以工程問題為導向的“結構力學”教學設計及實施

摘?要：“結構力學”課程在土木工程學科知識體系中起著承前啟后的關鍵作用。針對課程教學中主知識、輕育人的問題，秉承“學以致用、以用促學”的教學理念，構建以工程問題為導向的教學模式。通過熱點案例導入、挖掘結構力學發展史與方法論、互動與實驗增強實踐、學習通融合線上線下等措施，在理論教學中逐步滲透發現、分析和解決工程實際問題的思維和方法，培養學生工程實踐的意識。以期在傳授專業知識的同時，實現能力的培養和價值觀的引領。

關鍵詞：結構力學；工程問題；教學設計；教學實施

中圖分類號：G641；TU311??文獻標識碼：A

1?概述

“結構力學”是面向土木工程學科大學二年級本科生的一門重要的專業基礎課，在土木工程學科知識體系中起著承前啟后的關鍵作用，它是基礎課程和專業課程之間的一座橋梁，兼具嚴謹的理論體系和明確的工程背景。長久以來，“結構力學”課程教學存在著重計算簡圖輕工程實際、主知識輕育人的現象。面對頻發的熱點工程案例，學生有心卻無力去實踐結構力學知識，教學側重理論推導和計算簡圖的定量計算，缺乏實際工程問題的發現和定性分析，未真正做到理論與實踐并重。諸多學者直面課程教學的現狀問題，探討了不同方向的教學研究與改革［15］。

秉承“學以致用、以用促學”的教學理念，本文通過構建以工程問題為導向的教學模式，在理論教學中逐步滲透發現、分析和解決工程實際問題的思維和方法，培養學生工程實踐的意識；借助超星學習通等線上平臺，融入師生、生生交流的互動式多維實踐課堂，理論與實踐并舉，趣味與實效并重；在傳授專業知識的同時，注重能力的培養和價值觀的引領。

2?以工程問題為導向的“結構力學”教學設計

2.1?總體設計思路

將工程問題與啟發互動式教學相結合，以工程問題作為學習的起點和知識選擇的依據，從“問題情境”“啟發講授”“師生交互”和“自學解惑”四個階段，構建以工程問題為導向的教學模式，如圖1所示。課程教學按照“識結構→析結構→解結構→用結構”的流程，圍繞“結構”展開：課前由學生自主發現和教學內容相對應的工程問題（識結構）；課中以工程問題開啟教學內容，引導學生分析隱含于工程問題背后的力學知識（析結構）；師生通過案例分析、模型演示、趣味實驗、翻轉課堂、分組討論等活動共同提煉原理和方法（解結構）；課后學生靈活運用線上資源、力學實驗、方法論歸納等方式對問題進行實踐拓展（用結構）。

2.2?實施路徑設計

以掌握力學知識為根本出發點，采用先案例和問題導入、后實踐和德育深化的教學方法，理論與實踐并舉，趣味與實效并重，讓學生循序漸進地接受課堂教學，并以問題貫穿課程內容，培養學生發現、分析和解決實際問題的能力。具體包括以下幾個方面：（1）結合力學發展史［6］、科學家精神及大師成長故事、工程案例、國家重大工程建設成就以及學科前沿研究成果等，建立課程的案例素材庫，為“結構力學”的課堂教學提供豐富的載體；（2）設置與課程內容緊密相關的有意義的問題，教師以問導學，利用問題活躍課堂氣氛，激發學生學習熱情，引導學生去發掘隱含于問題背后的科學知識和德育思想；（3）積極運用線上、線下豐富的教學資源，將抽象的、不易理解的理論通過圖片、動畫、視頻、力學實驗和工程實例等方式展示給學生；靈活設置案例研究、工程事故分析、模型演示、趣味實驗、分組討論、翻轉課堂等多項課堂活動，融入師生、生生交流的互動教學環境，實現多維實踐課堂；（4）注意加強不同教學單元之間的聯系，整理和歸納結構力學的方法論［67］，使知識得以縱向展開和橫向貫通。

3?以工程問題為導向的“結構力學”教學實施路徑

本節以“結構位移計算之變形體虛功原理”這一知識點為例，詳細介紹教學設計的具體實施。教學設計如圖2所示，通過工程問題（廣州虎門大橋的晃動事件和深圳賽格大廈搖晃事件）的導入，激發學生的學習熱情，明確學習目標（位移計算的必要性）；采用問題引導、啟發互動式講授、線上線下混合等教學方法，和學生共同分析問題，并尋找解決問題的思路（位移計算的思路：傳統的直接分析和虛功原理的間接求解）；提煉結構力學的基本原理和方法（基于變形體虛功原理的位移計算基本思路及公式），通過算例、力學實驗、方法論歸納等提高課堂教學的實踐性，引導學生樹立科學思維，提高科學思維的能力。

3.1?熱點案例導入，理論聯系實踐

在課程導入部分，通過提問位移的基本概念和產生位移的原因來回顧前節內容，以熱點工程案例引出本節內容。舉例廣州虎門大橋的晃動事件和深圳賽格大廈搖晃事件，由于產生過大位移而影響了正常使用。在對結構進行強度驗算的同時，還需要對結構進行剛度驗算，即計算結構位移，從而引出結構位移計算的必要性。再舉例正處于大建設期間的合肥，隨處可見的高架橋采用雙懸臂施工，道出結構位移計算的第二個目的，即滿足施工要求。以熱點工程實例引出課程內容，也借此向學生闡述結構工程師身上的重大責任，大型建筑結構一旦發生任何問題，都會產生財產損失，甚至是人員傷亡。秉承“以學促用，學以致用”的理念，引導學生理論聯系實踐，培養正確的工程師職業道德觀和社會責任觀。

3.2?挖掘結構力學方法論，變“強攻”為“智取”

“結構力學”課程中很多方法都蘊含著等效轉化的思想，具有對偶互補的特點。對結構力學的方法論進行整理與歸納，以期幫助學生實現多章節眾多方法之間的融會貫通，引導學生培養將未知問題轉化為已知問題的科學思維，并掌握同一問題的多種分析思路和方法。“結構力學”最主要的內容就是求力和求位移，在傳統的直接分析方法中，利用平衡條件求力，利用幾何條件求位移。因結構變形幾何條件的復雜性，利用幾何條件求位移是最直接，但并不是最方便的方法。通過超星學習通的線上討論，回憶影響線的兩種作法，靜力法是利用平衡條件求力，而機動法是利用虛功原理，虛設位移求力，從而引導學生自行歸納出與之相對應的虛設力求位移，合二為一即為基于虛功原理的間接求解方法。力系的平衡問題與位移的幾何協調問題是成對且呼應的重要問題，而虛功原理恰恰是這兩個問題之間的橋梁和紐帶，其本質是求解問題和范式的轉化，變“強攻”（結構幾何條件復雜，直接求解位移不方便）為“智取”（借助虛功原理，虛設力求位移）。

3.3?知悉力學發展史，領悟科學家精神

在講授過程中，從力學發展史和科學家精神方面進行挖掘延伸，培養學生發現、分析和解決實際問題的科學思維，引導學生領悟科學家傳承與創新同步的科學家精神，實現知識傳授、能力培養與價值引領。虛功原理是結構位移計算的理論支撐，它的奠基人是著名的物理學家拉格朗日。在拉格朗日之前，著名的物理學家牛頓集前人工作之大成，建立了以力為基本概念的力學體系，而拉格朗日另辟蹊徑，在前人工作的基礎上建立了以能量為基本概念的力學體系。不論是牛頓還是拉格朗日，都是在前人工作的基礎上，建立經典力學體系的兩條不同路徑，并通過嚴謹的證明而被世人廣泛認可，這種理論傳承和創新同步的精神值得學習。“集百家之長，走創新之路”正是需要引導學生去培養的科學觀和科學素養。

3.4?互動與實驗增強實踐，學習通融合線上線下

通過示例計算和力學實驗來提高課堂教學的實踐性。給出計算示例，請學生在分組討論后給出計算思路。設計學生能夠自己動手的力學實驗，例如，在長尺一端綁上重物，用手將尺的另一端固定在桌角，以模擬在自重和自由端受集中力下的懸臂梁，分別觀察尺子扁平和豎立兩種放置情況下的變形。借助超星學習通的討論，和學生共同歸納結構力學方法論。結構位移計算分為傳統的幾何條件求位移和基于虛功原理的虛設力求位移，兩種方法成對互補，呈對偶關系。與此同時，虛功原理的兩個應用，虛位移原理和虛力原理也是對偶關系，如圖3所示，詞云分析表明學生已經理解了等效轉化的思想和一一對應的對偶關系，可以真正做到舉一知二，融會貫通［8］。

4?結論

作為土木工程學科中承前啟后的重要專業基礎課，“結構力學”具有理論性與實踐性并重的特點。針對課程教學中主知識、輕育人的問題，秉承“學以致用、以用促學”的教學理念，構建以工程問題為導向的教學模式：

（1）靈活結合力學發展史與結構力學方法論、科學家精神及大師事跡、熱點工程案例、國家重大工程建設成就以及學科前沿研究成果等，將與課程內容相關的有意義的問題設置到具體的情景中，以問題引出目的和意義，以案例講解強化原理和方法，以力學史與方法論培養科學思維，以例題訓練和力學實驗提高課程實踐性，以工程應用拓展專業常識。

（2）在教學實施中，采用問題引導、啟發教學、互動討論、線上線下融合等多種教學方法和手段，構建交流互動的實踐課堂，輔以超星學習通等線上資源，對課前、課中、課后進行有機銜接。以期能夠發揮學生學習主動性，培養學生理論聯系實踐的能力，實現知識傳授、能力培養與價值引領于一體的教學路徑。

參考文獻：

［1］張學元，呂春，張道明，等.結構力學教學中結構設計的情境創設［J］.力學與實踐，2017，39（04）：392395.

［2］于桂蘭，曹艷梅，賈影，等.工程化教學理念在《結構力學》課程中的實踐［J］.教育教學論壇，2018（7）：99101.

［3］曲激婷，陳廷國，黃麗華，等.結構力學課程建設及混合式教學研究［J］.教育現代化，2019，6（17）：8183.

［4］程斌，向升.結構力學課程“3W3E”教學法［J］.高等建筑教育，2020，29（01）：119125.

［5］魯彩鳳，呂恒林，張營營.結構力學線上線下混合式一流課程建設實踐［J］.力學與實踐，2022，44（01）：203211.

［6］武際可，隋允康.力學史與方法論論文集［M］.中國林業出版社，2003.

［7］鄭曉靜，周又和，王省哲.力學方法論與現代科技：第三屆全國力學史與方法論學術研討會論文集［M］.蘭州大學出版社，2007.

［8］龍馭球.結構力學方法論的哲思回望［J］.工程力學，2019，36（04）：17.

基金項目：安徽建筑大學校級教學研究項目（2021?jy09）；安徽建筑大學校級線上線下混合式課程（2022xsxx?02）；安徽建筑大學博士啟動基金（2018QD50）；安徽省自然科學基金（2008085QA23）

作者簡介：戴云彤（1990—?），女，安徽馬鞍山人，博士，安徽建筑大學講師，研究方向：結構力學及光測實驗力學。