關(guān)于《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程的教學(xué)改革與實踐

劉俊華 劉鳳利

摘 要：以目前土木工程專業(yè) “結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀及專業(yè)發(fā)展需要等方面的實際情況為背景，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法以及考核方式方面探討了提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、動手能力、創(chuàng)新能力等素質(zhì)的有效方法，探討了“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)改革的方向。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)方法 考核方式 改革

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：

引言

《結(jié)構(gòu)力學(xué)》是土木工程專業(yè)方向開設(shè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)核心課，其教學(xué)目的在于使學(xué)生主要掌握結(jié)構(gòu)的簡化、幾何組成、強度、剛度和穩(wěn)定性分析方法，了解各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點，并獲得結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方面的基本技能，為工程設(shè)計、施工和管理等工作提供必需的結(jié)構(gòu)力學(xué)基本知識，同時為后續(xù)課程如《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》、《鋼結(jié)構(gòu)》、《建筑施工》和《基礎(chǔ)工程》等專業(yè)課的學(xué)習(xí)及課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)提供必要的結(jié)構(gòu)力學(xué)基本知識。因此“結(jié)構(gòu)力學(xué)”在土木工程專業(yè)培養(yǎng)計劃中占有重要地位。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對土木類人才的要求越來越高。傳統(tǒng)“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程面臨著：教學(xué)學(xué)時減少，擴招后的生源素質(zhì)又有所下降[1]；學(xué)生對學(xué)習(xí)該課程不夠重視，學(xué)習(xí)興趣不高；學(xué)生在工程實踐中提出力學(xué)問題及應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識分析，解決問題的能力和素質(zhì)明顯不足。本文針對這些現(xiàn)狀，根據(jù)十幾年的改革實踐，從以下幾個方面探討“結(jié)構(gòu)力學(xué)”的教學(xué)改革。

1.教學(xué)內(nèi)容改革

1.1 刪除與其他課程重復(fù)交叉的內(nèi)容

隨著一些新型學(xué)科的發(fā)展和土木工程專業(yè)發(fā)展的需要，本科生的開設(shè)的課程越來越多，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”的教學(xué)學(xué)時在減少。建議在“理論力學(xué)”和“材料力學(xué)”中學(xué)過的內(nèi)容，如：靜定梁的內(nèi)力計算等內(nèi)容，在“結(jié)構(gòu)力學(xué)”沒有必要再講授或只需簡單帶過；矩陣位移法內(nèi)容將在后續(xù)課程有限單元法中有詳細的介紹，在少課時的情況下這一章的內(nèi)容可刪除不講[1]。同時，為了適應(yīng)新形勢下專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，可增加一些新的內(nèi)容，比如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算這一章，在“結(jié)構(gòu)力學(xué)”少學(xué)時的課程設(shè)置中是不作為必講內(nèi)容的，但是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算是結(jié)構(gòu)分析中非常重要的部分，也是一些院校考研必考的一章，因此可應(yīng)作為重點講授內(nèi)容。

1.2完善教學(xué)體系

很多工程技術(shù)人員和初學(xué)者，對一個具體的結(jié)構(gòu)進行分析時，往往無從著手。其原因，一是理論聯(lián)系實際較少，二是結(jié)構(gòu)力學(xué)體系或內(nèi)容還不夠完善或教材內(nèi)容的側(cè)重點布局不到位，比如在對一個具體的結(jié)構(gòu)進行分析，首先要把結(jié)構(gòu)簡化成計算簡圖，但它們往往簡化不到位，因此，建議把“結(jié)構(gòu)的計算簡圖”作為一章教學(xué)，并加入各種結(jié)構(gòu)形式的案例，經(jīng)近三年的教學(xué)實踐取得了良好的教學(xué)效果。簡化出結(jié)構(gòu)簡圖后，應(yīng)進入結(jié)構(gòu)幾何組成分析階段，這時學(xué)習(xí)者往往無從著手，原因是在幾何組成學(xué)習(xí)部分的體系中，教材中給出了三個“幾何組成規(guī)律”[2]后，就要求他們直接運用這三個幾何組成規(guī)律來分析結(jié)構(gòu)的幾何組成，而沒有給出利用幾何組成規(guī)律來分析結(jié)構(gòu)幾何組成的步驟和統(tǒng)一的方法。因此，建議補充上。

1.3 拓展教學(xué)內(nèi)容

土木工程培養(yǎng)的是復(fù)合型人才，要求學(xué)生知識面廣，眼界開闊，能跟上學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，因此，在不斷更新教學(xué)基本內(nèi)容的同時，還要延伸教學(xué)基本內(nèi)容來開闊學(xué)生的視野。比如在“對稱結(jié)構(gòu)的計算”教學(xué)過程中，結(jié)合科研成果，簡要地介紹了“相似對稱性在相似對稱結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用”[3]等內(nèi)容；在力矩分配法的教學(xué)過程中，介紹了比傳統(tǒng)的方法簡便、收斂速度更快的力矩分配法[4]，不僅擴大了知識面，還提高了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果。

1.4增加實踐環(huán)節(jié)量

“結(jié)構(gòu)力學(xué)”這門課程主要是理論學(xué)習(xí)，但可以通過增加實踐環(huán)節(jié)來讓學(xué)生很好地理解掌握比較抽象、難懂和難掌握知識點的。比如通過結(jié)構(gòu)設(shè)計并開放實驗的方式，讓學(xué)生分組創(chuàng)作房屋和橋梁模型等。要求作出計算簡圖，分析出幾何組成，計算出結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性，做出結(jié)構(gòu)模型，試驗出結(jié)構(gòu)模型的強度、剛度和穩(wěn)定性等，對比分析試驗與理論的差異并通過討論提出優(yōu)化方法，教師對每組做詳細的點評。這樣的實踐環(huán)節(jié)，既使學(xué)生深刻地認識到了實際結(jié)構(gòu)的受力和變形與理論計算的差異，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新、分析與解決問題和團隊協(xié)作等能力，取得了良好的教學(xué)效果。

2.教學(xué)手段改革

2.1發(fā)揮好多媒體與傳統(tǒng)板書的優(yōu)勢

由于多媒體教學(xué)方便、直觀、生動、信息量大等優(yōu)點，對于內(nèi)容抽象、需要大量繪圖或書寫的知識點，多媒體的運用可彌補傳統(tǒng)板書的不足。比如在研究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定時，隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)由較小變形到較大的變形，直到失穩(wěn)這一過程，傳統(tǒng)板書是不能像多媒體做出來的動畫一樣，直觀、生動、形象地模擬并展現(xiàn)出這一失穩(wěn)過程的；在介紹結(jié)構(gòu)類型時，傳統(tǒng)板書需要畫出各種類型的結(jié)構(gòu)，占用了較多的課堂時間，而多媒體課件就能節(jié)省出這一部分課堂時間。由于人類認知規(guī)律的關(guān)系，在講授邏輯性較強的推理部分時，而往往板書效果較好，教師的板書過程，加深了學(xué)生的印象，書寫過程給予了學(xué)生充分的思考時間。實踐效果較好。

2.2發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代教學(xué)不可缺少的平臺，教師可以將每個知識點，每一次課的課前和課后的必讀和選讀資料，以及課堂準(zhǔn)備討論的問題等掛在上面，指導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和自學(xué)，從而提高課堂利用率，豐富學(xué)生的力學(xué)知識，滿足自學(xué)能力強的學(xué)生的求知欲。網(wǎng)絡(luò)是一個交流的平臺，在上面建立一個師生問題交流中心，讓學(xué)生都參與進來，通過交流、討論，解決疑難、加深理解、升華知識。取得了良好的教學(xué)效果。

3.教學(xué)方法改革

3.1引導(dǎo)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

目前，結(jié)構(gòu)力學(xué)“以教師為中心”單向灌輸，即填鴨式的傳統(tǒng)教學(xué)方法的教師不在少數(shù)，這種教學(xué)方式不能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)，尤其扼殺了學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力的養(yǎng)成。“引導(dǎo)式教學(xué)法”[5]是指教師改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，運用各種恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段，以實現(xiàn)教師主導(dǎo)、學(xué)生為主體目的的教學(xué)模式。也是基于日常生活或常見工程問題以學(xué)生為中心的教育方式。引導(dǎo)式教學(xué)法強調(diào)以問題解決為中心，強調(diào)社會性及交流合作的作用，使學(xué)習(xí)者在互相交流的過程中發(fā)展能力和協(xié)作技巧，培養(yǎng)有效地解決問題的技能以及自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力。比如學(xué)習(xí)“靜定平面剛架”，教師通過精心的教學(xué)設(shè)計，在上課之前將靜定平面剛架的預(yù)習(xí)資料和相關(guān)參考資料、討論的問題和內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺告訴學(xué)生，讓各個學(xué)生小組在課前預(yù)習(xí)、討論等以達到自學(xué)一些簡單的概念、理論和方法的目的，為課堂的引導(dǎo)式教學(xué)掃清障礙；課堂上根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容設(shè)置不同的工程問題，來激發(fā)學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)興趣，進而引發(fā)學(xué)生的積極思維，把整個身心都投入到教學(xué)過程中來，如學(xué)習(xí)懸臂剛架，問題一“懸臂剛架和懸臂梁外形上的異同點？”，問題二“懸臂剛架和懸臂梁內(nèi)力計算的異同點，剛架剛結(jié)點的內(nèi)力計算要點及注意事項？”；問題三“懸臂剛架可看作是懸臂梁怎么變化過來的”，問題四“懸臂剛架與簡支剛架、門式剛架和三角剛架在外形、外力和內(nèi)力計算方面的異同點”，通過這樣一步一步的遞進式的問題進行引導(dǎo)；此時，教師把發(fā)現(xiàn)問題、思維空間留給學(xué)生，充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主動性，讓學(xué)生圍繞探究目標(biāo)進行觀察、試探、驗證等一系列活動，讓學(xué)生在思維和操作中產(chǎn)生靈感，體驗發(fā)現(xiàn)和探索的樂趣，然后，學(xué)生小組內(nèi)和小組間相互交流，對探究的結(jié)論進行歸納總結(jié)，從而使預(yù)設(shè)的問題得以解決。

4.考核方式改革

結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門應(yīng)用型課程，其知識涉及大量的工程實踐，一次用試卷來表達的期末考試成績不能客觀地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力等。建議采用平時成績、筆試和機試相結(jié)合的考核方式。平時成績，主要結(jié)合考查學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題能力、分析問題能力、解決問題能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力以及平常表現(xiàn)等，包括回答提問、小組討論、小組間交流、小組里起的作用、平時作業(yè)、出勤等分值之和，平時成績占綜合成績的35%。筆試主要用于考查學(xué)生對基本概念、基本理論、基本方法的掌握程度，題型為填空題、判斷題、簡答題、作圖題和計算題，成績占總成績的50%；機試在機房電腦上完成，主要考查學(xué)生運用“結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器”分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)方法的掌握情況，每位學(xué)生從機試題庫中隨機抽取3道題，答題完成后計算機自動算這部分成績，并占綜合成績的15%?？傊瑢⑵谀┮淮涡蚤]卷考試與機試、課堂的回答問題、討論、平時作業(yè)等多種考核方式結(jié)合起來，教學(xué)實踐表明很好地彌補了單一閉卷考試的不足。

5.結(jié)束語

優(yōu)化“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容，完善教學(xué)體系，拓展教學(xué)內(nèi)容，增加實踐環(huán)節(jié)量；改進教學(xué)手段，發(fā)揮多媒體與傳統(tǒng)板書的優(yōu)勢，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢；改革教學(xué)方法，采用引導(dǎo)式教學(xué)，同時改進考核方法。教學(xué)實踐表明，這些舉措提高了“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)效果，培養(yǎng)和提高了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)。

參考文獻：

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基金項目：河南大學(xué)第十三批校級教學(xué)改革重點資助項目（HDXJJG2013-21）