“結構力學”課程教學改革探索與實踐

康婷，孫惠香，白二雷，葛濤，李猛深

［摘 要］ “結構力學”是土木工程專業(yè)的主干專業(yè)基礎課。該課程的教學質量對學生學習后續(xù)專業(yè)課和培養(yǎng)任職能力具有非常重要的作用。針對課程理論性強、難度大的特點，以提高課堂教學效果、培養(yǎng)高素質優(yōu)秀工程科技人才為目標，在教學過程中，教師采用先進的教學方法，借助求解器加強實踐教學，實施“三階段、多元化”的考核模式。經過一系列的教學改革探索，取得了良好的教學效果。

［關鍵詞］ 結構力學；教學方法；實踐教學；課程考核

［作者簡介］ 康 婷（1977—），女，陜西佳縣人，工學博士，空軍工程大學航空工程學院副教授，主要從事結構工程研究。

［中圖分類號］ G642.4［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）11-0081-04［收稿日期］ 2022-04-12

引言

“結構力學”是土木工程專業(yè)的主干專業(yè)基礎課，是聯(lián)系基礎理論課和專業(yè)課的一座橋梁。該課程的教學質量對學生后續(xù)專業(yè)課的學習和畢業(yè)后參加工程結構設計具有舉足輕重的作用。該課程理論性較強，難度較大，屬于典型的理論性課程［1］。部分學生往往不了解該課程在工程實際中的應用價值，覺得理論太抽象，學習態(tài)度不積極，難以獲得滿意的教學效果。為了提高教學質量，教研組在教學方法、教學手段和考核方式等方面不斷改革嘗試。經過多年實踐，結合多年的“結構力學”課程教學經驗，筆者談談在理論知識教學、實踐教學、課程考核等環(huán)節(jié)的一些做法。

一、采用先進的教學方法，改善課堂教學效果

要提高教學質量，改善課堂教學效果是非常重要的一環(huán)［2］。課堂教學是學校教育教學工作的重要環(huán)節(jié)，是教師對學生進行思想教育、傳授知識、培養(yǎng)能力的主要途徑，是教學工作的集中表現(xiàn)。因此，采取適當?shù)慕虒W方法和手段，增強課堂教學的生動性、趣味性，優(yōu)化課堂環(huán)境，活躍課堂氣氛，激發(fā)學生的學習興趣和求知欲，變“要我學”為“我想學、我要學”，對提高教學質量、培養(yǎng)優(yōu)秀人才，具有非常重要的作用。在教學過程中，根據(jù)不同的教學內容，宜采取不同的教學方法。

（一）注重理論聯(lián)系實際，調動學生的學習積極性

理論課教學要注重理論聯(lián)系實際，只講理論，不聯(lián)系實際，易使學員感到所學內容太過抽象、空洞乏味，難以理解，提不起學習興趣，使課堂氣氛呆板，得不到良好的教學效果［3-4］。因此，在教學過程中，應將理論與實際相結合，將理論落到實處。聯(lián)系實際也并非簡單地“舉例子”，應結合工程實際，提出問題，引導學生討論，引出其中蘊含的理論知識，激發(fā)學生探索未知領域的興趣，提高學習的積極性。

在教學中如何做到理論聯(lián)系實際呢？教師首先要了解實際、掌握實際。這就要求教師在備課上下功夫，平時多收集一些與課程內容密切相關的工程案例、力學現(xiàn)象等素材。

在教學過程中，運用收集的相關工程事故案例，引導學生用所學理論知識分析事故發(fā)生的原因，強化對所學理論知識重要性的認知。例如，講解“三鉸拱特點：水平推力要求大而牢固的基礎”時，為了加強學生對這一知識點的理解，強化學生認知水平推力對拱結構的重要性，教師收集了“鳳凰大橋”坍塌事故案例。慘烈的坍塌現(xiàn)場照片以及重大的施工人員生命、財產損失，給學生以強烈的心理沖擊，使學生對這一知識有了深刻的理解，同時體會到該課程在今后實際工作中的重要性，明確了學好這門課是解決工程實際問題、避免工程事故發(fā)生的基本要求，調動了學生的主觀能動性，激發(fā)了學生的學習興趣，同時也培養(yǎng)了學生對工程建設的職業(yè)責任感。

引入新課時，注重以實際工程為背景提出問題，討論問題的解決方法，引出教學內容，讓學生明確自己所學的知識并非空中樓閣，將抽象的原理具體化、工程化，調動學習積極性，培養(yǎng)解決問題的主人翁意識和責任意識。比如，在講解《影響線》這一章的內容時，首先提出“工業(yè)廠房中吊車橋架沿吊車梁運行時，吊車梁設計時控制截面如何確定”的問題，由此引出“影響線”這一教學內容。借助問題，教師將抽象的理論知識與工程實際相結合，將理論落到了實處，使學生明白了理論知識來源于工程實踐，最后又要回到工程實踐中去。理論知識不再是高不可攀、抽象而枯燥乏味的，因此學生不會有畏難心理。

收集介紹課程發(fā)展歷程及相關趣事的內容，既可以活躍課堂氣氛，又能吸引學生的注意力，調動學生的學習熱情。比如，在學習“靜定梁內力計算”這一內容時，教師介紹1638年伽利略最早開始研究梁，直到1705年伯努利提出平截面假定后才得出基本正確的結論，其間經過將近70年先輩科學巨匠的不懈探索，使學生體會到看似簡單的力學原理所歷經的艱難發(fā)展過程，學習先輩持之以恒的探索精神。根據(jù)梁的受力特點“截面上下邊緣應力較大而靠近中性軸附近應力很小”，發(fā)展出現(xiàn)“工”字形截面梁，進而出現(xiàn)桁架，使學生恍然大悟，原來梁并不簡單，明確了梁是現(xiàn)代結構之源，“梁”的重要性不言自明，對“梁”有了全新認識。這極大地調動了學生學習的積極性，培養(yǎng)了學生的探索精神。

講解理論知識時，恰當?shù)芈?lián)系實際，可以激發(fā)學生的學習興趣，使抽象的理論知識具體化、生動化，調動學生的學習熱情，活躍課堂氣氛，獲得良好的課堂教學效果。

（二）以問題為牽引，注重啟發(fā)式教學

如何調動學生的學習熱情，一個非常有效的教學方法就是多問［5-6］。以問題為“繩”，牽引學生主動思考，積極討論，激發(fā)學生的求知欲，培養(yǎng)學生的探索精神。至于問什么、怎么問，這需要教師熟悉教學內容，精心設計，合理安排。比如在講解一些新概念、新方法時，教師可以不直接給出答案，而是先提出問題，引導學生思考討論并給出不同的解決方案，再分析探討各方案的優(yōu)缺點，由此引出要講授的內容，培養(yǎng)學員分析問題、解決問題的能力。又如講“結點法”求桁架內力時，不同學生取出了不同的結點隔離體，有的結點包含兩個未知力桿，有的包含三個，有的更多，經過分析討論，終于明白“桁架內力計算宜從結點單桿開始”，由此引出節(jié)點單桿的概念，使學員深刻理解“結點單桿的概念及意義”等問題。學生通過自己的努力解決了未知的問題，獲得了極大的滿足感，學習熱情高漲，收到良好的教學效果。

（三）注重精講多練，強化習題討論

多做練習題鞏固所學知識，是學習理論課的重要環(huán)節(jié)。學生不做一定數(shù)量的習題，就很難對基本概念和方法有深入的理解，也很難提高計算能力。凡是要求學生熟練掌握的內容宜“精講多練”，最好安排專題討論課進行鞏固，讓學生參與到課堂中來，鼓勵學生相互討論，創(chuàng)造輕松愉快的課堂氣氛，使大家暢所欲言，調動學生的學習積極性。討論題目要精心選擇，要具有代表性，最好選擇那些容易產生歧義、對概念要求精準理解的題目?！岸嗑殹币膊皇恰柏澏嗲罂臁保唵沃貜途毩?，有的題目含有多種解法，要“精練”。比如，用圖乘法計算結構的位移時，同一個彎矩圖可能有不同的分解方法，每種分解方法對應彎矩圖疊加原理的不同應用。通過一題多解，既強調了圖乘法的應用規(guī)律技巧，又深化了對彎矩圖分段疊加法的理解。討論完后，引導學生總結經驗、規(guī)律，要有所升華。只有理解原理、多加練習，不斷總結經驗技巧，才能達到“熟練”的目的。

（四）基本概念對比討論，力求精準理解

在理論課教學過程中，應注重核心基礎知識、基本概念的精準理解，打牢基礎，教師的“啟”才能使學生有所“發(fā)”，積極參加課堂討論。“結構力學”涉及的很多基本概念、基本原理在前期力學課程中已學過，但部分學生的理解并不透徹，如對于“應力與應變的關系”“有應力是否就一定會產生應變”等諸如此類問題，還有結構的變形、位移、梁的撓度等基本概念。這些基礎知識鮮有教材集中介紹，學生對每個孤立的概念好像都知道，但其中的具體差別及相互關系又說不上來。講解《位移計算》這一章時，首先要引入這幾個基本概念，引導學生回顧討論，徹底弄清楚基本概念的含義，做到精準理解。在此基礎上，引入位移的分類及各類位移的計算特點，使教學內容條理清楚、一目了然。

（五）綱舉目張，厘清思路

一門課程的內容有很多，在教學中要抓住指導全書的基本思路、貫穿全書的主線，這就是“綱”，各章、節(jié)的知識點是“目”，有目有綱，綱舉目張，做到條理清楚、重點突出。結構力學概念多、方法多，學習起來容易給人一種零散的感覺，使學生“只見樹木，不見森林”，因此，教師開課前應交代清楚“結構力學”的“綱”。結構力學的研究對象是工程中常見的各類結構（梁、剛架、桁架、組合結構以及拱結構），包括靜定結構和超靜定結構；研究方法主要有靜力法和能量法；研究涉及的外荷載包括實際工程中的常見荷載：荷載、溫度、基礎移動以及動力荷載等。結構力學主要研究工程中的常見結構在各種外荷載作用下的內力和位移的計算原理及方法，為結構剛度設計和強度設計提供理論依據(jù)。這就是“結構力學”的“綱”。開課時交代清楚“綱”，能夠讓學生開闊視野，了解結構力學在工程實際中的地位、作用，然后由“綱”到“目”逐漸展開教學?！敖Y構力學”的“綱”是樹干，每次課實際上都是在添加枝葉。每次課前，要先介紹本次教學內容在整個“綱”中的位置，使學生及時了解學習進度，領會學習任務，明確零散知識之間的相互聯(lián)系，明確所學知識對于解決實際工程問題的意義，對學習內容、學習進度做到心中有數(shù)，體會到“一覽眾山小”的學習樂趣。只有這樣，才能使學生的學習進得去、出得來，做到融會貫通。

二、借助結構力學計算分析軟件，加強實踐教學

現(xiàn)代工程結構的強度、剛度設計以及校核等工作均由計算機完成。為了培養(yǎng)學生應用所學理論知識分析問題、解決實際問題的能力，使學生畢業(yè)后盡快融入工作崗位，教師在教學中應重視實踐教學環(huán)節(jié)。結構力學教材中研究的各類結構實為計算簡圖，是實際工程問題經過高度抽象化而得來的力學計算模型。為了便于通過手算介紹基本原理和基本方法，因此選取的結構相對比較簡單，與實際工程有一定差距?！敖Y構力學求解器”是結構計算分析軟件，可以計算分析那些手算難以進行的大型復雜結構，是實踐教學的良師益友。它可以連續(xù)同步顯示結構建模的過程，也可以顯示、輸出結構的內力、位移等計算結果，是數(shù)值試驗的良好平臺，形象直觀，方便好用。比如，以某一地下洞庫為例，引導學生利用結構力學求解器分析拱結構內力與矢跨比的關系、軸向變形對內力的影響等問題。還可以我們周圍的教學樓為例，研究多層鋼架結構“強梁弱柱”“強柱弱梁”的受力特點有什么不同，了解“強柱弱梁”抗震設計要求的基本原理。在“結構力學”教學過程中，借助結構力學求解器，加強實踐教學，有助于培養(yǎng)學生分析問題、解決問題以及上機實踐的能力。

三、實施“三階段、多元化”考核，科學評價學習效果

課程考核是檢驗課堂教學效果、激發(fā)學生學習內驅力、督促學生對所學知識進行復習鞏固的重要途徑［7］?！敖Y構力學”課程學時量大，教學內容多，系統(tǒng)性很強，如果學生沒有很好地掌握前面的內容，將直接影響后續(xù)內容的學習。而且，教學內容直接或者間接涉及大量工程實踐問題，期末的一次性閉卷考試往往難以客觀反映教員的教學效果和學生的學習效果，也不便于督促學員及時復習鞏固。因此，“結構力學”的考核宜采取“三階段、多元化”的考核方式。

“結構力學”的教學內容主要包括三部分：靜定結構部分（第一章～第五章）、超靜定結構部分（第六章～第九章）及專題分析（動力分析、穩(wěn)定分析、極限荷載）。其中，靜定結構部分是學習超靜定結構的基礎，對后續(xù)內容的學習具有決定性的作用。超靜定結構部分更接近于工程實際，是結構力學的主要研究對象。為了及時了解學生的學習效果，發(fā)現(xiàn)學習中存在的問題，督促學生復習鞏固，“結構力學”的考核分三個階段進行：靜定結構階段、超靜定結構階段、期末考核。其中，靜定結構階段測驗主要考核學生對靜定結構內力、位移計算的基本原理和基本方法的掌握程度，督促學生及時復習鞏固，為后面學習超靜定結構打下扎實的基礎，占整個考核成績的10%；超靜定結構階段測驗主要考核學員針對不同超靜定結構選擇合適的方法進行內力計算的能力，占整個考核成績的10%；期末閉卷考試主要考核學員對所有教學內容的掌握情況，占整個考核成績的60%。三階段的考核方式有助于培養(yǎng)學生注重過程、穩(wěn)扎穩(wěn)打的良好學習習慣，糾正平時敷衍了事、考試突擊的“臨時抱佛腳”心理，為后續(xù)專業(yè)課的學習打下扎實的力學基礎。

“結構力學”采取多元化的考核方式?？偝煽冇伤牟糠纸M成：階段測驗（20%）、平時作業(yè)（10%）、上機實踐（10%）、期末閉卷考試（60%）。

平時作業(yè)完成情況占總成績的10%，主要根據(jù)平時作業(yè)記錄、課堂積極回答問題等情況確定。每次批改作業(yè)根據(jù)作業(yè)書寫、正確率等情況劃分為A+（完全正確、書寫工整）、A（完全正確）、B（一兩處錯誤）、C（三處以上錯誤）四個等級，不交作業(yè)將不得分。一個學期大概有20次作業(yè)，每次滿分記0.5分，等級為A+、A記0.5分，等級為B記0.4分，等級為C記0.3分。期末根據(jù)作業(yè)次數(shù)加權平均計算得出具體成績。

上機實踐作業(yè)占總成績的10%。教師提前選擇實際工程案例，布置分析內容，由學生選取計算簡圖、建模、用結構力學求解器進行計算分析，以研究報告的形式提交分析成果，根據(jù)計算結果、分析討論的深度確定成績，引導學生撰寫論文并公開發(fā)表。筆者指導學生撰寫的文章曾發(fā)表在《工程與生活中的力學》科普讀物中，獲得了良好的效果。

多元化的考核方式對培養(yǎng)學員的理解能力、計算能力、分析問題以及解決工程實際問題的能力具有重要的作用。

結語

上面所述是多年來教研組在“結構力學”教學過程中進行的改革實踐嘗試，從教學方法、教學手段和考核方式入手，重點抓好課堂理論知識教學、實踐教學和課程考核等關鍵環(huán)節(jié)，致力于提高教學質量，為土木工程領域培養(yǎng)“基礎實、能力強、素質高”的工程建設人才。

參考文獻

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［7］胡曉光.論結構力學教學改革中學生綜合能力的培養(yǎng)［J］.黑龍江高教研究，2005，137（9）：104-105.

Exploration and Practice of the Teaching Reform in the Course of Structural Mechanics

KANG Ting， SUN Hui-xiang， BAI Er-lei， GE Tao， LI Meng-shen

（Aeronautics Engineering College， Air Force Engineering University， Xian， Shaanxi 710038， China）

Abstract：Structural Mechanics is the basic professional course of civil engineering major. The teaching quality of this course plays a very important role in the learning of students follow-up professional courses and the cultivation of their working ability. In view of the characteristics of the course， for example， it is very theoretical and difficult， we aim at improving the classroom teaching effect and cultivating high-quality engineering science and technology talents. In the teaching process， advanced teaching methods are adopted to improve theoretical knowledge classroom teaching effect. With the help of structural mechanics solver， the practice teaching links are strengthened， and the three-stage diversified assessment methods are implemented. Through a series of teaching reform and exploration， good teaching results have been achieved.

Key words： Structural Mechanics; teaching methods; practice teaching; course assessment