)過程中“基礎(chǔ)性”被過多重視而“專業(yè)應(yīng)用性”相對被忽視的問題，筆者通過在傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)的基礎(chǔ)上融入形式更新穎、內(nèi)容更豐富的虛擬仿真實驗，實現(xiàn)了更直觀的理論聯(lián)系實際，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，構(gòu)建了知識性、趣味性、工程性于一體的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程創(chuàng)新性教學(xué)模式，從而充分發(fā)揮本課程在聯(lián)系前期基礎(chǔ)力學(xué)課程和后期專業(yè)課程之間的紐帶作用，使其成為讓學(xué)生從土木工程中的力學(xué)基本理論過渡到工程實際應(yīng)用的重要橋梁。

參考文獻

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