丁勝勇　崔先澤　陳露

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué);新工科;線(xiàn)上教學(xué);理論與實(shí)踐

為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革引發(fā)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)，2017年起教育部開(kāi)始積極推進(jìn)新工科建設(shè)，掀起了我國(guó)高等工程教育的質(zhì)量革命。從狹義的角度來(lái)理解，新工科是指人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興專(zhuān)業(yè)，但新工科作為一個(gè)系統(tǒng)工程，系統(tǒng)中各專(zhuān)業(yè)并不孤立存在，而是相互關(guān)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)不可分割的整體，傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)的升級(jí)與改造仍是新工科建設(shè)重要組成部分之一。結(jié)構(gòu)力學(xué)是傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，其任務(wù)是研究桿件結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律和受力性能，主要根據(jù)力學(xué)原理分析在外荷載和其他因素作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，并要求學(xué)生通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，能夠具備一定運(yùn)用相關(guān)計(jì)算方法解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。結(jié)構(gòu)力學(xué)向前對(duì)接學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)，向后進(jìn)行專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，在培養(yǎng)體系中起到承前啟后的橋梁與紐帶作用。由于結(jié)構(gòu)力學(xué)本身具有理論和應(yīng)用雙重屬性，對(duì)學(xué)生來(lái)講，除了需要具有扎實(shí)的數(shù)理學(xué)基礎(chǔ)，還要有一定的工程實(shí)踐積累。受限于當(dāng)前各種主客觀(guān)因素，現(xiàn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)多側(cè)重于圍繞理論知識(shí)進(jìn)行課堂教學(xué)，在工程實(shí)踐結(jié)合方面的力度卻稍顯不足，這顯然與培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)知識(shí)扎實(shí)、工程能力嫻熟、創(chuàng)新意識(shí)較強(qiáng)的新工科人才的目標(biāo)還存在一定差距。當(dāng)前，信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展推動(dòng)著傳統(tǒng)行業(yè)革命性的變革，教育行業(yè)也不例外。以新工科建設(shè)為契機(jī)，融入新工科理念，探索適合的線(xiàn)上和線(xiàn)下結(jié)合的教學(xué)模式，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程教學(xué)進(jìn)行豐富和完善，無(wú)疑對(duì)提高結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和效果具有積極意義。

一、互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

在現(xiàn)代信息社會(huì)，互聯(lián)網(wǎng)具有傳遞性、自由性、實(shí)時(shí)性、交換性、共享性、開(kāi)放性等特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化技術(shù)已滲透到社會(huì)的各個(gè)方面，在人們的學(xué)習(xí)和生活中發(fā)揮著不可替代的重要作用。

（一）互聯(lián)網(wǎng)能夠?yàn)榻虒W(xué)提供更新更全的資源

互聯(lián)網(wǎng)的重要功能是資源的共享和分享，利用這一功能學(xué)生都能方便地在網(wǎng)上獲取課程視頻、參考文獻(xiàn)及開(kāi)源的計(jì)算程序代碼和軟件等學(xué)習(xí)資源。同時(shí)，學(xué)生也能將好的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)工具和學(xué)習(xí)資料分享給其他人，這極大擴(kuò)充了學(xué)生獲取知識(shí)的渠道，有利于強(qiáng)化學(xué)生的主體地位。

（二）互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)學(xué)生的智慧管理

利用線(xiàn)上平臺(tái)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行全過(guò)程管理和評(píng)價(jià)，包括課前預(yù)習(xí)評(píng)價(jià)和測(cè)評(píng)反饋、課堂實(shí)時(shí)檢測(cè)評(píng)價(jià)和即時(shí)反饋、課后作業(yè)評(píng)價(jià)和跟蹤反饋，實(shí)現(xiàn)即時(shí)、動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)診斷分析評(píng)價(jià)和信息反饋。教師能根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及時(shí)采取對(duì)策，有利于發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。

（三）互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠打破時(shí)間和空間的局限

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最直接的教學(xué)手段是線(xiàn)上教學(xué)?；诰W(wǎng)絡(luò)環(huán)境的線(xiàn)上教學(xué)，打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)在時(shí)間和空間上的限制，使教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間、教師與教師之間的交流變得更加靈活方便。通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的互動(dòng)性，線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)既方便了教師的教和學(xué)生的學(xué)，也促進(jìn)了學(xué)生與學(xué)生之間、教師與教師之間的交流與合作。

二、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程線(xiàn)上與線(xiàn)下教學(xué)的比較

（一）結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中的線(xiàn)下教學(xué)

課堂教學(xué)中教師與學(xué)生“眼睛對(duì)眼睛”的交流，有利于教與學(xué)的互動(dòng)。教師從學(xué)生的課堂反應(yīng)中能及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒、對(duì)教學(xué)內(nèi)容理解的程度、出現(xiàn)的問(wèn)題及癥結(jié)等，易于及時(shí)采取相應(yīng)的對(duì)策，發(fā)揮教師的主導(dǎo)性。傳統(tǒng)教學(xué)方式可讓教師從不同的角度去幫助學(xué)生解讀一個(gè)概念或原理，既可很好地控制理論公式推導(dǎo)節(jié)奏的快慢，也可以邊講邊繪圖，抑揚(yáng)頓挫、突出重點(diǎn)、因材施教。理論性強(qiáng)的知識(shí)通常晦澀難懂，這種面對(duì)面的傳授，令學(xué)生的思維與教師同步，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有著重要的作用，這是任何現(xiàn)代技術(shù)所無(wú)法代替的，可見(jiàn)理論性強(qiáng)的內(nèi)容更適合采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)。

（二）結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中的線(xiàn)上教學(xué)

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的傳授不應(yīng)僅是理論知識(shí)的講授，聯(lián)系工程實(shí)踐的教學(xué)可讓學(xué)生有更直觀(guān)的感受和體驗(yàn)，更受學(xué)生的歡迎。學(xué)生汲取知識(shí)的過(guò)程如果僅通過(guò)理論學(xué)習(xí)，沒(méi)有針對(duì)性地實(shí)踐，因?yàn)槿狈?duì)工程實(shí)踐的感性認(rèn)識(shí)，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知多停留在識(shí)記的層次上，這些知識(shí)會(huì)隨時(shí)間的推移而被遺忘。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)教育的功能是強(qiáng)大的，它的活力體現(xiàn)在形象、生動(dòng)、逼真上。對(duì)于那些比較抽象、講授起來(lái)冗長(zhǎng)或難以用語(yǔ)言描述清楚的實(shí)踐性?xún)?nèi)容，若化靜態(tài)為動(dòng)態(tài)、化抽象為形象，采用動(dòng)態(tài)視頻、動(dòng)畫(huà)、照片和聲音等展示，有利于增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。此外，利用豐富的網(wǎng)絡(luò)教育資源，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻、仿真軟件模擬展示工程實(shí)際問(wèn)題，彌補(bǔ)課程或教材原有工程案例匱乏、陳舊的不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高工程實(shí)踐力。實(shí)踐性知識(shí)由于其內(nèi)容寬泛、形式多樣各異，更適合采用線(xiàn)上教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充。

三、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程線(xiàn)上教學(xué)與線(xiàn)下教學(xué)的結(jié)合

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的主要任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生從整個(gè)力學(xué)知識(shí)體系的角度，不斷加深、豐富對(duì)力學(xué)概念的理解，進(jìn)而初步具備結(jié)構(gòu)分析的能力。流光溢彩的上層建筑不能缺少樸實(shí)無(wú)華的基礎(chǔ)，只有力學(xué)基礎(chǔ)概念的加強(qiáng)才更有利于力學(xué)綜合能力的培養(yǎng)，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程仍需以傳統(tǒng)課堂教學(xué)為主。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)不應(yīng)僅立足于理論知識(shí)的傳授，還應(yīng)滿(mǎn)足學(xué)生后續(xù)從事專(zhuān)業(yè)工作、新項(xiàng)目研究、開(kāi)發(fā)和繼續(xù)學(xué)習(xí)的要求。若僅依靠時(shí)間和空間都受限制課堂教學(xué)，想把結(jié)構(gòu)力學(xué)課程學(xué)好學(xué)精，無(wú)論是對(duì)學(xué)生學(xué)，還是對(duì)教師教，都是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

三峽大學(xué)是一所省屬院校，以水利土木類(lèi)專(zhuān)業(yè)為特色專(zhuān)業(yè)，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程在學(xué)校水利土木類(lèi)專(zhuān)業(yè)自2000年起已開(kāi)設(shè)至今。長(zhǎng)期以來(lái)，由于學(xué)校教學(xué)資源有限，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程普遍采用大班授課，采用傳統(tǒng)的教學(xué)管理手段，教師往往難以準(zhǔn)確掌握班級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。另外，由于結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置龐大而昂貴，使得實(shí)驗(yàn)器材設(shè)備較少，器材人手不足，以多人為單位的小組實(shí)驗(yàn)也導(dǎo)致多數(shù)學(xué)生無(wú)法真正地參與實(shí)驗(yàn)。針對(duì)這些情況，單純依照已有教學(xué)模式并擴(kuò)大其規(guī)模并不合適，因?yàn)榭陀^(guān)上，學(xué)生人數(shù)過(guò)多，設(shè)備器材缺少的現(xiàn)狀難以短時(shí)間內(nèi)扭轉(zhuǎn)。通過(guò)利用線(xiàn)上教學(xué)對(duì)課堂教學(xué)提供輔助和進(jìn)行補(bǔ)充，可顯著提高結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和效果。

（一）線(xiàn)上教學(xué)對(duì)理論教學(xué)的輔助

（1）利用線(xiàn)上平臺(tái)將授課內(nèi)容中涉及的數(shù)理知識(shí)難點(diǎn)在課前推送給學(xué)生，讓學(xué)生在預(yù)習(xí)課程時(shí)做到有的放矢，從而提高課堂授課效率。例如，圖乘法是通過(guò)公式推導(dǎo)將兩個(gè)桿件彎矩乘積的積分轉(zhuǎn)換為兩個(gè)幾何量乘積的形式，整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程涉及的三個(gè)假設(shè)和靜矩的概念對(duì)應(yīng)著圖乘法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)注意的各種情況。將靜矩等知識(shí)難點(diǎn)提前推送給學(xué)生，有利于學(xué)生對(duì)圖乘法的特點(diǎn)和技巧的理解。

（2）利用網(wǎng)上資源豐富課堂教學(xué)的教學(xué)資料，幫助課堂上講清理論知識(shí)的來(lái)龍去脈，讓學(xué)生明確力學(xué)知識(shí)背后的實(shí)際工程問(wèn)題。例如，結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度校核，通過(guò)引入實(shí)際生活中因結(jié)構(gòu)剛度失效導(dǎo)致工程事故，讓學(xué)生知道剛度校核的重要性，培養(yǎng)學(xué)生的工程安全責(zé)任意識(shí)。此外，拱壩、拱橋等設(shè)計(jì)涉及合理拱軸線(xiàn)的計(jì)算，廠(chǎng)房、平板橋等設(shè)計(jì)涉及連續(xù)多跨梁的計(jì)算，通過(guò)科普視頻向?qū)W生普及一些典型工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，讓學(xué)生知道所學(xué)的力學(xué)知識(shí)將來(lái)有什么用，以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，來(lái)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（3）通過(guò)線(xiàn)上平臺(tái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行簽到，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生到課率的管理。同時(shí)，在授課過(guò)程中利用線(xiàn)上的隨堂測(cè)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的聽(tīng)課效果進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)情況，及時(shí)更改教學(xué)方式、調(diào)整教學(xué)方案等。在課后針對(duì)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的知識(shí)補(bǔ)充，將與課程內(nèi)容相關(guān)的課后作業(yè)推送給學(xué)生進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，鼓勵(lì)學(xué)生之間通過(guò)線(xiàn)上平臺(tái)對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行交流討論、對(duì)課后作業(yè)進(jìn)行互評(píng)。通過(guò)線(xiàn)上平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的全過(guò)程智慧管理，全面提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。

（二）線(xiàn)上教學(xué)對(duì)實(shí)踐教學(xué)的補(bǔ)充

（1）結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的對(duì)象主要是工程結(jié)構(gòu)，這些工程結(jié)構(gòu)的形式很多（包括梁、桁架、剛架、拱與組合結(jié)構(gòu)等），它們的聯(lián)結(jié)方式也各不相同。結(jié)構(gòu)形式和組成的多樣性使得結(jié)構(gòu)力學(xué)解題方法靈活多樣、技巧性強(qiáng)，對(duì)結(jié)構(gòu)組成分析的不熟練常造成學(xué)生面對(duì)一個(gè)新的結(jié)構(gòu)時(shí)不知從何下手。在學(xué)習(xí)幾何組成分析這一章內(nèi)容時(shí)，向?qū)W生推薦一些力學(xué)與土木工程相關(guān)的應(yīng)用（游戲）。這些應(yīng)用一般通過(guò)不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)保證設(shè)計(jì)的可行性來(lái)闖關(guān)，使學(xué)生在娛樂(lè)的同時(shí)，從實(shí)踐中積累結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，加深對(duì)結(jié)構(gòu)幾何組成的認(rèn)識(shí)。

（2）從工程實(shí)踐的角度來(lái)看，結(jié)構(gòu)力學(xué)能力的培養(yǎng)不應(yīng)停留在對(duì)結(jié)構(gòu)定量計(jì)算能力的培養(yǎng)，更為重要的是對(duì)結(jié)構(gòu)定性分析能力的培養(yǎng)。結(jié)構(gòu)定性分析能力需要學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力等結(jié)果中發(fā)生的現(xiàn)象或出現(xiàn)的問(wèn)題能夠做出迅速科學(xué)判斷。為提高學(xué)生的結(jié)構(gòu)定性分析能力，利用線(xiàn)上平臺(tái)搭建結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖題庫(kù)，供學(xué)生練習(xí)和研究討論。同時(shí)，每學(xué)期定時(shí)組織結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖競(jìng)賽，在競(jìng)賽中要求學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)完成大量結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖的繪制。通過(guò)內(nèi)力圖競(jìng)賽的常態(tài)化將結(jié)構(gòu)定性分析的內(nèi)容融入結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)過(guò)程之中。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是學(xué)生實(shí)現(xiàn)力學(xué)理論知識(shí)向工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化的重要平臺(tái)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，學(xué)生根據(jù)結(jié)構(gòu)所受荷載和邊界條件的情況，對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在模型設(shè)計(jì)階段，學(xué)生需要對(duì)結(jié)構(gòu)的組成和形式進(jìn)行不斷調(diào)整，采用經(jīng)典手算的辦法耗時(shí)費(fèi)力。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的興起，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算普遍采用計(jì)算機(jī)求解。在結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)中，補(bǔ)充上機(jī)試驗(yàn)內(nèi)容，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器或有限元分析軟件等，演示結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算機(jī)求解過(guò)程，使學(xué)生了解結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法最新發(fā)展趨勢(shì)，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面等。

（4）結(jié)構(gòu)力學(xué)作為部分工科專(zhuān)業(yè)的公共基礎(chǔ)課，結(jié)構(gòu)力學(xué)的教師常常會(huì)面對(duì)不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，受教師自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)、知識(shí)儲(chǔ)備和擁有的教學(xué)資源的限制，對(duì)不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行差異化的專(zhuān)業(yè)性實(shí)踐學(xué)習(xí)引導(dǎo)的要求是難以達(dá)到的。此外，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教師與其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)課教師之間缺乏溝通渠道，基本上各自為戰(zhàn)，客觀(guān)上進(jìn)一步造成了理論與實(shí)踐前后內(nèi)容脫節(jié)、知識(shí)銜接困難。利用線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)加強(qiáng)各課程教師之間的交流合作，讓其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)課教師提前參與到結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)過(guò)程，可促進(jìn)教師之間的教學(xué)資源整合，減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，例如，不同專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課教師可在學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程時(shí)向其提供相應(yīng)專(zhuān)業(yè)的工程實(shí)踐案例，這樣既可豐富結(jié)構(gòu)力學(xué)課程本身的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，又讓學(xué)生提前接觸到本專(zhuān)業(yè)的工程實(shí)踐問(wèn)題，提高專(zhuān)業(yè)課教師講授專(zhuān)業(yè)課時(shí)的效率。

結(jié)語(yǔ)

新工科建設(shè)的提出，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程教學(xué)提出了新的要求。結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)除了要完成基本理論知識(shí)的傳授，還應(yīng)根據(jù)學(xué)校特色與定位，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力，為學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。將線(xiàn)上教學(xué)作為一種輔助和補(bǔ)充手段，彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)的短板，可更好地幫助學(xué)生完成從力學(xué)基礎(chǔ)到專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的過(guò)渡。在后續(xù)的教學(xué)工作中，將利用線(xiàn)上教學(xué)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)做進(jìn)一步的豐富和完善，繼續(xù)對(duì)課程線(xiàn)上教學(xué)與線(xiàn)下教學(xué)的結(jié)合方式進(jìn)行實(shí)踐和探索，以期能夠?qū)Y(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革的研究工作提供一些有益的參考和建議。

作者簡(jiǎn)介：丁勝勇（1987— ），男，博士，講師，研究方向：結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教育教學(xué)研究。