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(shí)踐能力，針對(duì)“結(jié)構(gòu)力學(xué)”傳統(tǒng)教學(xué)課程內(nèi)容缺乏時(shí)代特征、教學(xué)互動(dòng)性及多樣性等諸多問題，對(duì)“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的教學(xué)方法進(jìn)行探討。在有條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程現(xiàn)場授課，形成與課堂授課互補(bǔ)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(dòng);建立互聯(lián)網(wǎng)知識(shí)共享平臺(tái)，方便學(xué)生在線學(xué)習(xí)和師生及時(shí)溝通。教學(xué)結(jié)果表明，工程思維導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)，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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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

[基金項(xiàng)目] 2017年度天津城建大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)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(shí)踐”（JG-YBZ-1709）;2019年度山東省研究生教育質(zhì)量提升計(jì)劃項(xiàng)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(dòng)試驗(yàn)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(dòng)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(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 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(qiáng)的基礎(chǔ)課程，同時(shí)“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(jì)原理”“橋梁工程”等諸多專業(yè)課的基礎(chǔ)。“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程在整個(gè)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(shí)，而且也為課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)實(shí)踐課提供理論基礎(chǔ)和計(jì)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(qiáng)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(shí)被大幅削減，在實(shí)際教學(xué)計(jì)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(duì)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(shí)內(nèi)掌握大量信息并非一件易事，同時(shí)枯燥的力學(xué)知識(shí)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(shí)的縮減，使教師對(duì)授課大綱和講解內(nèi)容進(jìn)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(huì)“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(shí)、工程思維培養(yǎng)的矛盾。

由于“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程特點(diǎn)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(shí)代特征和靈活性;（2）教學(xué)過程缺乏互動(dòng)性和針對(duì)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(duì)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(qiáng)，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(dòng)性有待加強(qiáng);（2）知識(shí)學(xué)習(xí)僵化，知識(shí)點(diǎn)難以融會(huì)貫通，只會(huì)做題不會(huì)分析;（3）學(xué)習(xí)缺乏批判性，面對(duì)公式死記硬背，對(duì)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(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。

雖然，很多高校教師提出了一些針對(duì)“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(jì)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(shí)際特點(diǎn)，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(shí)，強(qiáng)化學(xué)生綜合運(yùn)用力學(xué)知識(shí)解決實(shí)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(duì)于滿足新時(shí)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)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(qiáng)化學(xué)生的工程思維，同時(shí)，多渠道、多維度也能夠更好地結(jié)合時(shí)代特征與工程實(shí)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(jì)，要將傳統(tǒng)課堂教學(xué)疊加課下教學(xué)，并補(bǔ)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(jìn)，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(jì)總體路線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）教學(xué)設(shè)計(jì)方法

教學(xué)設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)于典型工程案例，結(jié)合力法和位移法進(jìn)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(shí)，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(jì)成結(jié)構(gòu)電算的形式，并納入課程評(píng)價(jià)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(huì)起到事半功倍的效果，或者將“結(jié)構(gòu)力學(xué)”與“認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)”“生產(chǎn)實(shí)習(xí)”等實(shí)踐課相結(jié)合，使實(shí)習(xí)過程成為“結(jié)構(gòu)力學(xué)”指導(dǎo)下的理論聯(lián)系實(shí)踐過程。同時(shí)，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(tái)。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(shí)平臺(tái)之外，建議開發(fā)互動(dòng)性教學(xué)平臺(tái)，建立與學(xué)生持續(xù)溝通、隨時(shí)答疑的機(jī)制。

四、教學(xué)實(shí)踐與效果檢驗(yàn)

（一）教學(xué)實(shí)踐

結(jié)合多年“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)實(shí)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(tuán)隊(duì)圍繞道路橋梁與渡河工程、工程管理等專業(yè)進(jìn)行了多輪次教學(xué)實(shí)踐和研討，將具體教學(xué)實(shí)踐過程總結(jié)如下。

1.以不同結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)為基礎(chǔ)引申實(shí)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(shí)際上是對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖的學(xué)習(xí)，是簡化后的力學(xué)計(jì)算模型。學(xué)生在計(jì)算簡圖的學(xué)習(xí)過程中，容易對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)認(rèn)識(shí)不強(qiáng)，難以從實(shí)際工程中抽象出力學(xué)模型。在學(xué)習(xí)各種結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)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(jì)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(shí)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(jī)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(jì)算分析能力，并結(jié)合結(jié)構(gòu)競賽進(jìn)行專項(xiàng)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(shí)踐內(nèi)容，使教學(xué)更貼近工程實(shí)踐。結(jié)構(gòu)模型競賽是教學(xué)與工程實(shí)踐較完美的結(jié)合，實(shí)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(píng)價(jià)體系。定期舉辦結(jié)構(gòu)模型競賽，將所有學(xué)生進(jìn)行分組，并鼓勵(lì)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(jìn)，深化對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，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(shí)踐能力，最終達(dá)到研究和創(chuàng)新能力的提高。

4.在有條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程現(xiàn)場授課，形成與教室授課互補(bǔ)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(jìn)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(jì)南二仙橋（拱橋）、濟(jì)南黃河大橋（斜拉橋）等，有目的地深入實(shí)際工程現(xiàn)場講解相關(guān)知識(shí)，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(shí)平臺(tái)，方便學(xué)生在線學(xué)習(xí)和師生及時(shí)溝通。利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的交互式教學(xué)環(huán)境，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)在課前預(yù)習(xí)、課堂討論，以及課后知識(shí)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(jì)案例及其施工視頻;開發(fā)結(jié)構(gòu)力學(xué)線上共享互動(dòng)平臺(tái)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在微信公眾平臺(tái)上開發(fā)運(yùn)維結(jié)構(gòu)力學(xué)主題微信公眾號(hào)，并定期上傳“結(jié)構(gòu)力學(xué)”授課重點(diǎn)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(shí)在公眾號(hào)上完成課前的科學(xué)預(yù)習(xí)和課后的查漏補(bǔ)缺，師生建立長期有效互動(dòng)，與教室課堂教學(xué)形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

（二）效果檢驗(yàn)

工程思維導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)可以充分利用啟發(fā)式教學(xué)，在授課中加強(qiáng)工程思維培養(yǎng)環(huán)節(jié)，并結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)工程進(jìn)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(shí)，進(jìn)一步有意識(shí)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(yàn)及學(xué)生的反饋來看，工程思維導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)，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(jì)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(jìn)。三位一體教學(xué)過程要貫穿整個(gè)“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程體系，甚至打破原有的教學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程的主動(dòng)化。工程思維導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)，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(diǎn)，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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