“3E+3E”工程化教學理念下的結構力學一流課程建設

曹艷梅 于桂蘭 向宏軍 徐艷秋 賈影 石志飛

摘要：結構力學課程是土木工程、鐵道工程、水利工程等專業(yè)的核心專業(yè)基礎課，是連接基礎課和專業(yè)課的重要橋梁。北京交通大學結構力學獲批2020年首批國家線下一流本科課程，標志著結構力學課程建設和人才培養(yǎng)工作進入了一個新階段。針對課程建設過程中遇到的問題和難點，教學團隊以立德樹人為根本，以培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新性卓越人才為目標，以提高課程的高階性、突出課程的創(chuàng)新性、增加課程的挑戰(zhàn)度為課程建設的基本要求，提出“感性入手，理性探究”的“3E+3E”工程化教學理念。在教學實施過程中，從課程思政的承載、教學目標的優(yōu)化、教學方法創(chuàng)新方面進行了探索和實踐。教學實踐表明，“3E+3E”工程化教學理念不僅為“課程思政”和“兩性一度”的融合提供了新思路，而且為知識、能力、素質全面發(fā)展的人才培養(yǎng)創(chuàng)造了條件，為“傳授式”教學向“探究式”教學轉變探索了一條有效途徑。

關鍵詞：結構力學;一流課程;工程化教學;立德樹人;兩性一度

中圖分類號：G642.3;TU311?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2022）02-0110-09

2019年，教育部發(fā)布《關于一流本科課程建設的實施意見》（教高[2019]8號），明確提出以“落實立德樹人根本任務”為指導思想，以“提升課程高階性、突出課程創(chuàng)新性、增加課程挑戰(zhàn)度”（以下簡稱“兩性一度”）為基本原則的國家一流課程建設要求[1]。一流課程是一流專業(yè)的基礎，一流專業(yè)是一流本科的核心，課程質量直接決定了人才培養(yǎng)質量[2]。結構力學是土木工程、鐵道工程、水利工程等專業(yè)的核心專業(yè)基礎課程，

在基礎理論課到專業(yè)課的整個知識體系中起到重要紐帶和橋梁作用，對學生分析問題能力培養(yǎng)、價值觀塑造、工程素質教育、科學思維鍛煉等至關重要。

隨著教學改革的不斷深入，一線教研人員在結構力學教學理論、教學模式、教學方法、教學手段等方面展開探索，取得了卓有成效的改革成果[3-6]。然而，結構力學教學存在“四重四輕”現象：重理論輕應用，重計算簡圖輕工程實際，重知識講授輕能力鍛煉，重內容傳授輕思維培養(yǎng)。同時，在教學實施中還存在一些教學難點，如課時縮減情況下的教學內容取舍難、課堂中調動學生的參與式學習難、傳授知識與立德樹人融合難、手算與智能軟件應用互補難、課程內容的傳承與創(chuàng)新結合難、科學研究與課程教學交叉難等。針對以上問題，以立德樹人為根本，“兩性一度”為基本要求，提出“感性入手，理性探究”的“3E+3E”工程化教學理念，并將其深入貫徹到實際教學中，取得了較好的教學效果。

一、“感性入手，理性探究”的“3E+3E”工程化教學理念

結構力學是工程力學專業(yè)基礎課，在教學設計時應追溯其本質，使其回歸工程、服務工程。

（一）工程化教學理念的提出

由于授課對象為大學二年級學生，他們大多沒有生產實踐經驗，甚至缺乏最基本的工程常識。課堂上抽象的理論傳授，尤其是完全利用計算簡圖而不對應實際工程講授的方式，只會讓學生機械地重復記憶，無法生動再現概念、理論及方法之來源、意義和最終應用。在這一學情背景下，課程組首先對各時代大量的工程素材和工程案例進行收集，建立了與課程內容相關的工程素材庫（圖1）和工程案例庫（圖2）。

課堂中引用工程素材或工程案例激發(fā)學生的學習興趣，但單純引用工程素材或工程案例而未形成教學體系，不能充分鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，更談不上對學生綜合素質的培養(yǎng)。因此，基于前期建立的工程素材庫和工程案例庫提出“感性入手，理性探究”的“3E+3E”工程化教學理念，如圖3所示。

（二）工程化教學理念的前“3E”階段

“感性入手，理性探究”的“3E+3E”工程化教學理念強調整個教學循環(huán)始終圍繞工程案例進行，并分為前“3E”階段和后“3E”階段，前“3E”階段是后“3E”階段的基礎，后“3E”階段是前“3E”階段的升華。

在工程化教學理念的前“3E”階段，通過工程問題的導入，激發(fā)學生的學習興趣，明確學習目標，即“Exciting”;基于學生的認知規(guī)律采用啟發(fā)、引導、互動討論的教學方法，和學生一起分層次剖析工程問題，探究解決問題的思路和方法（Enlightening）;總結整個分析過程，水到渠成地提煉結構力學的基本概念、基本原理和基本方法（Extracting）。例如，在學習“多跨靜定梁的內力計算”這一知識點時，首先

導入南寧邕江大橋這一工程素材，如圖4（a）所示，引出如何求解主梁在自重作用下的內力這一主要問題。引導學生通過觀察分析主梁的結構形式、支座約束、接縫構造等，確定其計算簡圖，如圖4（b）所示，圖中將橋梁自重等效為均布荷載。然后，啟發(fā)學生分析多跨靜定梁的構造特征，通過幾何組成分析找到切入點，通過截面法利用靜力平衡條件求解內力。最后，針對多跨靜定梁的構造特征、內力求解的思路和方法進行凝練和總結，如圖4（c）所示。

工程化教學理念的前“3E”階段不再是直接用計算簡圖進行單純的理論講解和知識傳授，而是用實際工程引導學生感知并繪制計算簡圖，將解決工程問題的思維和方法逐步滲透到

結構力學理論教學中。該教學思路踐行了茅以升“習而促其學，習而知其用”的教育思想[7]，不僅能完成課程的知識學習目標，而且能對學生的工程思維、分析問題和解決問題的能力進行培養(yǎng)，可有效解決“四重四輕”中的重計算簡圖輕工程實際、重內容傳授輕思維培養(yǎng)的矛盾。

（三）工程化教學理念的后“3E”階段

課程組在前“3E”階段的基礎上，通過多個工程案例讓學生對重難點問題產生

深度思考，完成參與式學習，從而達到對基礎知識的夯實、強化和鞏固（Enhancing），將基本原理和基本方法的精髓通過工程應用的深化進行拓展延伸（Extension），培養(yǎng)學生的工程直覺[8]和定性分析能力，結合科學前沿知識給學生布置研究性或討論性專題，激發(fā)學生的探索欲（Exploration），此即工程化教學理念的后“3E”階段。仍以“多跨靜定梁的內力計算”知識點為例，完成前“3E”后，通過

不同構型相同荷載作用等

多個工程案例，如圖5（a）所示，強化鞏固學生對這一知識點的掌握。在此基礎上，進一步引導學生分析接縫位置對主梁內力的影響，對接縫的合理位置進行探討和延伸思考，如圖5（b）所示，最后通過布置如圖5（c）所示的課下任務督促學生獨立思考，自主開展科學探索。

可以看出，工程化教學理念的后“3E”階段和前“3E”階段無縫銜接，相輔相成，共同“求和”達到了感性與理性、理論與實踐的完美統一。該教學理念以工程案例為載體，不再采用“灌入式”的知識傳授，注重發(fā)揮學生的思考、分析和歸納能力，強化學生用基礎理論解決復雜工程問題的本領，不僅強化學生工程思維，而且培養(yǎng)其主動探究和勇于創(chuàng)新的科學精神，進而有效解決教學過程中“重理論輕應用、重計算簡圖輕工程實際、重知識講授輕能力鍛煉、重內容傳授輕思維培養(yǎng)”的問題。

二、工程化教學理念與一流課程建設的深度融合

課程組以立德樹人為根本，以“兩性一度”為基本要求，將“3E+3E”工程化教學理念深入貫徹到實際教學中，取得了較好的教學效果。

（一）工程化教學理念與課程思政相融合

如何堅持立德樹人，把培育和踐行社會主義核心價值觀融入教書育人全過程是教學團隊重點思考的問題。基于“3E+3E”工程化教學理念，教學過程中不斷累積建立的工程素材庫和工程案例庫為課程承載思政、思政融入課堂提供了“肥沃的土壤”和“豐富的載體”。從我國歷史上著名的工程結構、自主承建的國家現代重大工程、熱點案例以及大師成長道路等多方面挖掘思政元素，培養(yǎng)青年一代的科學精神、民族情懷、社會責任、綠色環(huán)保意識等，使課程思政之“鹽”不著痕跡地融入專業(yè)之“水”[9]，達到春風化雨、潤物無聲的育人效果，實現知識傳授、能力培養(yǎng)與價值引領的有機統一。部分知識點中融入的思政教學案例如表1所示。

在教學實施過程中，將思政元素分為國家層面、精神層面、人格層面和科學觀層面[11]。針對不同層面采取不同的實施方式，對家國情懷、民族精神、政治認同、文化自信等國家層面的思政元素，采取優(yōu)秀工程結構分享、課堂案例分析、課后拓展閱讀、文獻綜述訓練的實施方式，而對科學觀層面，采取課堂案例分析、趣味結構力學活動、結構設計競賽、探究式專題訓練的實施方式。每個層面的載體和實施方式如圖6所示。

通過圖6所示的思政教學設計和實施方式，不僅不會增加教學負擔，而且能使課堂“有趣”和“生動”，激發(fā)學生的學習動力和學習熱情，引導學生在國家發(fā)展和個人前途的交匯點上思考人生，有效解決了傳授知識與立德樹人融合難這一問題。同時，將“3E+3E”工程化教學理念和“課程思政”有機結合，通過課后拓展、閱讀科普、科技論文、大師風采、匠人精神、社會熱點新聞等材料，增加教學內容的廣度，開闊學生的視野，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和開拓精神，啟發(fā)他們在精神層面、人格層面的思考，為國家培養(yǎng)有能力、有擔當、有情懷的建設者與接班人。

（二）工程化教學理念與“兩性一度”相融合

結構力學是一門經典的力學課程，又是一門不斷發(fā)展和創(chuàng)新的課程，在以“兩性一度”為基本原則的一流課程建設中具有其自身獨特性。 其“不變性”體現在對經典知識的傳承上，而其“可變性”則體現為二點：一是體現在其為工程服務的特點上，即國家對重大工程的需求、行業(yè)的發(fā)展、技術的革新等對結構力學教學內容的廣度和深度提出了更高的要求;二是體現在不斷變化的授課對象上， “00后”學生具有較敏銳的思想、較好的行為能力，有主見、有個性[12]，他們具有較強的反叛意識，排斥“滿堂灌”而更喜歡參與式學習，看重學習過程中的收獲感和成就感[13]。因此，如何對結構力學這一傳統課程進行高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的改革是一流課程建設過程中要解決的關鍵問題。

“3E+3E”工程化教學理念為“兩性一度”一流課程的建設提供了重要抓手，以“50分鐘課堂”為主戰(zhàn)場，以“參與式”和“探究式”課堂教學改革為突破口，基于工程化教學理念對教學設計和教學方法進行了改革和實踐。

1.教學目標的優(yōu)化

教學目標是教學活動的出發(fā)點和歸宿，決定教學內容的確定與安排、教學方法的選擇與運用。因此，課程組首先根據國際上通用的布魯姆教育目標分類[14]重新優(yōu)化和梳理結構力學課程每一章、每一節(jié)、每個知識點的課程目標（圖7），將教育目標中的記憶、理解設定為初級目標，將應用、分析設定為中級目標，將分析、評價、創(chuàng)新設定為高級目標。

教學過程中，從學生角度出發(fā)，利用可衡量的“動詞”明確給出學生學習某個知識點應達到的效果和程度。例如，“力法基本原理的工程應用”這一知識點的學習目標設定為“用力學思維去識別實際工程中的超靜定結構，進而應用力法基本原理對結構的內力和位移求解，并能對一些常見類型工程結構進行力學性能的定性分析”。該目標通過“識別”“應用”“求解”“定性分析”這幾個動詞體現了學習的初級目標、中級目標和高級目標，比通常采用的“理解”“熟悉”“掌握”之類的目標動詞具有更強的可操作性和可衡量性，使學生更容易把握和自查。只有目標明確后，教學設計才能做到有的放矢，突出重難點，思學生之所想，答學生之所疑，解學生之所惑，從根本上實現“以教為本”向“以學為本”的轉變。

2.強化“學生參與式學習”的教學設計和教學方法

為解決課堂中參與式學習難這一“教學痛點”，課程組以優(yōu)化后的教學目標為導向，采用BOPPPS教學結構[15]，將“3E+3E”工程化教學理念融入一流課程的建設，在強化學生“參與式學習”的同時提升課程質量。

基于“3E+3E”工程化教學理念的BOPPPS教學設計如圖8所示，整個教學活動圍繞工程問題展開，每一部分的教學設計都有明確的教學目的。課堂不再是教師的“獨角戲”，而是“教為主導，學為主體”的模式。教學實施中，輔以雨課堂、引導啟發(fā)式教學、互動式討論、同伴教學法、對分課堂等多種教學方法和手段實現“學生參與式學習”，在夯實基礎、攻克重難點的同時強化課程的挑戰(zhàn)度。在課后測試部分，則基于工程難點、行業(yè)發(fā)展趨勢、科研成果等內容，采用思維導圖、拓展思考、研究性專題等多種形式進行知識拓展應用（Extension）和探究式訓練（Exploration），提高課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，解決課程內容的傳承與創(chuàng)新結合難、科學研究與課程教學交叉難的問題。為保證課程的與時俱進，引導學生通過本課程開設的MOOC/SPOC、課程公眾號進行線上學習和拓展，鼓勵學生學習結構力學求解器、ANSYS、MIDAS、ABAQUS等數值仿真軟件，并與手算結果進行對比和驗證來完成探究式作業(yè)，以解決手算與智能軟件應用互補難的問題。表2為“靜定結構內力”全部學習完成后布置的一個研究性專題案例。

（三）教學改革效果反饋

基于“3E+3E”工程化教學理念開展的課堂實踐和一流課程建設得到了學生的一致肯定。2018—2021年，共有46名學生在“周培源大學生力學競賽”中獲獎，由結構力學任課教師指導的學生在北京市大學生建筑結構設計競賽中連續(xù)三年獲得一等獎，在第二屆和第三屆“全國大學生‘茅以升公益橋——小橋工程’設計大賽”中分別榮獲一等獎、優(yōu)勝獎和社會實踐優(yōu)秀獎。圖9是對學習完結構力學課程的大三和大四79名學生進行的問卷調查結果，可以看出，64.56%的學生認為結構力學課程組基于案例分析的工程化教學對后續(xù)專業(yè)課的學習非常有幫助，34.18%的學生認為有一定幫助。

問卷反饋結果表明，教學團隊提出的“3E+3E”工程化教學理念和基于此開展的以“立德樹人為基礎，兩性一度并舉”為基本要求的一流課程建設對學生在知識、能力和素質方面起到極大的提升作用，具有良好的教學效果。

三、結語

立足結構力學課程“來源工程、回歸工程”這一課程特點，課程組提出了“感性入手，理性探究”的“3E+3E”工程化教學理念，并將其深入貫徹到實際教學過程中，開展了以立德樹人為根本，以培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新性卓越人才為目標，以提高課程的高階性、突出課程的創(chuàng)新性、增加課程的挑戰(zhàn)度為課程建設的基本要求，將“3E+3E”工程化教學理念與“課程思政”和“兩性一度”進行了有機融合。通過課程思政的承載、教學目標的優(yōu)化、教學方法的創(chuàng)新幾個方面進行了教學實踐，結果表明，基于“3E+3E”工程化教學理念的一流課程建設不僅構建了價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授“三位一體”的教學模式，而且使教師實現了從“知識傳播者”到激發(fā)學生創(chuàng)新創(chuàng)造的“引導者”的角色轉變，使學生從“學會”到“會學”再到“好學”，為實現“傳授式”到“探究式”的人才培養(yǎng)模式轉變探索了一條有效的途徑。誠然，一流課程建設在教學改革和應用中還會遇到一些新的問題，需要在實踐中不斷改進和完善。參考文獻：

[1]

教育部關于一流本科課程建設的實施意見[EB/OL]. [2021-07-10].（2019-10-30）. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html.

[2]張鵬，王傳杰，朱強，等.彈塑性力學一流課程建設的探索與實踐[J].大學教育，2021，10（4）： 65-67.

[3]程斌，向升.結構力學課程“3W3E”教學法[J].高等建筑教育，2020，29（1）：119-125.

[4]王達詮，陳朝暉.面向工程教育認證的結構力學課程混合式教學設計[J].高等建筑教育，2020，29（1）：110-118.

[5]齊欣，孟慶成，余志祥，等.“新工科”背景下結構力學課程重構與探索[J].廣西教育學院學報，2020（5）：183-187.

[6]周海龍，安珍.基于心流理論的結構力學教學思考[J].高教學刊，2021（1）：82-85.

[7]樊治辰.以“茅以升教育理念”構建拔尖創(chuàng)新人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系[J].今日中國論壇， 2013（11）：106-107.

[8]鄭玉國.結構力學課程教學應重視工程直覺的培養(yǎng)[J].高等建筑教育，2016，25（1）：100-104.

[9]王青.我的課程思政觀——高質量建設[C]∥2021高校課程思政建設系列專題研討會，2021.

[10]周海龍，李平，李昊，等.哲學觀點在結構力學課程教學中的應用[J].高等建筑教育，2017，26（4）： 72-74.

[11]沈火明.基礎力學課程思政的教學設計與實施路徑[C]∥新時代高校力學一流課程建設名師直播課，2021.

[12]周桂鳳.無為而治思想在基于00后大學生心理特征的高校班級管理工作中的運用探究[J].才智， 2018（7）： 118，120 .

[13]劉媛媛，徐寶見.基于“00后”大學生特征的《形勢與政策》課程創(chuàng)新探索—以浙江工商大學為例[J].科技視界，2019（33）：152-153.

[14]Jessica Shabatura. Using Bloom’s Taxonomy to Write Effective Learning Objectives[EB/OL].[2021-07-10].（2013-09-27）. https：//tips.uark.edu/using-blooms-taxonomy.

[15]王海玲.基于BOPPPS教學模式的離散數學教學改革的探索與實踐[J].大學數學，2021， 37（2）：18-23.

First-class course construction of structural mechanics under

the engineering teaching idea of “3E+3E”

CAO Yanmei， YU Guilan， XIANG Hongjun， XU Yanqiu， JIA Ying， SHI Zhifei

（School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， P. R. China）

Abstract：

Structural mechanics is one of the professional foundation courses for the civil engineering， railway engineering， hydraulic engineering， and plays the role of bridge between the foundation course and the professional course. The structural mechanics course of Beijing Jiaotong University is firstly approved to be first-class course in 2020， which indicates the course construction and the talent cultivation are in a new stage. In order to find a way out of the problems and difficulties during the construction of structural mechanics， the “3E+3E” engineering teaching idea following “first emotional perception， then rational exploration” is proposed， in which the moral cultivation plays the guiding role， the diversified and distinguished engineering talents with innovation spirits is taken for the cultivating goal， and improving high level course， highlighting innovation， and increasing challenge level are the basic requirements of course construction. With the ideological and political education， optimization of teaching objectives， innovation of teaching methods during the teaching process， the first-class course construction of structural mechanics is explored. Teaching practice shows that “3E+3E” teaching idea provides the new thinking for the construction of “ideological and political education” and “high-level， innovative and challenging course”， creates the conditions for realizing the talents training with knowledge， capacity， and quality， and explores an advantage approach to teaching transform from “imparting teaching” to “inquiry teaching”.

Key words：

structural mechanics; first-class course; engineering teaching; foster virtue through education; high-level， innovative and challenging course

（責任編輯 周 沫）

修回日期：2021-08-25

基金項目：2021 年北京交通大學教學改革研究與建設項目

作者簡介：

曹艷梅（1979—），女，北京交通大學土木建筑工程學院副教授，主要從事工程結構振動與控制等研究，（E-mail）

ymcao@bjtu.edu.cn;（通信作者）于桂蘭（1965—），女，北京交通大學土木建筑工程學院教授，主要從事結構力學、彈性力學與有限元等研究，（E-mail）glyu@bjtu.edu.cn。