新工科背景下基于專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革研究

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.111

摘 要 以新工科建設(shè)為背景，從力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析教學(xué)

改革的意義，總結(jié)基于專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的課程教學(xué)改革方式，力爭培養(yǎng)具有扎實力學(xué)基礎(chǔ)的工程人才。

關(guān)鍵詞 工程教育；教學(xué)改革；專業(yè)認(rèn)證；結(jié)構(gòu)力學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0111-03

0 引言

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土建類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁。面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的結(jié)構(gòu)力學(xué)改革主要是適應(yīng)工程認(rèn)證的要求，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)充分與工程實踐相結(jié)合，必須重視理論聯(lián)系實際，增加相關(guān)教學(xué)內(nèi)容以增強結(jié)構(gòu)力學(xué)課程理論與實踐相結(jié)合的作用[1]。改變授課環(huán)境，摒棄舊的觀念，讓學(xué)生從書本的環(huán)境轉(zhuǎn)到由實際工程引入的案例，將實際工程模型化；改變授課思路，推陳出新，使學(xué)生了解結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識體系及求解過程中不同的假設(shè)和理論，旨在提高學(xué)生的工程素養(yǎng)，提高其解決工程實際問題的動手能力。

1 結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題分析

結(jié)構(gòu)力學(xué)作為大土木學(xué)科的重要理論支撐，對培養(yǎng)合格的土木人才具有舉足輕重的作用，在整個專業(yè)培養(yǎng)計劃中占據(jù)重要地位。學(xué)生要想將整個專業(yè)的課程學(xué)好，必須學(xué)好結(jié)構(gòu)力學(xué)，這就對教師教學(xué)提出更高的要求。筆者綜合多年教學(xué)實踐，列出以下幾個問題。

1.1 專業(yè)課時大幅縮減

為使工程教育與國際接軌，滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，各專業(yè)課時大幅縮減，結(jié)構(gòu)力學(xué)也不例外。為了保證教學(xué)效果，如何在限定的課時下，使學(xué)生獲得最大的信息量并消化理解，成為教師面臨的最主要也是最有挑戰(zhàn)性的問題。雖然力學(xué)理論不會被淘汰，但是教學(xué)理念會，教師需要找到更好的方法教會學(xué)生，將新教學(xué)理念帶到教學(xué)活動中，改變傳統(tǒng)的以講授為主的課堂教學(xué)，提高教學(xué)水平，引導(dǎo)學(xué)生積極主動學(xué)習(xí)，使學(xué)生輕松地學(xué)到知識，將知識轉(zhuǎn)化為技能，應(yīng)用到生活生產(chǎn)中[2]。

1.2 三大基礎(chǔ)力學(xué)課存在交叉和重復(fù)，缺乏必要的融合和貫通

如材料力學(xué)中梁的內(nèi)力分析部分和結(jié)構(gòu)力學(xué)就出現(xiàn)知識重復(fù)，結(jié)構(gòu)力學(xué)的桁架部分也在理論力學(xué)中講過，內(nèi)容得不到很好的整合，也沒有做好銜接，使得知識點繁雜，內(nèi)容零亂，學(xué)生學(xué)起來一頭霧水。因此，優(yōu)化課程體系實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的改革勢在必行。

1.3 忽略了結(jié)構(gòu)力學(xué)與其他課程的關(guān)系

結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)的目的是研究桿系結(jié)構(gòu)在各種效應(yīng)下的受力和傳力規(guī)律，分析不同結(jié)構(gòu)形式的受力特點和工程應(yīng)用，根據(jù)不同效應(yīng)的特點對結(jié)構(gòu)體系進行優(yōu)化及如何應(yīng)對這些效應(yīng)，主要包括結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算及位移計算。這些力學(xué)知識點與后續(xù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計等緊密相連，但在如今的教學(xué)中忽略了它與其他課程的關(guān)系。結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)的好壞直接影響這些課程的學(xué)習(xí)效果，要讓學(xué)生明白學(xué)這些是為哪些課程的哪些知識做服務(wù)，只有知曉了各門課程之間的關(guān)系，他們才能更好地理解和掌握這些知識。以簡單的梁式構(gòu)件簡支梁為例，如圖1所示。

計算此梁在均布荷載下的任意截面彎矩值及剪力值，得到跨中彎矩值最大為M=1/8·ql2，剪力在跨長范圍內(nèi)均為12 kN。得到結(jié)果后可聯(lián)系后續(xù)的鋼筋混凝土知識，講解單雙筋矩形截面梁的受彎承載力計算及配筋、箍筋在鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)中的作用等理論知識。而在多跨梁的計算中，如圖2、圖3所示，在計算彎矩圖時，可發(fā)現(xiàn)在支座B處出現(xiàn)負(fù)彎矩，那么在實際工程中出現(xiàn)負(fù)彎矩的情況該如何應(yīng)對？進而引出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中對支座截面處配筋的具體要求。

出現(xiàn)這些問題的原因主要是學(xué)生對整個結(jié)構(gòu)力學(xué)的了解不夠全面、客觀。結(jié)構(gòu)力學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，理論嚴(yán)密、結(jié)構(gòu)完整、邏輯性強，但又是土木工程相關(guān)課程的基礎(chǔ)，長期實踐證明，掌握扎實的結(jié)構(gòu)力學(xué)知識有利于對后續(xù)課程的掌握和理解。它與鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、多高層建筑結(jié)構(gòu)抗震等密不可分，在進行結(jié)構(gòu)位移計算時，可將抗震結(jié)構(gòu)的部分前沿內(nèi)容引入。最后綜合學(xué)過的各種類型結(jié)構(gòu)的受力特點，讓學(xué)生自己發(fā)掘結(jié)構(gòu)布置和選型與受力特點的關(guān)系，由此可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和目的性，進而在結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)習(xí)上更加積極主動，而不是被動地接受知識。

1.4 學(xué)生在結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)習(xí)中存在脫節(jié)現(xiàn)象

就整個結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)實踐來看，結(jié)構(gòu)力學(xué)的整體教學(xué)和工程實踐的匹配性較差。多數(shù)學(xué)生在掌握了理論計算的同時，不能將實際工程中遇到的問題與課程理論聯(lián)系在一起，理論和實踐出現(xiàn)“兩張皮”現(xiàn)象。尤其在對已畢業(yè)學(xué)生調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)理論知識的掌握僅限于會解題，而不會將工程實際還原到力學(xué)模型。因此，結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)必須重視理論聯(lián)系實踐，結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)也離不開工程實際[3]。

1.5 考試的形式太單一

大多數(shù)高校對結(jié)構(gòu)力學(xué)的考核僅依靠一張試卷，而且以傳統(tǒng)題目為主。學(xué)生為了考試合格，通常死記硬背解題步驟，這在很大程度上限制了學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。

2 改進結(jié)構(gòu)力學(xué)課堂教學(xué)的措施

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合培養(yǎng)方案修訂的現(xiàn)狀，在理論課時壓縮的大背景下，教師需要提煉教學(xué)重點，精簡教學(xué)內(nèi)容，刪除與其他理論課程重復(fù)的內(nèi)容，課堂講授的內(nèi)容應(yīng)該有所側(cè)重[4]。尤其在材料力學(xué)中已經(jīng)詳細(xì)講述過的靜定梁的內(nèi)力分析，此部分內(nèi)容是整個力學(xué)理論的基礎(chǔ)，因此，要在教學(xué)大綱的制定上和材料力學(xué)教學(xué)大綱相貫通，讓學(xué)生了解此部分的重要性，這樣在結(jié)構(gòu)力學(xué)中只需簡單帶過。有些結(jié)構(gòu)力學(xué)部分的選學(xué)內(nèi)容對后續(xù)課程影響很大[5]，比如影響線的意義和工程中的應(yīng)用是道路與橋梁工程的重要內(nèi)容，因此，要結(jié)合道路與橋梁工程教學(xué)大綱的要求來調(diào)整影響線部分的教學(xué)深度。

2.2 注重結(jié)合工程實際，適當(dāng)增加工程案例及最新

的科技成果，提升學(xué)生的實踐應(yīng)用能力

為了培養(yǎng)能夠適應(yīng)企業(yè)或者行業(yè)需要的人才，就應(yīng)該結(jié)合社會實踐或者工程大背景培養(yǎng)人才，體現(xiàn)其在實踐中的應(yīng)用能力[6]。而力學(xué)理論來源于工程實踐，最終也將服務(wù)于工程，因此，結(jié)合工程案例的教學(xué)可以收到很好的效果。如緒論部分對幾種支座形式以及簡化圖形作了介紹，如圖4所示。針對每一種支座形式，可以讓學(xué)生去具體結(jié)構(gòu)（橋梁、廠房等）中實地觀察，增設(shè)案例部分的講述，讓學(xué)生了解其具體的構(gòu)造和受力特點以及簡化圖的由來，在理解掌握基本概念和基本理論的前提下，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力，會使學(xué)生更容易理解和接受抽象概念。

2.3 充分發(fā)揮現(xiàn)代教學(xué)手段的優(yōu)勢

結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容所包括的各種結(jié)構(gòu)形式，如靜定梁、靜定多跨梁、剛架、桁架等都可以在實際工程中找到原型，這時可以利用多媒體教學(xué)生動、直觀的優(yōu)勢向?qū)W生展示各種結(jié)構(gòu)形式，使學(xué)生能對各種結(jié)構(gòu)形式及其特點有更直觀感性的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。另外，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺是現(xiàn)代教學(xué)手段中比較常用的，可以將相關(guān)的材料上傳，供學(xué)生業(yè)余時間學(xué)習(xí)；還可學(xué)習(xí)其他院校本門課程的教學(xué)視

頻，豐富他們的學(xué)習(xí)途徑。

2.4 改變原有教學(xué)思路，提高學(xué)生課堂參與度

結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門理論性很強的課程，解題方法不唯一，教師應(yīng)改變傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)，以學(xué)生“學(xué)”為中心進行改革，以學(xué)生為中心的教學(xué)即教會學(xué)生如何學(xué)、學(xué)什么、怎么學(xué)；提高學(xué)生在課堂的參與度，用啟發(fā)式教學(xué)、課堂互動教學(xué)、討論類教學(xué)來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，使學(xué)生參與接受知識和創(chuàng)造新知識的過程，能夠讓學(xué)生掌握一種思維方式，變原有的被動學(xué)習(xí)為主動自主學(xué)習(xí)，真正體現(xiàn)教育最本質(zhì)的內(nèi)涵[7]。

2.5 將力學(xué)課程與專業(yè)課程相結(jié)合教學(xué)

建立以專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向的教學(xué)大綱、教學(xué)思路、教學(xué)方法及教學(xué)設(shè)計等，討論力學(xué)課程與其他后續(xù)專業(yè)課程的融合點，提出新的力學(xué)教學(xué)模式，開展基于專業(yè)課的力學(xué)課程教學(xué)，在教學(xué)中完善相關(guān)的工程案例，在教學(xué)過程中有針對性地根據(jù)力學(xué)章節(jié)分析典型案例以及工程背景，更多地結(jié)合后續(xù)專業(yè)課程中的工程案例[8]。

2.6 優(yōu)化考核方式

將工程實例引入試卷中，讓學(xué)生將所學(xué)知識連貫起來，引導(dǎo)學(xué)生對工程問題進行思考；增設(shè)開放式等非標(biāo)準(zhǔn)答案試題，讓學(xué)生自己查閱資料、翻閱文獻(xiàn)，提出自己的見解；還可增加試卷形式以外的考核，如開設(shè)簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽等。

3 結(jié)論

課程教學(xué)改革是使教學(xué)適應(yīng)時代的必要途徑，隨著時代的迅速發(fā)展，改革是大勢所趨。教師要與時俱進，肩負(fù)起培養(yǎng)適應(yīng)時代需要的高水平學(xué)生的責(zé)任。結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)的專業(yè)課提供基本的力學(xué)原理，為日后的工程建設(shè)和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供內(nèi)力分析方法與理論依據(jù)，是力學(xué)基本理論過渡到工程實際的重要橋梁。結(jié)構(gòu)力學(xué)理論知識不難做題難，上課易懂下課不會，再加上題目靈活多變，因此，要熟練掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)知識并不容易。在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革中要注重講授知識的系統(tǒng)性，使學(xué)生掌握正確的學(xué)習(xí)方法，將理論知識與實際問題結(jié)合，通過采用多種手段教學(xué)結(jié)合專業(yè)課程案例講授，既使學(xué)生充分認(rèn)識到力學(xué)課程的重要性，又調(diào)動學(xué)生的積極性，將枯燥的理論知識變成有趣的實際問題，提高學(xué)生的工程創(chuàng)新意識，為其后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)以及成長為一個優(yōu)秀的土木工程師打下堅實的基礎(chǔ)。

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*項目來源：2020—2021年度河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“新工科背景下智能建造實驗班/專業(yè)課程體系建設(shè)研究”（2020GJJG565）；2020—2021年度河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“以成效為本的地方高校教學(xué)運行模式的創(chuàng)新研究和實踐”（2020GJJG153）；河北科技大學(xué)理工學(xué)院2019年度教育教學(xué)研究項目“新工科背景下基于專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的《結(jié)構(gòu)力學(xué)》教學(xué)改革研究”（2019Y06）；2019年河北省省級研究生示范課程“高等混凝土結(jié)構(gòu)理論”（KCJSX2019076）。

作者：康麗華，河北科技大學(xué)，講師，研究方向為結(jié)構(gòu)工程；劉衛(wèi)然，河北科技大學(xué)，副教授，研究方向為結(jié)構(gòu)工程；秦樂樂，河北科技大學(xué)，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為人工智能及人才培養(yǎng)戰(zhàn)略（050000）。