理論力學與土木工程專業課程的教學融合改革探討

劉良坤 邸博 秦任遠

摘? 要：建立各專業基礎課程及核心課程的完善課程體系對于土木工程專業人才的培養具有重要意義。理論力學作為土木工程專業的核心基礎課程，與后續專業課程的有效融合是構建土木工程專業課程體系的關鍵環節，也有助于學生力學工程思維的培養?；诶碚摿W與后續專業課程的教學融合現狀，以理論力學與混凝土結構基本原理為例探討課程教學融合措施與關聯性構建方法，并明確土木工程專業各課程教學融合的重要性。經多年的教學改革，學生對力學課程的接受程度有所提高，對專業課程內容的理解逐步加深，并在一定程度上提升了學生的力學工程思維。

關鍵詞：理論力學；土木工程專業；課程體系；教學融合；力學工程思維

Abstract： Establishing a perfect curriculum system of basic courses and core courses of various majors is of great significance for the cultivation of civil engineering professionals. As the core basic course of civil engineering specialty， the effective integration of theoretical mechanics and subsequent professional courses is the key link to complete the curriculum system of civil engineering， and also helps to cultivate students' mechanical engineering thinking. Based on the current situation of teaching integration of theoretical mechanics and subsequent professional courses， taking Basic Principles of Theoretical Mechanics and Concrete Structure as an example， this paper discusses the teaching integration measures and correlation construction methods of courses， and clarifies the importance of teaching integration of various courses of civil engineering. After years of teaching reform， the students' acceptance of the mechanics course has been improved， their understanding of the professional course content has been gradually deepened， and the students' mechanical engineering thinking has been improved to a certain extent.

Keywords： theoretical mechanics; major in civil engineering; curriculum system; teaching integration; mechanical engineering thinking

新工科建設背景賦予了工程專業人才培養的新需求[1-2]。然而，工程學科具有高度的融合性，工程專業的學生培養應切實考慮各專業基礎課程及專業核心課程的交叉與融合。土木工程作為一門重要的工程學科，涉及力學、材料學、測量學、管理學和經濟學等課程，因此，更需適應多學科交叉融合的人才培養新要求[3]。不同于單一課程群的整合[4]，在土木工程專業的人才培養過程中應重視各學科基本原理和基礎知識的學習，并考慮各學科內容的有效融合，這對于構建緊密聯系的專業學科體系和培養合格的工程專業人才非常重要。然而，土木工程專業課程的教學過程中，因教師專業背景不同、承擔課程各異、對不同課程的熟悉程度及關聯性理解不足，容易導致某些專業課程的獨立性過強，無法建立各課程之間的有效聯系，從而使學生對土木工程專業學習產生疑惑。

理論力學作為土木工程專業的三大力學之一，是一門理論性較強且非常重要的專業基礎課程，其教學目的是使學生理解并掌握力學模型及其數學物理方程的建立過程和方法，能夠運用這些規律及方法分析工程實際中的力學問題，培養學生清晰的力學思維、計算分析能力及理論聯系實際的工程應用能力[5-6]，為后續相關課程的學習及工程應用實踐奠定良好基礎。新工科背景賦予了力學教育新要求，對培養工程學科的創新型人才也提出了新挑戰[7-8]，而重視力學課程的學習，促進力學課程與專業課程的有效融合是達到該目的的必經之路。

因此，提高學生對理論力學課程的重視，建立其與后續課程的有效聯系，探討課程教學的交叉與融合，對于提升學生力學工程思維培養至關重要。本文將以筆者承擔的理論力學與混凝土結構基本原理課程為例，根據近幾年的教學融合經歷探討具體的改革措施。

一? 理論力學與專業教學融合現狀

（一）? 理論力學的教學重理論輕實踐

理論力學作為一門理論性較強且非常重要的專業基礎課程，是研究物體機械運動一般規律的科學，內容包括靜力學、運動學和動力學。由于該課程的特殊性，其內容相對枯燥乏味，公式較多，且理論性較強，學生在學習過程中難免存在一定難度。而且，大部分教師在教學過程中重視理論教學，習慣以PPT或板書等形式進行公式推演。因此，容易忽視對力學概念、原理的理解、拓展與應用，與實際工程的關聯性構建有限，再加上缺乏有效的力學實踐，最終可能導致學生喪失對理論力學的學習興趣，繼而產生理論力學“用處不大”的錯誤觀念?？梢姡瑸榻⒗碚摿W與后續課程的有效聯系，在重視理論的同時，也應關注力學概念與原理的應用、實踐，提升理論力學在學生認知上的重要性。

（二）? 理論力學向專業課程的引導不足

因理論力學的課程內容較多，若課程安排不合理，在教學過程中往往過大篇幅集中于運動學和動力學的教學，且因內容又相對枯燥，學生無法真正掌握，也易疏忽對關聯性較強的靜力學學習；加之，因教師的專業背景不同、教學理念與教學方式各異，在教學中易忽視向專業課程進行有效引導，而未能建立起理論力學與專業課程的有效聯系，致使學生對后續專業課程理解不足，專業應用能力有限，缺乏對土木專業課程體系的整體觀。因此，在保證理論力學基本教學的基礎上，應重視理論力學向專業課程的引導，建立起該課程與專業課程的有效聯系。

（三）? 后續專業課程缺乏對理論力學有效承接

土木工程專業課程，如混凝土結構、鋼結構、基礎工程等，一般安排在大學的中后期，由于前期所學的理論力學內容相隔時間較長或在同一時期授課，很多學生對專業課程內容的理解往往不足。若教師在講解過中，未及時補充與專業課程內容相關的力學知識，教學效果將大打折扣。因此，在教學過程中，背景知識的合理鋪墊有助于學生對專業內容的學習，加快對新知識的吸收。可見，除了完成力學基礎課程的“有效傳承”，后續專業課程的“高效承接”也不可忽略。

二? 課程教學的融合改革措施

為提升理論力學的教學效果，實現理論力學與后續課程的有效融合，筆者以理論力學與混凝土結構基本原理為例進行教學改革的探討，改革措施的基本框架如圖1所示。

（一）? 理論力學課程的前期準備

理論力學在土木工程學科中具有重要地位，為了便于在后期專業課程中融入相關知識點，應在授課過程中結合各專業學科特點做好鋪墊。首先，考慮到后期專業課程與靜力學內容聯系更加緊密，應合理安排教學內容與課時；其次，應重視力學概念的理解與拓展，便于后期課程快速建立關聯性；最后，應強調力學概念與原理的應用與實踐，并將其與實際工程建立紐帶關系，強化力學知識在工程應用的重要性，以引導學生重視力學學習，確保力學課程、專業課程與工程應用產生緊密聯系。

1? 理論力學的課程分配

理論力學作是一門理論性較強的專業基礎，內容涉及靜力學、運動學和動力學。對于土木工程學科，課程教學應以靜力學為主，并兼顧運動學和動力學。在課程教學的安排上，靜力學占比1/2，運動學與動力學各占1/4。 靜力學主要包括靜力學基礎、力系簡化、力系平衡及靜力學應用。由于靜力學基礎涉及較多力學概念，且受力分析作為后期課程關聯性最強的內容，應著重考慮；力系簡化包括各類力系合成與分解及簡化、力平移定理、重心形心計算；力系平衡涉及力系平衡、靜定超靜定概念，平衡方程的形式與求解；靜力學應用為前三部分的內容集成。由于前兩部內容對于后續學習非常重要，相應課程比例均為3/10；第三部分為前兩部的理論綜合，第四部分為前三部分的集成，因此，后兩部分課程比例均為1/5。

運動學主要包括點和剛體的運動、點合成運動、剛體平面運動，在課程安排上各為1/3；考慮到運動學與土木工程專業的后期課程及工程應用關聯性小，教學時應以了解基本概念和原理為主。動力學主要涉及動力學基礎、達朗貝爾原理、虛位移原理，在課程安排上各為1/3；考慮到動力學內容與土木工程專業后期課程及工程應用聯系略多，教學過程中應掌握并加以理解。

綜上，各部分課程內容的分配見表1。

2? 重視力學概念理解與拓展

理論力學由于課程的特殊性，該課程的內容相對枯燥，公式較多，理論性較強，學生學習過程中有一定難度。因此，理論力學的教學應抽簡去繁，重點在于對力學概念的理解與拓展。

相比于傳統教學的板書、PPT、課堂講授等教學方式，教學過程中應增加力學概念的課堂演示，減少傳統教學的知識灌輸形式。具體過程：首先，按常規方式進行講授，使學生對力學概念有初步理解；然后，利用相關圖片、視頻、道具進行演示，實現從抽象到現實的轉化；隨后，啟發學生產生聯想，加深對力學概念的理解，并進行拓展、延伸，完成思維的拓展；最后，進行力學概念的收斂，加強概念之間的聯系，并進行總結。通過上述教學過程，可以實現力學概念的初識、抽象-現實、延伸-拓展、收斂與總結全過程，完成對力學概念的多角度吸收。

3? 強調理論力學實踐與工程應用

1）力學實踐。為強化對力學概念的理解，在教學改革過程中通過力學實踐，讓學生加深對力學概念的感知，并拓展其應用范圍，認識到理論力學的重要性，實現理論與應用的過渡，也便于后期專業課程的學習。本課程針對靜力學部分，對力學概念如力矩、力偶、重心、平衡、靜定與超靜定等，以電子版作業的形式進行力學實踐，要求學生從生活中發現力學，并根據已學的力學知識進行解釋。例如針對力矩的概念，學生A根據所學的力學知識，先對其進行初步理解，然后從生活中尋找利用力矩解決問題的案例；該學生認為常見的啟瓶器是利用力矩的“省力”案例，隨后對其進行受力分析，并用解釋了啟瓶器的省力原理（圖2）。又如學生B在結構競賽備賽階段，常需將結構模型固定到底板中，該過程需借助螺絲刀完成自攻螺絲對底座的鉆孔，為了盡快安裝，鉆孔過程中需同時對螺絲刀施加力偶和豎向力，才能保證螺絲順利進入底座；該學生根據其實踐經歷，利用力螺旋的概念解釋了螺絲刀擰螺絲的基本過程（圖3）。

2）工程應用。利用力學概念及原理對生活中的力學現象進行解釋與實踐后，學生對力學概念的理解將會加深，此時可以將理論力學的相關內容進一步應用于實際工程，以增加學生對理論力學的重視，減少對理論力學的誤解（不少學生因對理論力學的實際工程應用信息了解不足而誤以為該課程用處不大）。例如，雨棚與結構的連接通常有固接和鉸接兩種形式（圖4），當雨棚外端與主體結構存在桿件連接時，此時其近端的連接一般趨于鉸接；當雨棚僅有近端與主體結構存連接時，其連接通常認為是固接。因此，可以通過雨棚的案例，向學生介紹固接與鉸接這兩種約束，并介紹將固接誤認為鉸接而導致的事故案例，警示學生準確區分各類約束，提高工程安全意識。

（二）? 搭建理論力學與混凝土結構基本原理的聯系框架

混凝土結構基本原理是土木工程專業的必修課程，作為一門專業核心課程，其主要內容涉及混凝土、鋼筋等級及其物理力學性能，還包括混凝土結構基本構件的受力性能、計算方法與構造要求等。該課程要求學生掌握混凝土構件的基本理論和基本知識，使學生具有混凝土結構構件的設計計算能力，同時通過配套的實驗教學，培養并提高學生的動手能力以及分析、解決問題能力。由于該課程主要關注構件層次的力學原理，還將為后續混凝土結構設計提供理論基礎。值得注意的是，混凝土結構基本原理不少內容來源于理論力學的靜力學基礎，因此，合理的教學引導將有利于提高學生對該課程的學習興趣[9-10]，也有助于構建理論力學與該課程的關聯體系。

為減少理論力學與后期專業課程的“距離感”，應在專業課程授課初期，將其與專業課程建立聯系，便于學生能夠更好地了解新課程：一方面可以回憶理論力學部分知識，增強理解；另一方面，可以提高學生對新課程的興趣，減少陌生感。為便于理論力學與混凝土結構基本原理的教學融合，圖5搭建了理論力學與混凝土基本原理的聯系框架，從圖中可以看出，理論力學幾乎貫穿了混凝土結構基本原理的所有內容。混凝土結構基本原理的教學內容基本上是圍繞理論力學的靜力平衡（力平衡、力矩平衡）展開的，如梁的正截面計算、斜截面計算以及柱的大小偏心計算均基于力平衡與力矩平衡來獲取截面設計公式，即便是軸心受力構件、受扭構件、預應力混凝土構件亦是如此。因此，在混凝土結構基本原理教學初期搭建力學課程與該課程的聯系，有利于學生全面了解所學課程體系，提高自信，減小對新課程的畏懼心理，從而提升教學效果。

（三）? 理論力學與混凝土結構基本原理的知識點融合

理論力學的靜力學概念與原理在混凝土結構基本原理中有較多的應用。教學過程中，首先回顧相關力學原理；然后，結合混凝土構件的力學特性進行講授，當獲得基本結論后再次強調分析過程中所應用的力學知識，從而讓學生掌握混凝土結構基本原理構件設計的內在機理。以下將從兩個案例介紹這一融合過程。

1? 受壓區混凝土應力等效原理

在單筋矩形截面計算過程中，首先需要滿足4個基本假定和1個等效（圖6），其中等效原則為力的大小不變，即合力C的大小不變，以及合力作用點位置不變。實際上這個等效原則來源于理論力學的靜力平衡知識：①力的大小不變可以保證等效前后中和軸以上的混凝土壓應力合力不變，即等效后仍可以保證與下部受拉鋼筋的受力平衡；②力矩平衡則可以保證等效前后中和軸以上混凝土壓應力的轉動效應不變，即等效后與下部受拉鋼筋的抵抗彎矩一致。在理論力學中，上述過程的第一個為力平衡；第二個為保持形心位置不變，實質為力矩平衡。在教學過程中，應先將力平衡的知識作初步回憶，給出形心的求解公式，并根據力矩平衡獲取形心的計算過程進行說明；在此基礎上，結合混凝土結構基本原理中的四個基本假定（截面應變保持平面、不考慮混凝土抵抗拉力、鋼筋受拉應力-應變曲及混凝土的應力-應變曲線按簡化曲線計算，縱向受拉鋼筋極限拉應變為0.01且應力取屈服應力范圍內），完成混凝土受壓區截面應力的矩形等效，給出相應的計算公式；最后，再次圍繞靜力平衡解析等效過程，指出矩形等效的核心在于力平衡與力矩平衡。

2? 梁正截面抗彎與斜截面抗剪

理論力學與混凝土結構基本原理中梁的抗彎抗剪可從兩個角度進行知識點融合：一個是力學角度，借助于理論力學力平衡的基本原理；另一個是結構角度，利用理論力學桁架的基本知識。

1）力學角度：在授課前，先用2～3分鐘對該部分理論力學內容回顧，并逐步過渡到梁的正截面抗彎和斜截面抗剪教學中，完成內容的承接。然后，利用力的平衡及力矩平衡對梁正截面抗彎公式推演，其中力的平衡指受壓區混凝土合力及受壓區鋼筋受力（雙筋的情況）與受拉區縱向鋼筋的拉力平衡；力矩平衡則需考慮力矩中心的選擇，如對于單筋矩形截面可以取受壓區合力點或受拉縱向鋼筋作用點，而對于雙筋矩形截面一般取受拉縱向鋼筋作用點。與正截面抗彎有所不同，斜截面抗剪主要考慮豎向力的平衡，僅需建立混凝土及腹筋抗剪承載力與截面剪力的平衡方程。最后，結合構造措施，滿足最小配筋率、間距等需要，完成截面抗彎抗剪的配筋。

2）結構角度。基于結構體系的角度可以明確梁抗彎抗剪的力學機制（圖7）。在完成梁的抗彎抗剪理論學習后，首先，利用2～3分鐘快速回顧理論力學的桁架受力特征，明確上下弦桿及橫向桿件作為二力桿的受力特點；隨后，根據鋼筋混凝土梁混凝土與鋼筋的受力特征，將受壓縱筋（上弦桿）及受壓區混凝土視為受壓桿件（上弦桿），腹筋視為橫向桿件，底部受拉縱向鋼筋作為受拉桿件（下弦桿），同時忽略混凝土受拉作用，將混凝土斜向桿件視為壓桿；最后，獲取鋼筋混凝土梁的抗彎抗剪桁架模型。利用該桁架模型，容易確定其抗彎抗剪機制：縱向鋼筋主要承擔水平的拉力和壓力，箍筋主要承擔豎向力，混凝土除了承擔水平向的壓力，還可以承擔部分豎向力。因此，結合理論力學的桁架模型，有助于學生了解鋼筋混凝土梁的抗彎抗剪機制，除了掌握傳統教學要求的抗彎抗剪設計，也能讓學生洞悉其力學本質。

三? 結束語

理論力學是土木工程專業中的重要基礎課程，是構建土木工程專業課程體系的關鍵環節。為實現該基礎課程與后續專業課程的有效融合，提升學生的學習效果，重視理論教學的同時也應注重力學實踐應用，而且還需向后續專業課程提供良好地引導，也離不開后續專業課程的支持及對理論力學的有效承接。筆者對所承擔的理論力學與混凝土結構基本原理課程進行多年教學融合改革后，學生對于力學課程的接受程度有所提高，對專業課程內容的理解逐步加深，也能夠建立與力學知識的有效聯系，并且促進了學生力學工程思維的創建。力學課程與專業課程的教學融合旨在弱化各課程間的獨立性，使各課程間的聯系更加緊密，本文的教學融合改革，有利于學生構建土木工程專業的課程體系，為培養具有力學工程思維且適于時代需要的復合型人才提供支撐。

參考文獻：

[1] 吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2] 吳巖.新工科：高等工程教育的未來——對高等教育未來的戰略思考[J].高等工程教育研究，2018（6）：1-3.

[3] 孫峻.“新工科”土木工程人才創新能力培養[J].高等建筑教育，2018，27（2）：5-9.

[4] 冷捷，劉文淵，姜毅，等.應用型本科院校土木工程專業力學課程群的整合與改革[J].高等建筑教育，2015，24（6）：34-37.

[5] 譚鄒卿，蔣學東，何云松，等.新工科背景下理論力學教學實踐與探索[J].高教學刊，2021（7）：103-107.

[6] 賈穗子，徐能雄.土木工程專業結構力學教學與工程實際結合的探討[J].高等建筑教育，2018，27（4）：126-130.

[7] 武鶴，楊揚，孫緒杰，等.工程教育認證背景下土木工程專業人才培養模式研究與實踐[J].高等建筑教育，2019，28（1）：35-41.

[8] 馬宏偉，張偉偉.新工科力學課程體系的幾點思考[J].高等工程教育研究，2018（3）：6-12.

[9] 夏紅春.混凝土結構設計原理課程教學改革與實踐[J].高等建筑教育，2019，28（1）：83-87.

[10] 馮然，劉佳睿.混凝土結構基本原理創新教學方法與實踐[J].高等建筑教育，2020，29（4）：72-77.