基于“4+1”模式的應(yīng)用型高校結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革與研究

楊 陽，胡愛萍，王進(jìn)璽

(1.隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅省高校黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 慶陽 745000)

自19世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)力學(xué)開始成為一門獨(dú)立的學(xué)科。20世紀(jì)中葉，電子計(jì)算機(jī)和有限元法的問世使得大型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜計(jì)算成為可能，從而將結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究和應(yīng)用水平提到了一個新的高度。結(jié)構(gòu)力學(xué)是固體力學(xué)的一個分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律，以及如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的學(xué)科，探討各類經(jīng)典結(jié)構(gòu)的特性及相關(guān)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，相關(guān)定義、概念和知識點(diǎn)較多，抽象性強(qiáng)[1-2]。近年來，隨著社會不斷發(fā)展進(jìn)步，它作為土木工程專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)核心基礎(chǔ)課，對于其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)起到承前啟后的重要作用，同時也是土木工程專業(yè)后續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等專業(yè)課程和課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐課程的基礎(chǔ)，在土木工程各專業(yè)的學(xué)習(xí)中均占有重要的地位[3-5]。

1 課程現(xiàn)狀及存在問題

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)過程中存在以下問題[6]：(1)課程內(nèi)容繁瑣、零亂，概念抽象,針對理論內(nèi)容的抽象講解更容易使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)誤區(qū)，讓內(nèi)容變得更加晦澀難懂；(2)應(yīng)用能力要求在不斷提高，但課時量不斷減少；(3)傳統(tǒng)教學(xué)方式單一。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)仍停留在教師課堂講授、學(xué)生被動接受知識、即以教師為主體的“填鴨式”狀態(tài)，引入新型教學(xué)模式，注重力學(xué)知識體系的強(qiáng)化，引導(dǎo)學(xué)生從知識體系的高度來認(rèn)識、理解、歸納各種力學(xué)概念、理論與方法，加強(qiáng)力學(xué)概念和培養(yǎng)綜合分析能力，并在這個過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和初步的科研能力，便顯得尤為迫切。

2 課程教學(xué)改革探索與研究

針對結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題和不足，本課程改革主要從以下幾方面進(jìn)行：

2.1 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

興趣是最好的老師。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)關(guān)鍵在于要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣，提高自身的主動性，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，對于結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)習(xí)由“未知—感性的認(rèn)識—濃厚的興趣”，從而可以改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)效率，并且具備應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識分析問題和解決問題的能力。例如：開課前給學(xué)生介紹參考書《趣味結(jié)構(gòu)力學(xué)》[7]，該書包括結(jié)構(gòu)力學(xué)基本部分(幾何組成分析、靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)位移計(jì)算、力法、位移法和力矩分配法、影響線)的內(nèi)容，也涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)的專題部分(動力分析、穩(wěn)定、極限荷載)的部分內(nèi)容。通過豐富的例題及工程實(shí)例，在闡明結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念和原理的基礎(chǔ)上，揭示了課程的趣味性，旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣。另外加強(qiáng)對歷年來結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽獲獎的情況宣講，讓學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的應(yīng)用成果有直接的認(rèn)識，從而增強(qiáng)他們對結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程的感性認(rèn)識和學(xué)習(xí)興趣。

2.2 改革教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)手段主要以教師講授為主，不能充分地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。因此，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革研究的基礎(chǔ)上，首次提出在“慕課+翻轉(zhuǎn)課堂”的基礎(chǔ)教學(xué)中融入結(jié)構(gòu)電算和結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的“4+1”教學(xué)模式，應(yīng)用信息化教學(xué)手段，建立結(jié)構(gòu)力學(xué)課程學(xué)習(xí)平臺，通過任務(wù)驅(qū)動、課堂翻轉(zhuǎn)、案例教學(xué)、有限元分析與圖像展示、現(xiàn)場實(shí)踐，促使學(xué)生實(shí)現(xiàn)了從“被動、依賴、統(tǒng)一、虛擬與認(rèn)同”的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式向“主動、獨(dú)立、獨(dú)特、體驗(yàn)與問題”的現(xiàn)代學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變，真正做到了以學(xué)生為主導(dǎo)的教學(xué)模式。

2.3 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

針對結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容繁瑣和概念抽象的情況[8]，可以根據(jù)學(xué)情，注重教學(xué)內(nèi)容邏輯性和科學(xué)性的同時對相關(guān)內(nèi)容的先后順序進(jìn)行靈活調(diào)整，突出重點(diǎn)，分散難點(diǎn)，穿插對結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)方法的講解，引導(dǎo)學(xué)生歸納知識點(diǎn)，合理安排教學(xué)內(nèi)容，在滿足基本教學(xué)要求的前提下取得最好的教學(xué)效果。例如：在力學(xué)結(jié)構(gòu)第2章結(jié)構(gòu)的幾何組成分析中[8]，介紹了兩種方法：(1)幾何不變無多余約束的平面桿件桿系的幾何組成規(guī)則；(2)體系的計(jì)算自由度。這兩種方法都能判定結(jié)構(gòu)體系的組成情況，計(jì)算自由度法更直觀、更容易被學(xué)生接受。為了讓學(xué)生更加容易理解，可以對兩種方法的教學(xué)內(nèi)容做先后次序的調(diào)整，先介紹體系的計(jì)算自由度法，后介紹幾何不變無多余約束的平面桿件桿系的幾何組成規(guī)則，以便于學(xué)生更好地掌握結(jié)構(gòu)的幾何組成分析。

2.4 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)踐應(yīng)用

應(yīng)用型本科教學(xué)重點(diǎn)是要強(qiáng)化學(xué)生的動手能力和應(yīng)用能力，讓學(xué)生真正做到學(xué)以致用。因此，將結(jié)構(gòu)模型制作引入結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的學(xué)習(xí)可以指導(dǎo)學(xué)生制作各種結(jié)構(gòu)模型，反之，也可用結(jié)構(gòu)模型驗(yàn)證各種結(jié)構(gòu)力學(xué)概念，將抽象的力學(xué)概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。例如：牽頭成立了大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)會，組織學(xué)生利用竹材制作簡支梁等簡易結(jié)構(gòu)模型以及框架核心筒、大跨度網(wǎng)架和電力輸電塔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行加載試驗(yàn)，為學(xué)生架起由“力學(xué)理論”到“實(shí)際結(jié)構(gòu)”的橋梁，可加強(qiáng)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)踐應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。

2.5 提高科技創(chuàng)新能力

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是現(xiàn)代高等教育最重要、最明確的目標(biāo)。在結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)過程中，結(jié)合有限元軟件強(qiáng)大的計(jì)算分析和圖像展示功能，應(yīng)用力學(xué)原理對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且使結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)位移計(jì)算、矩陣位移法等教學(xué)內(nèi)容可以得到更好的展示，并且依托于大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽的平臺，在立足于解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)上，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，使學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)對力學(xué)知識的應(yīng)用，參與各種創(chuàng)新性研究項(xiàng)目，發(fā)揮課程的輻射作用，全面推動創(chuàng)新人才培養(yǎng)。近三年來依托于大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽，組織學(xué)生積極參與，認(rèn)真實(shí)踐并不斷改革創(chuàng)新，參加省賽的6組學(xué)生先后獲得甘肅省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽二等獎1項(xiàng)，三等獎4項(xiàng)，優(yōu)秀獎1項(xiàng)，并且積極參與到教師的創(chuàng)新性項(xiàng)目和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中，使學(xué)生的科技創(chuàng)新能力有很大的提高。

2.6 改革考核方式

土木工程專業(yè)依據(jù)學(xué)校的“應(yīng)用型”的辦學(xué)定位和專業(yè)特色，要求學(xué)生畢業(yè)后具有：(1)堅(jiān)實(shí)的土木工程學(xué)科基本理論知識和基本應(yīng)用能力；(2)具備系統(tǒng)解決土木工程領(lǐng)域較為復(fù)雜工程問題的能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力；(3)具有一定的國際視野、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和溝通管理能力。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程作為土木工程專業(yè)的核心課程和支撐課程，必須與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)相一致。以往課程考試一直采用閉卷考試，考試題型有選擇題、填空題、判斷題、計(jì)算題和分析題等。學(xué)生卷面不及格率較高，力學(xué)實(shí)踐應(yīng)用能力較差，不能完全反映學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)情況。因此，對傳統(tǒng)以考試為主的考核方法進(jìn)行改革勢在必行。改革考核方式迫在本著“應(yīng)用型和實(shí)踐型”的原則，應(yīng)該加強(qiáng)日常管理，考核過程中應(yīng)考慮學(xué)生日常表現(xiàn)(5%)、課堂表現(xiàn)(5%)、章節(jié)測試(10%)、期末考試(40%)、有限元分析能力(10%)、模型制作能力(10%)和力學(xué)實(shí)踐應(yīng)用能力(20%)等進(jìn)行綜合評定，后期課程改革過程中也可根據(jù)改革效果，逐步大力提高課程成績評定中有限元分析能力、模型制作能力、力學(xué)實(shí)踐應(yīng)用能力等綜合實(shí)踐能力所占權(quán)重比例，最終達(dá)到60%左右，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和培養(yǎng)質(zhì)量，真正意義上體現(xiàn)“應(yīng)用型和實(shí)踐型”的原則。

3 結(jié)語

基于“4+1”模式的應(yīng)用型高校結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)，以結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)為中心，基于目前在全球得到快速發(fā)展的慕課教育技術(shù)平臺，同時引入國外翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法，使結(jié)構(gòu)力學(xué)電算、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)實(shí)踐與結(jié)構(gòu)力學(xué)課程學(xué)習(xí)相結(jié)合，提出了任務(wù)驅(qū)動、課堂翻轉(zhuǎn)、案例教學(xué)、有限元分析與圖像展示、現(xiàn)場實(shí)踐等教學(xué)改革研究，從教學(xué)內(nèi)容體系規(guī)劃和教學(xué)方法等方面改革，加強(qiáng)對土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的建設(shè)，旨在提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性、趣味性和參與度，形成了“知識—訓(xùn)練—實(shí)踐”良性循環(huán)的新型結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)模式，從而提高土木工程專業(yè)學(xué)生面向工程實(shí)際的力學(xué)分析與計(jì)算能力。