基于寬口徑人才培養模式的結構力學差異化課程教學實踐

孫旭峰 陶陽

摘 要：結構力學是土木工程專業的重要基礎課程，是聯系基礎理論和工程實際應用的橋梁和紐帶。由于其概念性和靈活性較強，所以學生普遍反映要將這門課程學深學透存在一定困難。針對這一現象，各高校對結構力學課程教學改革的研究多致力于整體層面上教學方法、教學手段的創新。然而在當前寬口徑人才培養模式的大環境下，用人單位和學生自身發展的需求實際上是存在明顯差異的。文章基于我校結構力學課程的教學實踐，分別從教學理念、教學內容、教學方法、評價體系等四個方面，論述了結構力學差異化課程體系的構建，從而實現了在滿足課程教學基本要求的前提下，更好地達到用人單位和學生自身發展差異化需求的目標。

關鍵詞：土木工程；寬口徑人才培養；結構力學；差異化

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2096-000X（2018）22-0085-03

Abstract： Structure mechanics is an important foundation course in Civil Engineering， which is the bridge between the basic theory and the application knowledge. Due to its difficult concept and high flexibility， many students think that it's the most difficult course for them to learn. In order to solve this problem， many colleges pay attention to reform on teaching methods and learning techniques from the overall level. Though in fact， under the circumstance of wide-scope talents training mode， the demand is obviously different for the employing unit and the students themselves. Based on practice， and from the aspect of teaching idea， teaching content， teaching method and evaluation system， the article discussed the differentiating course system construction of structure mechanics. Under this system， different demands can be met for the employing unit and the students themselves， while the basic requirements of the course can be also reached.

Keywords： Civil Engineering； wide-scope talents cultivation； structure mechanics； differentiation

在土木工程專業的課程體系中，結構力學具有不容置疑的重要地位，它是聯系基礎力學課程（理論力學和材料力學）與工程設計課程（工程結構設計原理、建筑結構設計、橋梁結構、工程結構抗震等）的紐帶，是使學生從力學基本理論過渡到工程實際應用的重要橋梁。因此，在各高等工科院校土木工程專業的教學計劃中，均將結構力學視為最重要的專業基礎課。

對于結構力學課程的教學改革，目前各高校多致力于教學方法、教學手段以及如何與專業課程更好地結合等方面的研究。如東南大學[1]基于首要教學原理提出的SSBfm“一個中心、四個階段和八個支持”的結構力學教學模式，強調了聯系實際、加強教學設計、重視學生主體、提升實踐訓練等理念。中國石油大學[2]則提出應在教學過程中著重培養學生的思維能力、創新能力、自學能力、現代計算機應用能力和實踐能力。華北水利水電學院[3]、江蘇大學[4]等院校結合卓越工程師的培養定位探討了提高學生綜合能力的有效方法和途徑。還有部分研究則聚焦如何定位多媒體在教學過程中的作用、如何提升其使用效果，以及Maple、Matlab等軟件在教學過程中的應用等。

綜上所述，目前各種結構力學課程教改研究多側重于如何使其更好地服務于整個土木工程課程教學體系，以及如何進一步提升課堂教學效率等問題。而實際上在寬口徑人才培養模式的大環境中，用人單位對于學生的需求定位，以及學生自身的發展定位是多種多樣的，所以對于結構力學這樣的專業基礎課，其需求也應該是個性化、分層次的。基于此，我校自2016年開始，在土木工程專業中開展了結構力學課程的差異化教學，總結三年來的教學實踐，筆者將從教學理念、教學內容、教學方法、評價體系等四個方面，探討寬口徑人才培養模式下結構力學的差異化課程體系構建。

一、差異化的教學理念

在土木工程專業中，結構力學課程的差異化需求主要來自兩個方面，一是用人單位，二是學生自身的發展。

首先，從用人單位的角度看，從事勘察、施工、管理等工作對結構力學的要求主要是結構計算簡圖以及力學定性分析，從事設計工作則要求計算簡圖和一般的力學計算分析，而從事開發研究則需要深厚的力學功底，要會解決較難的力學問題。

其次，從學生的自身發展需求看，對于沒有進一步深造要求的同學來說，掌握結構力學的基本原理、基本方法、基本求解過程，能達到理解結構求解過程的物理含義并能正確求解力學問題的目的就可以了。而對于需要進一步深造的同學來說，則需要在深刻理解基本概念的基礎上，能達到綜合應用所學知識，靈活而熟練地求解綜合性和難度較高結構力學問題的目的。

在目前一刀切的教學模式中，教學目標、教學要求、教學內容、考核標準都是統一的。在這種教學模式下，對于畢業后直接進入用人單位的同學來說，部分授課內容要求偏高，并且不能讓他們對結構計算簡圖和定性分析有進一步深刻的認識，從而使其在就業后競爭力不足，不能滿足用人單位的需要。而對于需要進一步深造的同學來說，有限課時內的大眾化課堂講授又滿足不了其對結構力學難題求解和綜合分析能力培養的需要，從而影響他們在研考和深造過程中的競爭力。

所以，在結構力學課程的教學中建立差異化教學理念無論是對用人單位的需求，還是對學生的自身需求而言都是十分必要的。

二、差異化的教學內容

在當前強調通識教育的環境下，各專業課程的學分學時都被不同程度地壓縮了，所以將差異化的教學寄希望于課內有限的時間是不現實的。依據教育部高等學校力學教學指導委員會力學基礎課程教學指導分委員會制定的《高等學校理工科非力學專業力學基礎課程教學基本要求》（以下簡稱《基本要求》），課內時間應被充分用于《基本要求》中必修基本部分重點要求掌握內容的教學，如表1所示，詳細闡述結構力學的基本原理、基本方法、基本求解過程以及基本求解過程的物理含義，并留出一定的課堂練習和討論的時間。

這里需要說明的是，在表1中，因為很多學校將“結構矩陣分析”一章單獨以《計算結構力學》或《有限元法》開課，所以未予列入。

依據差異化需求，相應的差異化教學內容可分為面向應用和面向研究兩個方向：

1. 應用方向

這部分教學內容面向工程應用，可結合工程實例在以下一些方面作進一步深入講解：

首先是二維和三維結構的計算簡圖，包括構件、結點、支座、荷載等的簡化。其中，構件簡化可以包含梁、板、殼、索、膜等，并可講解剛域的概念和應用；結點的簡化可包括剛結、鉸結、彈性連接及其對應的實際構造；支座簡化可講解支座結點的自由度及其約束的施加，可包括彈性支座的概念、實際構造及應用；荷載則可以介紹工程中各種實際荷載的等效簡化。在講解計算簡圖時，還可以結合計算軟件的應用教學（如結構力學求解器、sap2000、midas等），通過計算比較進一步理解主應力、次應力的概念以及計算簡圖的尺度概念等。

其次是靜定結構和超靜定結構的特性，可結合計算軟件的參數化建模，讓學生自行探究靜力解答的唯一性、非荷載因素的影響、平衡力系及荷載等效變換的影響、超靜定結構內力反力與材料及截面特性的關系、靜定和超靜定結構的受力性能比較、不同矢跨比及結構型式的受力比較等。

可以結合具體工程算例，如腳手架、框架結構、門剛廠房等，介紹一些計算軟件的簡單應用，講解靜力分析、影響線、臨界荷載、自振特性、動力時程分析的求解方法。

2. 研究方向

這部分教學內容面向學生考研，各章節應在表2所示的內容方面予以補充和強化。此外，還需補充結構的極限荷載、結構彈性穩定等兩個章節的內容。

三、差異化的教學方法

差異化教學可以利用課余、答疑、競賽等課外時間，并結合學生的自主探究進行。

其中，應用方向可以考慮與土木工程創新競賽相結合。事實上，在“雙創”的大背景下，各高校都越來越重視大學生的創新實踐和學科競賽，并且很多高校還為此設立了創新學分。但在指導實踐中作者發現，由于創新學分一般不設立相關課程，所以很多學生在參加土木工程創新競賽時都不知道該如何進行計算，或者是僅憑自己去摸索，所做的計算書大都很不規范。從這個方面講，結構力學差異化的應用教學部分與土木工程創新競賽的計算書教學，其目標是一致的。自2016年開始，我校即利用課余時間單獨開設了一定學時的課程，對參加創新競賽的學生進行培訓。筆者利用這一機會，將其與結構力學的差異化教學相結合，取得了非常理想的教學效果，既達到了培訓目的，反過來又促進了學生對結構力學基本概念的全面理解。

結構力學差異化的研究教學則可以利用課余和答疑時間通過逐步深入的習題訓練和思路講解達到解題技巧的強化。這部分內容可在教師的指導下，以學生的自我探究為主，教師則主要負責內容劃定、參考教材推薦、學習計劃指導、思路點撥、答疑解惑等。

四、差異化的評價體系

結構力學的差異化教學應體現在評價指標中，否則難以達到應有的教學效果。最終的評價指標可由兩部分構成，一部分體現大綱《基本要求》的學習效果，占60%～70%，另一部分則體現差異化教學的學習效果，占比30%～40%。

其中，《基本要求》的評價可由期末考試和平時成績構成，這和傳統評價方式相一致，而差異化教學的評價則可以采用不同形式。對于應用方向，可以讓學生對一個給定的工程實例進行計算簡圖和受力分析，也可以結合土木工程結構創新競賽，讓學生對自己的作品進行受力分析，并據此給出等級評價。對于研究方向，則可以針對補充和強化的內容，單獨給出一份試卷對學生進行測試，并據此給出等級評價。

五、結束語

作為土木工程專業最為重要的專業基礎課，結構力學課程的教學必須探索如何去適應時代的發展。結構力學差異化課程體系的構建，就是針對寬口徑人才培養模式的一種積極探索和實踐，這種構建綜合考慮了課時資源、課堂效率、用人單位以及學生自身發展的需求，將有限的課內時間充分應用于《基本要求》的內容講解，同時利用課余時間并結合創新競賽，給學生提供應用方向和研究方向的差異化選項，使其能依據自身需求進行選擇。

需要指出的是，雖然差異化課程體系不占用課內時間，但差異化教學必然會大幅增加教師的工作量，故此建議實施學校應制定相關政策，將這部分工作量考慮在內，以激勵教師為寬口徑人才培養模式而實踐的積極性和熱情。

參考文獻：

[1]周臻，尹凌峰，繆志偉.基于首要教學原理的結構力學教學過程重構[J].高等建筑教育，2011，20（5）：59-64.

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[4]蔡東升，劉榮桂.土木工程大類專業結構力學教學探討[J].高等建筑教育，2012，21（4）：62-65.