張樹光　余文成　張研　唐麗華

摘? 要：土木工程專業(yè)是涉及從業(yè)領(lǐng)域較多和工程實(shí)踐性很強(qiáng)的工科專業(yè)，工程力學(xué)是土木工程專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過推行課堂教學(xué)-實(shí)驗(yàn)教學(xué)-數(shù)值實(shí)驗(yàn)一體化教學(xué)體系，搭建力學(xué)教研室、專業(yè)教研室、土木工程實(shí)驗(yàn)室和土木仿真實(shí)訓(xùn)中心協(xié)同運(yùn)行的工程力學(xué)教學(xué)平臺，將工程力學(xué)融入土木工程專業(yè)學(xué)生的主題活動(dòng)、創(chuàng)新思維、能力訓(xùn)練和學(xué)科競賽的全過程，在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力和增強(qiáng)創(chuàng)新意識方面取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力;工程力學(xué);土木工程;教學(xué)平臺;能力培養(yǎng)

中圖分類號：C961? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）05-0049-04

Abstract： Civil engineering is an engineering major that involves many fields and has strong engineering practice. Engineering Mechanics is the most important basic course for civil engineering major. The integrated teaching system of classroom teaching-experiment teaching-numerical experiment is reformed， and an Engineering Mechanics teaching platform is set up for the collaborative operation of mechanics teaching and research office， specialized teaching and research office， civil engineering laboratory and civil simulation and training center. By integrating Engineering Mechanics into the whole process of subject activities， innovative thinking， ability training and discipline competition of students majoring in civil engineering， good results have been achieved in cultivating students' innovative ability and enhancing their consciousness of innovation.

Keywords： innovation ability; Engineering Mechanics; civil engineering; teaching platform; ability training

高等院校作為國家創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和儲備的主要場所，肩負(fù)著國家未來興衰榮辱的重要使命，深化高等教育創(chuàng)新創(chuàng)意改革，已經(jīng)被提升到人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略層面[1]。近年來，教育部相繼實(shí)施了“雙一流”和“雙萬計(jì)劃”建設(shè)方案，旨在推動(dòng)我國由高等教育大國向高等教育強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，全面提升高等教育綜合實(shí)力和人才培養(yǎng)質(zhì)量。就人才培養(yǎng)質(zhì)量而言，構(gòu)建科學(xué)合理的課程體系與專業(yè)結(jié)構(gòu)、適應(yīng)新時(shí)代的教學(xué)理念與教學(xué)方法、注重實(shí)效的創(chuàng)新實(shí)踐與實(shí)踐能力等已成為高等院校人才培養(yǎng)的核心任務(wù)。針對我國高校大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)普遍存在的“大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的意識與動(dòng)力不足、社會與家庭的支持力度不夠、國家高等教育的應(yīng)試化特征明顯”等問題[2]，全面培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力和增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，是我國高等教育面臨的重大任務(wù)，也是新時(shí)代高等教育綜合改革的必然要求。

一、大學(xué)生創(chuàng)新能力要素

創(chuàng)新能力宏觀上來說是產(chǎn)生新思想、創(chuàng)造新事物的能力，一般意義上的大學(xué)生創(chuàng)新能力具備知識結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)和素質(zhì)結(jié)構(gòu)三要素[3]。通過學(xué)習(xí)和應(yīng)用知識、發(fā)現(xiàn)和分析問題、提出和論證假設(shè)、掌握和創(chuàng)新知識等環(huán)節(jié)的往復(fù)循環(huán)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生積極向上的學(xué)習(xí)心態(tài)及獲取和創(chuàng)造知識的能力。侯錫林等[4-5]結(jié)合我國高等教育的實(shí)際，圍繞創(chuàng)新意識、知識基礎(chǔ)、創(chuàng)新技能和創(chuàng)新成果四個(gè)方面，構(gòu)建了學(xué)術(shù)型研究生創(chuàng)新能力評價(jià)指標(biāo)體系，這四個(gè)評價(jià)維度對大學(xué)生也具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，廣大高校教師和教育工作者開展了廣泛的探索與實(shí)踐，提出了采用“三全育人”實(shí)踐平臺[6]、項(xiàng)目教學(xué)法[7]、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[8]、依托學(xué)科競賽[9]等多種模式的教學(xué)改革，從課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和課外競賽活動(dòng)等方面為大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)搭建平臺，激發(fā)學(xué)生由內(nèi)而外自發(fā)的積極主動(dòng)去思考和創(chuàng)意的活力。在這些改革與實(shí)踐中，培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知探求能力、發(fā)散思辨能力、實(shí)踐創(chuàng)新技能和塑造成才意識等尤為必要，這些能力素養(yǎng)應(yīng)貫穿于人才培養(yǎng)的全過程。

二、土木工程專業(yè)特點(diǎn)

土木工程專業(yè)培養(yǎng)掌握土木工程學(xué)科的基本理論和基本知識，能在房屋建筑、地下建筑、道路、隧道、橋梁建筑、水電站、港口及近海結(jié)構(gòu)與設(shè)施、地基處理等領(lǐng)域從事規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理和研究工作的高級工程技術(shù)人才。土木工程專業(yè)的課程體系通常由通識教育模塊、專業(yè)基礎(chǔ)模塊、專業(yè)課群組和實(shí)踐模塊組成。通識教育模塊主要是思政、數(shù)學(xué)、物理、外語和計(jì)算機(jī)等方面的知識;專業(yè)基礎(chǔ)模塊主要是工程力學(xué)、巖土工程和結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的基本理論和知識;專業(yè)課群組主要分為房屋建筑、道路橋梁、地下建筑和巖土工程等專業(yè)方向;實(shí)踐模塊主要包括課程實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。由此可見，土木工程專業(yè)是涉及從業(yè)領(lǐng)域較多和工程實(shí)踐性很強(qiáng)的工科專業(yè)。

土木工程專業(yè)是一個(gè)富有空間想象力，強(qiáng)調(diào)嚴(yán)謹(jǐn)性、綜合性和實(shí)踐性的專業(yè)，我國的珠港澳大橋、中國天眼、上海中心大廈、中央電視臺新樓等諸多璀璨建筑都是人類智慧的結(jié)晶，無不彰顯著土木工程的創(chuàng)造力和想象力，印證著工程力學(xué)是土木工程建造靈魂的美譽(yù)。工程力學(xué)課程作為土木工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程起承上啟下的紐帶作用[10]。土木工程專業(yè)的工程力學(xué)課程一般安排在大學(xué)二年級和三年級，包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算力學(xué)等，這些力學(xué)課程是土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課的骨架和專業(yè)課的支撐，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類課程的核心內(nèi)容和學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)。

三、工程力學(xué)教學(xué)平臺

桂林理工大學(xué)土木工程專業(yè)為國家一流專業(yè)和國家工程教育認(rèn)證專業(yè)，設(shè)有建筑工程、道路橋梁工程、巖土工程和地下建筑工程四個(gè)專業(yè)方向，始終堅(jiān)持“厚基礎(chǔ)，寬口徑，重實(shí)踐”的人才培養(yǎng)理念，在廣西一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目的支持下不斷充實(shí)內(nèi)涵建設(shè)，形成了力學(xué)教研室、專業(yè)教研室、土木工程實(shí)驗(yàn)室和土木仿真實(shí)訓(xùn)中心協(xié)同運(yùn)行的工程力學(xué)教學(xué)平臺。

工程力學(xué)教學(xué)平臺分為課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)兩個(gè)單元。課程教學(xué)單元由力學(xué)教研室和專業(yè)教研室負(fù)責(zé)，其中，力學(xué)教研室負(fù)責(zé)理論力學(xué)、彈性力學(xué)和材料力學(xué)的教學(xué)任務(wù)，專業(yè)教研室負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖土力學(xué)和計(jì)算力學(xué)的教學(xué)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)單元由土木工程實(shí)驗(yàn)室和土木仿真實(shí)訓(xùn)中心組成，其中，土木工程實(shí)驗(yàn)室包括力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、建材實(shí)驗(yàn)室、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室和巖土實(shí)驗(yàn)室，分別承擔(dān)了材料力學(xué)、土木工程材料、結(jié)構(gòu)力學(xué)和巖土力學(xué)的課程實(shí)驗(yàn)，土木仿真實(shí)訓(xùn)中心由數(shù)值實(shí)驗(yàn)室和BIM中心組成，安裝了ANSYS、ABAQUS、COMSOL、FLAC、RFPA和BIM等軟件，承擔(dān)組合結(jié)構(gòu)計(jì)算、工程穩(wěn)定性分析、巖體破壞過程模擬和建筑信息化設(shè)計(jì)等創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新訓(xùn)練和學(xué)科競賽等方面提供了有力支撐。

四、創(chuàng)新能力培養(yǎng)改革與實(shí)踐

（一）工程力學(xué)與主題活動(dòng)

土木工程專業(yè)低年級學(xué)生主要學(xué)習(xí)通識類課程，專業(yè)基礎(chǔ)課僅學(xué)習(xí)了土木工程概論和土木工程材料兩門課程，尚未接觸真正的專業(yè)課，對專業(yè)的認(rèn)知還處于培養(yǎng)興趣階段。通過學(xué)習(xí)理論力學(xué)和材料力學(xué)等工程力學(xué)方面的課程，初步掌握經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)知識、理論體系和處理力學(xué)問題的一般方法，掌握了材料的拉、壓、扭、剪等力學(xué)性能，對工程力學(xué)對土木工程專業(yè)的重要性認(rèn)識尚缺乏。為了激發(fā)他們的創(chuàng)造力和想象力，深化對力學(xué)課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理解，增強(qiáng)土木類專業(yè)和建筑類專業(yè)學(xué)生的交流，學(xué)院策劃了“土建砼話”和“建造節(jié)”等低年級學(xué)生可參加的比賽，通過搭建建筑感受工程材料性能和基本的力學(xué)計(jì)算，在感受建筑魅力的同時(shí)，也在建造失敗中感受工程力學(xué)的重要性，增強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)知能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的內(nèi)動(dòng)力（圖1）。

（二）工程力學(xué)與創(chuàng)新思維

土木工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)三年級后，彈性力學(xué)、巖土力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課給學(xué)生帶來較大的學(xué)習(xí)壓力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性尤為關(guān)鍵，否則容易挫傷基礎(chǔ)差的學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在工程力學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐中，我們推行了課堂教學(xué)-實(shí)驗(yàn)教學(xué)-數(shù)值實(shí)驗(yàn)一體化教學(xué)體系，即：課堂教學(xué)講授知識點(diǎn)、課程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論知識、數(shù)值實(shí)驗(yàn)啟發(fā)思維，在激發(fā)學(xué)生主動(dòng)獲取知識和培養(yǎng)發(fā)散思維能力等方面起到良好效果。比如：在巖體力學(xué)課程中，對“巖體的抗壓強(qiáng)度是隨著加載速度和圍壓的增加而增大”這一知識點(diǎn)，通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)是很容易驗(yàn)證的，若用應(yīng)力-應(yīng)變曲線直接解釋這一現(xiàn)象，學(xué)生會覺得不好理解和知識枯燥，通過引入巖石破裂過程分析系統(tǒng)（RFPA軟件、PFC軟件等），模擬巖石試件內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、演化、貫通、破壞的全過程（圖2），讓學(xué)生感受實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)中無法看到的力學(xué)現(xiàn)象，再將能量耗散的基本觀點(diǎn)加以滲透，學(xué)生的理解和接受能力會大大提升;同時(shí)，將通過實(shí)驗(yàn)獲取的力學(xué)參數(shù)置入數(shù)值模型，克服了巖石這類多孔介質(zhì)材料初始性能的差異性，通過更改加載路徑演示變形破壞過程和分析結(jié)果，讓學(xué)生進(jìn)一步思考增大加載速度和增加圍壓導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度增大的內(nèi)在作用機(jī)制，都將有助于深化學(xué)生對巖石強(qiáng)度理論的認(rèn)識。

（a）花崗巖內(nèi)部裂紋擴(kuò)展RFPA數(shù)值試驗(yàn)[11]

（b）節(jié)理巖石卸載破壞RFPA數(shù)值實(shí)驗(yàn)[12]

（c）砂巖加載破壞過程PFC數(shù)值實(shí)驗(yàn)

（三）工程力學(xué)與能力訓(xùn)練

工程力學(xué)課程的精髓在于使學(xué)生掌握運(yùn)用力學(xué)知識分析問題的思想方法， 將工程力學(xué)知識點(diǎn)轉(zhuǎn)化為工程力學(xué)模型[13]。土木工程專業(yè)是強(qiáng)調(diào)技能應(yīng)用的工科專業(yè)，“授人以魚，不如授之以漁，授人以魚只救一時(shí)之急，授人以漁則可解一生之需”，這句話非常適合土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)。我們常說“土木工程是工程力學(xué)的外在表現(xiàn)，工程力學(xué)是土木工程的靈魂”，是因?yàn)楣こ塘W(xué)的知識始終貫穿于專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程和施工課程。比如：在建筑和橋梁方向最基本的墩柱截面確定問題，看似簡單的問題卻蘊(yùn)含著剪跨比、軸壓比、縱筋率與體積配箍率等因素對構(gòu)件力學(xué)性能的影響，以及水流荷載、流冰壓力和風(fēng)荷載等橫向外力的作用等力學(xué)問題;在地下工程方向的新奧法施工中要求及時(shí)封閉圍巖，目的是限制支護(hù)前的變形發(fā)展，阻止圍巖進(jìn)入松動(dòng)狀態(tài)，防止圍巖因風(fēng)化作用造成破壞和剝落，制止膨脹巖體的潮解和膨脹，把巖石荷載轉(zhuǎn)化為巖石承載結(jié)構(gòu)，從而使得支護(hù)與圍巖形成了一個(gè)共同工作的力學(xué)系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了保護(hù)原有巖體強(qiáng)度和發(fā)揮自身承載能力的思想。因此，引導(dǎo)學(xué)生從用工程力學(xué)分析問題根源為出發(fā)點(diǎn)，才能保證在今后的工作中正確理解設(shè)計(jì)意圖，依據(jù)工程實(shí)際制定出合理的施工方案、安全措施和質(zhì)量保障措施，確保建筑結(jié)構(gòu)安全和避免工程事故。

（四）工程力學(xué)與學(xué)科競賽

土木工程本科專業(yè)所需的工程力學(xué)課程在第七學(xué)期全部完成，學(xué)生對工程力學(xué)的基礎(chǔ)理論、知識體系和計(jì)算方法有了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使得第六學(xué)期和第七學(xué)期成為學(xué)生參加學(xué)科競賽的黃金時(shí)期，通過參加競賽達(dá)到“以賽促學(xué)、以賽促練、以賽促用”的目的。在這個(gè)時(shí)期，可根據(jù)學(xué)生的自身特長和專業(yè)特點(diǎn)，指導(dǎo)他們參加各類全國普通高校學(xué)科競賽。近年來，我校土木工程專業(yè)學(xué)生先后獲得了全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽二等獎(jiǎng)、美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模比賽一等獎(jiǎng)、全國數(shù)學(xué)建模競賽一等獎(jiǎng)、全國徐芝綸力學(xué)優(yōu)秀學(xué)生獎(jiǎng)、全國周培源大學(xué)力學(xué)競賽獎(jiǎng)、廣西“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。2019年，獲得省部級以上學(xué)科競賽獎(jiǎng)勵(lì)107項(xiàng)，其中，“建筑中會喊痛的骨骼——自感知的承力筋材”和“風(fēng)暢——基于多級設(shè)防理論的建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)”等作品充分展示了土木工程專業(yè)的特色，體現(xiàn)了學(xué)生利用工程力學(xué)知識分析問題和解決問題的能力。

五、結(jié)束語

土木工程專業(yè)是具有濃厚工程背景的工科專業(yè)，工程力學(xué)是土木工程專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，不僅承擔(dān)著夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)的重任，還對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、分析問題和解決問題的能力具有重要作用。通過開展以工程力學(xué)為主線的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生把工程力學(xué)融入主題活動(dòng)、實(shí)踐教學(xué)、創(chuàng)新思維、能力訓(xùn)練和學(xué)科競賽，很好地激發(fā)了學(xué)生對枯燥力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生運(yùn)用知識分析問題的能力。因此，深化以工程力學(xué)為主線的教學(xué)改革與實(shí)踐，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和提升人才培養(yǎng)質(zhì)量都具有重要意義。

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