基于產(chǎn)業(yè)需求和學(xué)情分析的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程改革

吳思瑤 張誠紫

(福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院 福建福州 350002)

0 引言

我國正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新階段，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級，對人才培養(yǎng)提出了新的素質(zhì)要求，“十九大精神”也為高等教育發(fā)展和高校人才培養(yǎng)明確了方向。因此，以職業(yè)要求為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，建設(shè)“應(yīng)用型高?！币殉蔀槲覈胀ū究聘咝５闹匾k學(xué)目標(biāo)，而加強(qiáng)主干課程建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)則是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)?！督Y(jié)構(gòu)力學(xué)》課程在土木工程專業(yè)的課程體系中處于承上啟下的關(guān)鍵地位，但由于該課程本身難度較大且以理論教學(xué)為主，學(xué)生的興趣度和積極性偏低，很多學(xué)生面臨基礎(chǔ)知識不扎實(shí)和工程思維能力較差的問題。近年來，許多教學(xué)工作者針對該課程的教學(xué)現(xiàn)狀提出了教學(xué)改革措施并取得了一定成果，但對該課程與建筑產(chǎn)業(yè)需求的聯(lián)系以及考慮學(xué)情分析的研究較少[1-6]。因此，本文以加強(qiáng)課堂教學(xué)的趣味性并貼近實(shí)際工程為重點(diǎn)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力為目標(biāo)，在產(chǎn)業(yè)需求和學(xué)情分析調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐和反思，提出四項(xiàng)改革措施，以期切實(shí)改善教學(xué)效果，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)及將來參加工作打下良好的基礎(chǔ)。

1 產(chǎn)業(yè)需求和學(xué)情調(diào)研

1.1 產(chǎn)業(yè)需求分析

土木工程專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工現(xiàn)場管理或技術(shù)方面的工作，其工作崗位能力與專業(yè)知識水平密切相關(guān)，而《結(jié)構(gòu)力學(xué)》就是一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須掌握相關(guān)的結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)知識。例如，在最開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)對力的傳遞路線有清晰的認(rèn)識；在構(gòu)件截面設(shè)計(jì)過程中，正確理解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計(jì)算結(jié)果是關(guān)鍵；在抗震分析時，周期、振型等基本概念與結(jié)構(gòu)力學(xué)更是密不可分。同時，雖然PKPM、YJK等軟件大大降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，但實(shí)際工程仍然要求設(shè)計(jì)人員具備一定的定性分析能力和手算能力，這樣面臨實(shí)際設(shè)計(jì)問題時，思路才會更敏捷，才能更快地進(jìn)行模型調(diào)整，對簡單的構(gòu)件通過手算即可完成設(shè)計(jì)。因此，學(xué)好結(jié)構(gòu)力學(xué)對于設(shè)計(jì)人員更好、更快地完成設(shè)計(jì)任務(wù)有重要的作用，而且可以加深設(shè)計(jì)人員對專業(yè)規(guī)范條文的理解，有助于通過注冊結(jié)構(gòu)工程師考試。從施工角度出發(fā)，諸如施工縫的設(shè)置、鋼筋在構(gòu)件中的上下位置、節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造要求、預(yù)制構(gòu)件堆放和吊點(diǎn)的布置、模板支架的搭設(shè)等都與結(jié)構(gòu)力學(xué)知識息息相關(guān)。如果施工管理及技術(shù)人員都掌握了荷載、結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件的受拉區(qū)、受壓區(qū)、剪力、彎矩等力學(xué)基本概念，對所施工結(jié)構(gòu)的受力性能有所了解，施工人員就能更快地理解施工圖紙和要求，保證相關(guān)規(guī)范的正確執(zhí)行，使發(fā)生錯誤的機(jī)率大大降低，并且能夠根據(jù)現(xiàn)場發(fā)生的實(shí)際情況，快速正確地處理一般性的管理和技術(shù)問題，這樣不僅可使施工質(zhì)量和安全得到可靠保障，而且一定程度上也能提高施工效率[7]。

1.2 學(xué)情分析

學(xué)情分析是指對學(xué)生在學(xué)習(xí)方面的特點(diǎn)、學(xué)習(xí)方法、習(xí)慣、興趣、成績等進(jìn)行分析。近年來，高校的學(xué)風(fēng)呈現(xiàn)出淡化的趨勢，學(xué)生普遍存在學(xué)習(xí)散漫，缺乏動力的問題。尤其是面對《結(jié)構(gòu)力學(xué)》這類理論性強(qiáng)，難度高的課程，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，很容易在學(xué)習(xí)過程中喪失興趣或者動力。因此，針對性的學(xué)情分析對提高教學(xué)質(zhì)量而言是非常必要的。本研究以福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)生為對象，圍繞學(xué)生對《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程的認(rèn)知情況和關(guān)注點(diǎn)，展開了學(xué)情調(diào)查工作。

調(diào)查結(jié)果分析表明：(1)大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的動機(jī)都只是完成必修學(xué)分的要求，雖然知道該課程是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，但并不了解其與實(shí)際工程的關(guān)聯(lián)性；(2)最關(guān)注和感興趣的多數(shù)是該課程考核方面的問題以及該課程在今后學(xué)習(xí)、考研和工作方面的作用；(3)少數(shù)學(xué)生喜歡該課程，學(xué)生普遍覺得該課程難度大，前期基礎(chǔ)不扎實(shí)，后期就跟不上授課進(jìn)度；(4)僅半數(shù)的學(xué)生能夠獨(dú)立完成課后作業(yè)或和同學(xué)討論后完成；(5)加入實(shí)踐和應(yīng)用環(huán)節(jié)對提高學(xué)生的積極性和鞏固理論知識有較大的幫助。

2 課程改革措施

基于產(chǎn)業(yè)需求和學(xué)情分析的結(jié)果，本文以改善教學(xué)效果，提高學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力為目標(biāo)，從激發(fā)學(xué)生積極性的角度出發(fā)，提出了四項(xiàng)課程改革措施。

2.1 充分利用緒論課

緒論課作為整個課程的綱領(lǐng)，主要介紹的是課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)安排、教學(xué)特點(diǎn)、教學(xué)要求、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法、考核方法等，具有非常重要的作用，直接影響今后正常教學(xué)的效果。概括來說，緒論課的關(guān)鍵在于對學(xué)生的 “激發(fā)”和“引導(dǎo)”。“激發(fā)”是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。從學(xué)情分析結(jié)果來看，在《結(jié)構(gòu)力學(xué)》緒論課上突出學(xué)習(xí)該課程的意義，對提高學(xué)習(xí)積極性是十分必要的。根據(jù)學(xué)生最關(guān)注和最感興趣的內(nèi)容，可以從3個方面突出該課程的重要作用：一是從課程體系角度出發(fā)， 介紹《結(jié)構(gòu)力學(xué)》與其他課程的關(guān)聯(lián)性，尤其要強(qiáng)調(diào)沒有學(xué)好該課程對后續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)課的影響。二是從考研和考證角度出發(fā)，讓學(xué)生知道《結(jié)構(gòu)力學(xué)》是今后考研的主要專業(yè)課，也對工作后考取注冊結(jié)構(gòu)工程師資格證書有幫助。三是從產(chǎn)業(yè)需求角度出發(fā)，按照1.1節(jié)所述，可以以圖片或視頻的方式舉例說明《結(jié)構(gòu)力學(xué)》與今后工作和實(shí)際工程的聯(lián)系。例如，可以向?qū)W生展示一個實(shí)際工程項(xiàng)目的三維建筑模型，通過觀察模型，學(xué)生能夠更好地理解結(jié)構(gòu)的作用、力的傳遞路徑以及結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖的形成；通過內(nèi)力圖和配筋圖，學(xué)生能夠深刻體會結(jié)構(gòu)力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的緊密聯(lián)系，充分激發(fā)學(xué)生的求知欲?！耙龑?dǎo)”則是給學(xué)生構(gòu)建一個知識框架，梳理好該課程的知識脈絡(luò)，指出重難點(diǎn)內(nèi)容，特別要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)各章節(jié)的緊密聯(lián)系，如果前期學(xué)習(xí)不好會直接影響后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)，尤其是靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算方法是課程的重中之重，需要打好基礎(chǔ)[8]。

2.2 引入結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器

由于目前《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程沒有設(shè)置相應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SM Solver與課程內(nèi)容的結(jié)合能夠增加理論知識的生動性，讓學(xué)生更形象、深刻地理解課程內(nèi)容，扎實(shí)力學(xué)基本功。SM Solver軟件操作方便，易于上手，能夠求解結(jié)構(gòu)力學(xué)中二維平面桿件體系的幾何構(gòu)造分析、受力分析、位移計(jì)算等問題。一方面，課堂演示的方式比理論講解更生動，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。具體章節(jié)應(yīng)用情況和對應(yīng)作用見表1，其中結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算知識模塊包括靜定結(jié)構(gòu)及超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移計(jì)算相關(guān)章節(jié)。另一方面，SM Solver可為學(xué)生課后作題提供參考，能夠培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。例如輸入一個靜定或超靜定結(jié)構(gòu)，求解器都能生成相應(yīng)的內(nèi)力圖和位移計(jì)算結(jié)果，便于學(xué)生校核，有助于學(xué)生獨(dú)立完成作業(yè)，扎實(shí)力學(xué)基本功。

表1 SM Solver在結(jié)構(gòu)力學(xué)課堂演示中的應(yīng)用

2.3 融合實(shí)際案例和技巧

土木工程涉及范圍非常廣，包括建筑、橋梁、大壩、擋土墻等，都與力學(xué)脫不開關(guān)系。若能將常見的工程案例融合到課堂教學(xué)中，不僅可以將抽象的力學(xué)形象化，而且可以強(qiáng)化學(xué)生的工程意識，讓學(xué)生體會到結(jié)構(gòu)力學(xué)在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值，從而提升理論學(xué)習(xí)的興趣。同時，在日常生活中也有很多地方可應(yīng)用到結(jié)構(gòu)力學(xué)知識或者用于類比學(xué)習(xí)的技巧，對于提高課程的趣味性，加深學(xué)生對課程內(nèi)容的感性認(rèn)知和理解掌握有很大幫助。本文歸納了常見的與結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)的案例技巧及對應(yīng)的知識點(diǎn)[8-12]，如表2所示。

表2 提高結(jié)構(gòu)力學(xué)趣味性的案例及技巧

2.4 結(jié)合大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽

對于土木工程專業(yè)來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽是一項(xiàng)重要的學(xué)科性競賽，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、團(tuán)隊(duì)合作和工程實(shí)踐能力。從創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)的角度出發(fā)，我院積極鼓勵學(xué)生參加省、院兩級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽，并將該競賽作為第二課堂學(xué)分認(rèn)定的一個項(xiàng)目。由于學(xué)生在模型設(shè)計(jì)、制作、加載和分析過程中，需要充分利用到相關(guān)的力學(xué)知識，因此，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽作為結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)的一個環(huán)節(jié)是非?？尚械腫13]。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的賽題非常豐富，都來源于實(shí)際生活或工程，包括房屋建筑、橋梁、大跨度屋蓋、發(fā)電塔、廣告牌等，梁、拱、桁架、框架等這些結(jié)構(gòu)形式都有涉及到。模型制作材料以卡紙、竹材、木材等為主；模型加載包括靜荷載、移動荷載、風(fēng)荷載及地震荷載。如福建省第十屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽，賽題是用竹材制作抗連續(xù)倒塌結(jié)構(gòu)，如圖1～圖2所示，通過模型設(shè)計(jì)與制作的過程，學(xué)生會主動學(xué)習(xí)及思考相關(guān)的專業(yè)知識；通過建模分析的過程，學(xué)生對結(jié)構(gòu)體系、力的傳遞、受力特點(diǎn)等問題的理解程度可以得到強(qiáng)化并學(xué)以致用；通過加載破壞過程，學(xué)生能更直觀地觀察到節(jié)點(diǎn)破壞、桿件失效、結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)或出現(xiàn)極限承載力狀態(tài)的情況，不僅可以使學(xué)生鞏固已學(xué)習(xí)的力學(xué)知識，而且也為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)際工程應(yīng)用能力打下了基礎(chǔ)?？傊?，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽與《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程相結(jié)合，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)力學(xué)思維，鞏固專業(yè)知識，提高實(shí)踐及創(chuàng)新能力，樹立團(tuán)隊(duì)意識，同時通過師生交流的形式，也能讓老師了解學(xué)生對相關(guān)課程知識的掌握程度。

圖1 實(shí)際模型結(jié)構(gòu)圖2 有限元模型

3 課程改革效果

通過一學(xué)期完整的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生總體上對結(jié)構(gòu)力學(xué)課程知識的掌握程度比上一學(xué)年要明顯提高，具體表現(xiàn)如下：(1)更理解結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖與真實(shí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系；(2)幾何組成分析的方法和技巧更熟練；(3)靜定結(jié)構(gòu)受力分析和位移計(jì)算的基本功更扎實(shí)；(4)超靜定結(jié)構(gòu)的計(jì)算思路更清晰；(5)影響線概念和繪制方法掌握更準(zhǔn)確；(6)結(jié)構(gòu)動力學(xué)基本概念和原理理解更深刻。

同時，通過課程反饋調(diào)查表明，喜歡結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的同學(xué)明顯增加，能夠獨(dú)立完成課后作業(yè)的同學(xué)比例也明顯提高，且60%以上的同學(xué)都認(rèn)為課堂上引入結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件和工程實(shí)際案例，對提高學(xué)習(xí)興趣度和對課程內(nèi)容的理解有較大的幫助。

4 結(jié)語

產(chǎn)業(yè)需求是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的導(dǎo)向，學(xué)情分析是教學(xué)質(zhì)量保證的前提，本文在產(chǎn)業(yè)需求及學(xué)情分析的基礎(chǔ)上，提出了四項(xiàng)課程改革措施。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，改革得到了學(xué)生認(rèn)可，取得了良好效果：

(1)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和工程意識，幫助學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)目標(biāo)；

(2)提高了課程的趣味性和學(xué)生的積極性，有助于知識的掌握應(yīng)用以及工程思維的擴(kuò)展；

(3)培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)合作、實(shí)踐創(chuàng)新的能力。