齊 欣，孟慶成，余志祥

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南石油大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610054）

“新工科” 是基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹(shù)人新要求而提出的一項(xiàng)重大發(fā)展戰(zhàn)略[1]。新工科強(qiáng)調(diào)積極應(yīng)對(duì)變化，主動(dòng)塑造世界，促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量全面提升[2]。工科人才培養(yǎng)與業(yè)態(tài)轉(zhuǎn)型方向以及工業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)保持高度一致。日趨復(fù)雜的工程實(shí)景將更緊密地嵌入工程教育。新工科也是高校協(xié)同育人發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。結(jié)構(gòu)力學(xué)作為 “新工科” 的專業(yè)基礎(chǔ)類課程。一方面其本身的課程性質(zhì)與課程內(nèi)容與廣義的基礎(chǔ)課一脈相承，向前可追蹤到知識(shí)發(fā)展的源頭和源模型；課程以簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)典型結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析，總結(jié)規(guī)律，由淺入深，向后可延伸到現(xiàn)代工程的各個(gè)領(lǐng)域，是人才培養(yǎng)體系中的重要載體和樞紐節(jié)點(diǎn)。近些年結(jié)合現(xiàn)代化的技術(shù)手段，對(duì)力學(xué)課程的教學(xué)模式進(jìn)行了一系列探索和改革，例如孔位學(xué)等[4]提出了“四精” 教學(xué)模式，馮子明等[5]將基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)(PBL)教學(xué)法引進(jìn)研究生力學(xué)課堂教學(xué)，李建華等[6]將雨課堂結(jié)合課堂教學(xué)等，在教學(xué)方法上取得了一系列的成果，并在一定程度上提升了結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)效果。但目前基于工科專業(yè)實(shí)際需求銜接的理論與工程相結(jié)合的嵌入式創(chuàng)新，僅少數(shù)高校開(kāi)展了探索性研究，例如孟瑋等[7]在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中引入工程教育模式CDIO教育理念，劉學(xué)文等[8]以拔尖工程人才培養(yǎng)為目標(biāo)，對(duì)彈性力學(xué)課程進(jìn)行了一系列的改革，馮翠云[9]探討了虛擬仿真技術(shù)與機(jī)械類課程的結(jié)合等。但有關(guān)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的創(chuàng)新較少，基于此本文以 “新工科” 建設(shè)為契機(jī)，融入新工科理念，堅(jiān)持開(kāi)放、發(fā)展、科學(xué)、靈活的原則，重構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程。

一、“新工科”背景下的學(xué)生能力需求

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的授課對(duì)象，以大學(xué)二年級(jí)的本科生為主，已經(jīng)具備了一定的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，以往的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計(jì)算方法，能夠進(jìn)行典型桿系結(jié)構(gòu)的分析和演算，強(qiáng)調(diào)的是個(gè)人的知識(shí)學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力，往往陷入了題海戰(zhàn)術(shù)，只有理論，與實(shí)際聯(lián)系能力較差。新工科的人才培養(yǎng)，對(duì)學(xué)生個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力和全局意識(shí)三個(gè)方面均提出了要求，不僅是掌握所學(xué)的力學(xué)理論和計(jì)算方法，還要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)習(xí)的力學(xué)概念，能夠?qū)?shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化、分析、解決的能力。通過(guò)在課堂中引入工程背景，逐步對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題分解，培養(yǎng)了學(xué)生的思維判斷與分析能力。真實(shí)的工程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐需要多人合作解決，涉及到表達(dá)與溝通和管理協(xié)作，從而培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)能力；另外，從跨學(xué)科的層面培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維，以土木工程為例，任一個(gè)工程問(wèn)題都不是單一學(xué)科，關(guān)聯(lián)了材料學(xué)、地質(zhì)學(xué)和機(jī)械學(xué)科等，結(jié)合工程初步形成學(xué)生的全局意識(shí)。通過(guò)三個(gè)層面的不斷遞進(jìn)，總體形成了新工科背景下學(xué)生所需要的能力圖譜（圖1）。

圖1 “新工科”背景下的能力圖譜

二、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的重構(gòu)

1.力學(xué)思維的重構(gòu)

力學(xué)是以數(shù)學(xué)為工具去解決工程中遇到的問(wèn)題，是工程科學(xué)的基礎(chǔ)，也是連接理論與工程的橋梁。新工科建設(shè)培養(yǎng)的具備卓越工程素養(yǎng)的復(fù)合型人才，需要各項(xiàng)能力的全面升級(jí)。因此，側(cè)重于力學(xué)思維培養(yǎng)的教育就顯得尤為重要，根據(jù)力學(xué)思維的特點(diǎn)，可將知識(shí)點(diǎn)分解為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)、物理問(wèn)題，簡(jiǎn)化力學(xué)模型問(wèn)題和綜合的工程實(shí)踐問(wèn)題。其一可將整體教學(xué)中所涉及到的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理、分解，按照知識(shí)點(diǎn)的遞進(jìn)特征和屬性，通過(guò)明確其數(shù)理基礎(chǔ)、力學(xué)模型和工程實(shí)踐的關(guān)系，首先建立起力學(xué)思維的框架。其二在課程設(shè)置中，開(kāi)展有針對(duì)性的創(chuàng)新思維訓(xùn)練，內(nèi)容設(shè)置上將結(jié)構(gòu)的力流、力的傳力路徑與結(jié)構(gòu)形式結(jié)合，通過(guò)不同的結(jié)構(gòu)布置，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體受力，結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造意識(shí)。弱化定量的純粹計(jì)算環(huán)節(jié)，更注重結(jié)構(gòu)的定性分析。再有引入競(jìng)賽進(jìn)課堂的模式，鼓勵(lì)學(xué)生參與全國(guó)、省級(jí)、校級(jí)各類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，同時(shí)直接將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的題目引入課堂討論，鼓勵(lì)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新嘗試，從而更好的掌握結(jié)構(gòu)體系和整體結(jié)構(gòu)受力的概念。其三可以引入力學(xué)學(xué)者的研究歷程，從問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)，方法的提出、解決的策略等方面，來(lái)探討力學(xué)思維的形成。

圖2 數(shù)學(xué)、力學(xué)工程銜接關(guān)系

圖3 創(chuàng)新思維的訓(xùn)練

2.教學(xué)體系的重構(gòu)

一直以來(lái)，結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)體系以幾何特征（靜定結(jié)構(gòu)、超靜定結(jié)構(gòu)） 為主線，以計(jì)算和分析為主體，進(jìn)行詳細(xì)的闡述，以這種由淺入深、層層遞進(jìn)的教學(xué)體系看似學(xué)生理解和接受比較容易，但由于知識(shí)點(diǎn)過(guò)多過(guò)細(xì)，導(dǎo)致學(xué)生專注于細(xì)節(jié)，而無(wú)法形成總體把握力學(xué)概念。教學(xué)體系重構(gòu)后，明確了核心知識(shí)、基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)三個(gè)模塊。對(duì)應(yīng)三個(gè)模塊將課程體系按照基本原理、技術(shù)環(huán)節(jié)和能力培養(yǎng)三個(gè)階段，學(xué)生通過(guò)在結(jié)構(gòu)力學(xué)中由淺入深的了解，到專業(yè)課中深層次的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)接續(xù)性課程體系，達(dá)到 “新工科”人才培養(yǎng)的目的。新形態(tài)的課程體系中每一個(gè)公式、原理都蘊(yùn)含著豐富的力學(xué)意義和力學(xué)思想，都是對(duì)數(shù)學(xué)原理的一種揭示，因此可以從自然規(guī)律、數(shù)學(xué)原理的角度去解釋，并結(jié)合具體的實(shí)例，從應(yīng)用層面解讀。同時(shí)可以基于某一個(gè)大的框架題目下，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)問(wèn)題并給出相應(yīng)的解決策略，學(xué)生通過(guò)對(duì)問(wèn)題的理解，然后質(zhì)疑、相互討論、交流與溝通得到解答。老師在該過(guò)程中主要起到引導(dǎo)作用。在課程體系的設(shè)置中，增加力學(xué)課程與其他專業(yè)課程的相關(guān)性的以及力學(xué)課程在未來(lái)的應(yīng)用前景的講解，形成同時(shí)兼具廣度和深度的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程體系（圖3），從而達(dá)到學(xué)生具有較強(qiáng)的求真創(chuàng)新精神，廣闊的國(guó)際視野，良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神與有效的溝通交流能力。

圖3 教學(xué)體系的重構(gòu)

3.教學(xué)模式的重構(gòu)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式，受困于灌輸色彩濃厚的講授法，學(xué)生和老師均進(jìn)入倦怠期。一方面引入對(duì)分課堂[10]，將課堂有機(jī)的分割，保留傳統(tǒng)的講授式課堂教學(xué)的同時(shí)，加入討論式教學(xué)，二者之間合理地分配，重新設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容與教案，重視先教后學(xué)，權(quán)責(zé)對(duì)分，重新定義課堂和師生關(guān)系，使教學(xué)活動(dòng)回歸到教與學(xué)雙主體的雙邊良性互動(dòng)。在每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的初期教師擔(dān)任課堂教學(xué)過(guò)程的引導(dǎo)者，主要是統(tǒng)領(lǐng)全局，給學(xué)生建立起課程的整體框架和點(diǎn)出重點(diǎn)；在學(xué)生獨(dú)立消化學(xué)習(xí)階段，老師又擔(dān)負(fù)起內(nèi)化過(guò)程的評(píng)價(jià)者；討論課程，并不是學(xué)生的自由討論，而是老師整體把控討論過(guò)程，擔(dān)負(fù)著組織者和協(xié)調(diào)者的身份；而學(xué)生是也不僅是講授過(guò)程的接受者，同時(shí)也是知識(shí)的發(fā)現(xiàn)者和交流者。學(xué)生在教師的充分指導(dǎo)下，充分發(fā)揮自主課堂的潛力，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力，使學(xué)生逐步走向自發(fā)、積極的學(xué)習(xí)。另一方面，引入企業(yè)講師進(jìn)課堂的教學(xué)模式，打造校企合作課，每學(xué)期將2～3次課交給校外講師，從用人單位的需求角度，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行講解，彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程理論與實(shí)際脫節(jié)的缺陷，從教學(xué)模式上實(shí)現(xiàn)校企聯(lián)合，協(xié)同育人。新工科教學(xué)模式亦可以結(jié)合雨課堂、超星學(xué)習(xí)通等現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，引導(dǎo)課堂從注重老師的 “教” 向注重學(xué)生的 “學(xué)” 轉(zhuǎn)化，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

課外，充分發(fā)揮在線開(kāi)放課程作用，結(jié)合優(yōu)質(zhì)在線開(kāi)放課程資源、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、BIM 技術(shù)，豐富學(xué)生學(xué)習(xí)的多樣性，將原本單一的教與學(xué)的方案，重構(gòu)為強(qiáng)化系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)的能力。目前我校已上線了四門結(jié)構(gòu)力學(xué)及相關(guān)在線開(kāi)發(fā)課程，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的同時(shí)，還需要完成慕課相關(guān)的在線學(xué)習(xí)、問(wèn)答和討論。從而將教學(xué)內(nèi)容分解為課堂教學(xué)、學(xué)生自學(xué)、學(xué)生研討和學(xué)生參與課題幾部分構(gòu)成，每學(xué)期設(shè)置3～5 次的研討課，全方位培養(yǎng)學(xué)生的跨界整合能力和系統(tǒng)性思考能力，實(shí)現(xiàn)新工科背景下基礎(chǔ)課的改革。在結(jié)構(gòu)力學(xué)融合創(chuàng)新課程體系建設(shè)的應(yīng)用中，強(qiáng)化師生深度互動(dòng)與啟發(fā)式研究型教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)從原來(lái)的單向輸出、到一問(wèn)一答、再到互動(dòng)、質(zhì)疑甚至辯論逐級(jí)遞進(jìn)關(guān)系模式的教學(xué)模式。在課堂中也邀請(qǐng)具有工程背景的專業(yè)課老師一同授課、以實(shí)體作為依托，以成果目標(biāo)為導(dǎo)向，建立以課堂教學(xué)為中心、慕課，微課，研討課輔助為一體的多元化教學(xué)模式。

圖4 對(duì)分課堂

圖5 多元化教學(xué)模式

4.評(píng)價(jià)體系的重構(gòu)

以往的基于分?jǐn)?shù)的單一評(píng)價(jià)模式，只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)答案，越來(lái)越難激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新，最終也只能導(dǎo)致學(xué)生迷戀分?jǐn)?shù)，重構(gòu)評(píng)價(jià)體系勢(shì)在必行。首先作業(yè)的設(shè)置，應(yīng)從個(gè)人能力的知識(shí)應(yīng)用入手，通過(guò)與專業(yè)課老師進(jìn)行深入探討，提出具有實(shí)際工程意義的題目，使學(xué)生能了解作業(yè)的工程背景，緊密聯(lián)系接續(xù)課程，從而學(xué)生能夠受到作業(yè)題目的啟發(fā)，結(jié)合逆向教學(xué)法，可以在課程之初，先行布置若干作業(yè)，以目標(biāo)為導(dǎo)向，結(jié)合課堂學(xué)習(xí)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)、查閱文獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。從課程的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，隨著課程中設(shè)置的題目難度逐漸增加，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣也逐漸激發(fā)，解決問(wèn)題的實(shí)際能力隨之提高。除了力學(xué)基本訓(xùn)練的相關(guān)作業(yè)，同時(shí)設(shè)置少部分沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案的開(kāi)放性作業(yè)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)基本條件，自行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案并分析計(jì)算，從而對(duì)創(chuàng)新能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。其次，從課程考核方式入手，突出過(guò)程性考核，并關(guān)注學(xué)生差異性的學(xué)習(xí)需求，作業(yè)批改以質(zhì)量和態(tài)度為導(dǎo)向，科學(xué)合理地設(shè)置成績(jī)等級(jí)。落實(shí)到結(jié)構(gòu)力學(xué)這門課程，可細(xì)化為：課堂綜合表現(xiàn)評(píng)價(jià)（包括出勤、作業(yè)、課堂互動(dòng)）、課外集體協(xié)作評(píng)價(jià)（小組討論、匯報(bào)、完成情況）、工程結(jié)合能力評(píng)價(jià)（結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)，在線開(kāi)放課程討論的完成情況）、實(shí)踐創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)（用力學(xué)知識(shí)對(duì)實(shí)際生活中的具體問(wèn)題進(jìn)行分析、一題多解、優(yōu)化設(shè)計(jì)等）、課程考核分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)（測(cè)驗(yàn)、考試） 這五部分構(gòu)成，考評(píng)的方法不僅包括老師打分，還包括小組內(nèi)部的互相打分。對(duì)幾方面綜合考評(píng)，最終得到每一個(gè)同學(xué)的成績(jī)，建立起更加科學(xué)合理的評(píng)價(jià)體系。

圖6 綜合成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系

三、人文關(guān)懷與工程倫理

一直以來(lái)，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程以力學(xué)公式、理論推導(dǎo)為主題，具有較強(qiáng)的工學(xué)特征，缺失了人文關(guān)懷與工程倫理的滲透。對(duì)于土木工程的學(xué)生，畢業(yè)后基本都要從事工程技術(shù)相關(guān)工作，堅(jiān)守道德底線，發(fā)展健全人格，對(duì)于社會(huì)的發(fā)展具有重要意義。目前結(jié)構(gòu)力學(xué)課程對(duì)于工程倫理的引入大多采用倫理講授和典型案例分析，獨(dú)立成節(jié)，與教學(xué)內(nèi)容關(guān)聯(lián)較少。因此，課程中嘗試角色扮演，分別從項(xiàng)目發(fā)起者、工程具體設(shè)計(jì)者、工程使用者三個(gè)視角帶入，從不同角度審視自己、理解他人，引導(dǎo)學(xué)生從多視角理解自己工作意義,塑造未來(lái)工程師“關(guān)愛(ài)生命、尊重公平” 的可持續(xù)發(fā)展價(jià)值觀，達(dá)到優(yōu)化工程人才培養(yǎng)的目的。

將人文元素融入到課堂中，一方面有助于提升學(xué)生的整體素質(zhì)，同時(shí)可以在知識(shí)點(diǎn)的穿插中起到緩沖的作用。例如：在講授多跨梁一章時(shí)，可融入介紹茅以升修建錢塘江大橋的艱辛，如何在戰(zhàn)火紛飛年代，克服種種技術(shù)難題，修建—炸毀—重建的全過(guò)程，體現(xiàn)以人為本的人文精神；在講授動(dòng)力學(xué)一章地震荷載時(shí)，介紹劉恢先在邢臺(tái)地震期間，不畏連續(xù)發(fā)生的多次破壞性地震，率領(lǐng)研究人員深入地震災(zāi)區(qū)，采集了大量的珍貴數(shù)據(jù)資料，為抗震設(shè)計(jì)提供第一手的數(shù)據(jù)。在講授矩陣位移法一章時(shí)，可引入龍馭球編寫《有限元法概論》 查閱各種雜志，自主鉆研的故事。學(xué)習(xí)老一輩科學(xué)家們愛(ài)國(guó)、敬業(yè)、專注，勇攀高峰追求卓越的精神，啟發(fā)學(xué)生求是、求真、求業(yè)，引導(dǎo)正確的價(jià)值觀，將立德樹(shù)人融入到點(diǎn)滴教學(xué)。

四、結(jié)語(yǔ)

在新工科背景下，充分發(fā)揮理論到實(shí)踐的融合作用，以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力作為課堂教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。從力學(xué)思維、教學(xué)體系、教學(xué)方法、課程評(píng)價(jià)三方面進(jìn)行重構(gòu)，努力提高結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具有扎實(shí)力學(xué)功底的新工科人才，以適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，同時(shí)也為其他課程的新工科建設(shè)提供參考。