小班化案例制課程教學(xué)方案設(shè)計(jì)
——以結(jié)構(gòu)力學(xué)課程為例

陳圣剛，張營(yíng)營(yíng)，魯彩鳳，呂恒林，姜 健

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

近年來(lái)，新工科、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)和新理論不斷出現(xiàn)并應(yīng)用于土木工程各行業(yè)領(lǐng)域中，促進(jìn)了行業(yè)發(fā)展理念和工程技術(shù)的巨大變革，給土木工程專業(yè)的傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)日新月異的形勢(shì)，2016 年工程教育國(guó)際研討會(huì)在北京召開，確定了國(guó)內(nèi)工程教育與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接的原則，正式加入《華盛頓協(xié)議》，踐行“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的核心理念，工程認(rèn)證理念需要進(jìn)一步根植于土木工程專業(yè)日常教學(xué)中[1-2]。2017 年以來(lái)，國(guó)務(wù)院、教育部等先后提出《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)新形勢(shì)下高校思想政治工作的意見》《高校思想政治工作質(zhì)量提升工程實(shí)施綱要》和《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》等精神文件，為高校人才培養(yǎng)提出了根本遵循，明確了“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰(shuí)培養(yǎng)人”是教育的根本問題，把立德樹人的成效作為檢驗(yàn)高校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。新時(shí)代的高校教育被賦予了新的歷史使命和要求，傳統(tǒng)工科教育模式或者以知識(shí)點(diǎn)傳授為根本要?jiǎng)?wù)的教學(xué)方法和思想已無(wú)法滿足當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展需求，各高校緊鑼密鼓開展各種新型教學(xué)模式的試驗(yàn)和探索，新的教學(xué)方法和教學(xué)理念層出不窮[5]。獨(dú)具專業(yè)特色的案例制教學(xué)方法能夠?qū)⒐こ陶J(rèn)證理念和課程思政教育蘊(yùn)含于實(shí)踐應(yīng)用的鮮活案例中[6]，以工程應(yīng)用為背景，以解決實(shí)踐中存在的復(fù)雜工程問題為學(xué)習(xí)目標(biāo)，以課程知識(shí)內(nèi)容為手段，提升學(xué)生工程技術(shù)、能力水平和創(chuàng)新意識(shí)，將大國(guó)工匠精神、工程倫理教育、攻堅(jiān)克難和腳踏實(shí)地等民族精神穿插于問題探索過程中。為保證案例制教學(xué)的順利開展和教學(xué)效果，小班化教學(xué)是必由之路。小班化教學(xué)是未來(lái)高校課堂教學(xué)的主要形式，也是教育部教學(xué)改革的強(qiáng)制要求，課堂教學(xué)小班化能夠因材施教，打通學(xué)生和教師互動(dòng)的壁壘，解放教師關(guān)注教學(xué)過程，優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)條件。因此，小班化案例制教學(xué)（融合案例制）成為適應(yīng)當(dāng)代高校人才培養(yǎng)的先進(jìn)教學(xué)模式之一，值得高校教師進(jìn)行實(shí)踐和探索[7-8]。

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)的重要核心課程，承接了高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等自然科學(xué)課程，又為開啟混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。作為一門力學(xué)類基礎(chǔ)課程，學(xué)生龐大的基數(shù)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)課程通常采用近百人的大班式課堂教學(xué)，然而該課程具有邏輯性強(qiáng)、理論抽象、內(nèi)容繁多和學(xué)習(xí)難度大的特點(diǎn)，使得結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)效果無(wú)法保證。結(jié)構(gòu)力學(xué)的課堂教學(xué)存在很多問題亟待解決：①調(diào)查顯示，超過80%的教學(xué)以大班式的課堂理論講解為主，通過作業(yè)和考試的方式考核教學(xué)效果，教學(xué)及考核方式單一，專業(yè)實(shí)踐缺失[9]；②課堂教學(xué)缺乏工程背景和應(yīng)用實(shí)例，以簡(jiǎn)化的計(jì)算模型為對(duì)象，強(qiáng)化計(jì)算解題結(jié)果的精確度，輕原理和結(jié)果討論分析，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)漫無(wú)目的，學(xué)無(wú)所用；③結(jié)構(gòu)力學(xué)主流仍然實(shí)行大班教學(xué)，在有限的時(shí)間內(nèi)，教師無(wú)法全面開展各種教學(xué)方法，無(wú)法關(guān)注每位同學(xué)的學(xué)習(xí)效果，教師與學(xué)生交流障礙，難以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果；④學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥乏味，晦澀難懂，學(xué)生畏難怕苦，喪失學(xué)習(xí)積極性，“躺平”“及格萬(wàn)歲”等現(xiàn)象屢見不鮮[10]。

面對(duì)新時(shí)代課程教學(xué)實(shí)踐改革的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，針對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中存在的以上問題，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程組積極開展教學(xué)改革。在線上線下混合式國(guó)家級(jí)一流本科課程建設(shè)的基礎(chǔ)上[11]，以學(xué)生為中心，以學(xué)生能力和精神內(nèi)涵為培養(yǎng)目標(biāo)，從以下幾個(gè)方面探索小班化案例制教學(xué)改革：①以工程案列為繩，理論與實(shí)踐相結(jié)合進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，學(xué)有所用；②以24 人組成小班化課堂，提高學(xué)生對(duì)課堂的影響，甚至主導(dǎo)課堂進(jìn)程，加強(qiáng)學(xué)生與教師互動(dòng)，讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考；③關(guān)注學(xué)生精神世界，課程思政融入工程案例中，培養(yǎng)熱愛國(guó)家、敬畏自然和生命、熱愛生活及熱愛自我的精神能力；④豐富課程考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，注重過程管理和反饋。

一 結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)案例建設(shè)

案例庫(kù)建設(shè)是結(jié)構(gòu)力學(xué)小班化案例制教學(xué)的核心要素，具有工程背景的案例既要與時(shí)俱進(jìn)，又要貼合課程教學(xué)內(nèi)容；既要滿足解決工程復(fù)雜問題的深度要求，又要深入淺出避免難度過大；既要培養(yǎng)學(xué)生的工程能力（理論能力、計(jì)算能力、數(shù)值分析能力），又要培養(yǎng)學(xué)生的精神能力，融入思政要素。本次小班化案例制教學(xué)實(shí)踐將課程的主要內(nèi)容分解為六部分：概論及計(jì)算簡(jiǎn)圖；結(jié)構(gòu)幾何組成分析；靜定結(jié)構(gòu)（包括梁、剛架、拱、懸索結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu)）內(nèi)力計(jì)算；靜定結(jié)構(gòu)位移計(jì)算；超靜定結(jié)構(gòu)力法；超靜定結(jié)構(gòu)位移法等。每一部分內(nèi)容圍繞一個(gè)工程案例進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容布置，解決案例中所提的問題，每個(gè)案例教學(xué)要達(dá)到工程能力和精神能力鍛煉的教學(xué)目標(biāo)。主要案例介紹如下。

第一部分（圖1），以人物骨架簡(jiǎn)筆畫繪制類比工程結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖，對(duì)深厚歷史積淀的故宮內(nèi)建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖繪制。一方面，第一次授課增加趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣；另一方面，了解中國(guó)的歷史文化，增強(qiáng)學(xué)生的文化自信。

圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖內(nèi)容案例

第二部分（圖2），以2020—2022 年來(lái)發(fā)生的結(jié)構(gòu)倒塌事故為對(duì)象組織教學(xué)內(nèi)容，分析結(jié)構(gòu)的幾何組成及倒塌過程中結(jié)構(gòu)組成及靜定性質(zhì)變化，總結(jié)結(jié)構(gòu)倒塌的原因。一方面，深化該部分內(nèi)容的理解和應(yīng)用；另一方面，從工程事故中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，事故原因中天災(zāi)因素使學(xué)生敬畏自然，培養(yǎng)人與自然和諧相處意識(shí)，人禍因素使學(xué)生提高工程倫理意識(shí)和法律意識(shí)，提高個(gè)人道德水平和社會(huì)責(zé)任感。

圖2 結(jié)構(gòu)組成成分分析探究結(jié)構(gòu)倒塌

第三部分（圖3），以不同橋梁結(jié)構(gòu)的跨越能力評(píng)估為案例，將梁、拱、桁架、剛架和懸索等結(jié)構(gòu)形式具象為常見的梁式橋、拱橋、桁架橋、鋼構(gòu)橋和懸索橋等，分別進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算分析，一方面，利用其跨越能力的分析深入理解不同結(jié)構(gòu)形式的受力特點(diǎn)、力學(xué)性能和計(jì)算方法；另一方面，了解新世紀(jì)中國(guó)橋梁建設(shè)的矚目成就，建立學(xué)生的民族自豪感，堅(jiān)定社會(huì)主義信念，激發(fā)學(xué)生的奮斗熱情。

圖3 不同橋梁結(jié)構(gòu)跨越能力評(píng)估及對(duì)比

第四部分（圖4），以單層工業(yè)廠房為對(duì)象，通過上層加建、發(fā)生意外火災(zāi)和地基發(fā)生不均勻沉降等工況分別校核荷載、溫度和支座位移等因素引起的結(jié)構(gòu)位移。一方面，教授學(xué)生靜定結(jié)構(gòu)位移計(jì)算方法，建立學(xué)生不同工況條件下結(jié)構(gòu)性能分析的動(dòng)態(tài)思維方式，以發(fā)展的眼光看待工程問題；另一方面，建立嚴(yán)格的職業(yè)操守意識(shí)，不可隨意變更結(jié)構(gòu)使用功能。

圖4 靜定結(jié)構(gòu)不同工況下結(jié)構(gòu)位移校核

第五部分（圖5），判斷常見工程結(jié)構(gòu)在荷載作用下的危險(xiǎn)截面并提出保障措施，要求手算并利用有限元軟件校核結(jié)果。一方面，使學(xué)生熟練掌握力法計(jì)算原理，鍛煉學(xué)生利用現(xiàn)代計(jì)算工具的能力，培養(yǎng)學(xué)生自主解決工程難題的成就感；另一方面，培養(yǎng)學(xué)生迎難而上、不怕困難、敢于挑戰(zhàn)的科學(xué)精神。

圖5 超靜定結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面判斷（一）

第六部分（圖6），與第五部分內(nèi)容對(duì)比分析（位移法和力法靈活應(yīng)用），判斷超靜定結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截面；以小組方式，對(duì)復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)采用多種有限元軟件計(jì)算，并利用理論知識(shí)分析結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。利用一題多解，一方面，培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)復(fù)雜工程問題，合理簡(jiǎn)化、靈活選用或者組合使用所學(xué)知識(shí)的能力；另一方面培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維的能力，不滿足于單一思路方法，強(qiáng)化精益求精，不斷創(chuàng)新的精神；培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和協(xié)作能力。

圖6 超靜定結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面判斷（二）

二 案例制教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)教研組開展了24 人教學(xué)班的小班化案例制教學(xué)實(shí)踐，每4 人一組分為6 個(gè)教學(xué)組，教學(xué)過程中個(gè)體和團(tuán)隊(duì)任務(wù)相結(jié)合，保證教師對(duì)每名同學(xué)和每個(gè)教學(xué)組的全方位溝通。小班化案例制教學(xué)方案應(yīng)緊扣各部分教學(xué)案例，充分利用本課程組的“線上和線下”教學(xué)資源，解除課堂知識(shí)點(diǎn)講解對(duì)授課老師的束縛，增加設(shè)問、實(shí)踐、報(bào)告等環(huán)節(jié)，以學(xué)生個(gè)體和小組協(xié)作相結(jié)合的方式開展課堂教學(xué)，提高學(xué)生的課堂參與度和興趣，通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)，改變結(jié)構(gòu)力學(xué)傳統(tǒng)課堂教學(xué)枯燥乏味的知識(shí)講授現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)學(xué)生的知識(shí)架構(gòu)、工程能力和精神屬性進(jìn)行塑造。小班化案例制教學(xué)方案促進(jìn)了學(xué)生和教師全方位的思想碰撞。本節(jié)以第三部分靜定梁式結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算教學(xué)方案設(shè)計(jì)為例，對(duì)案例制教學(xué)的設(shè)計(jì)內(nèi)容和教學(xué)流程進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹說(shuō)明。本教學(xué)方案設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面。

（一）案例描述及總體任務(wù)下達(dá)

教師提前一周通過MOOC 任務(wù)模式發(fā)布案例內(nèi)容及任務(wù)要求，確定“不同形式橋梁結(jié)構(gòu)的跨越能力評(píng)估及對(duì)比分析”案例主題，最終以分析報(bào)告的形式提交案例分析成果。案例描述使學(xué)生對(duì)工程問題有整體的了解和把握。

（二）課前準(zhǔn)備

教師提前一周發(fā)布本節(jié)課堂的分任務(wù)和要求。首先，以MOOC 線上教學(xué)資源為媒體，學(xué)生需要完成單跨及多跨梁氏結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的教學(xué)內(nèi)容；其次，收集目前在役的典型梁式橋梁結(jié)構(gòu)，盡可能詳實(shí)記錄橋梁結(jié)構(gòu)的信息，并以小組形式歸納匯總，形成PPT。

（三）課堂組織

課堂教學(xué)分以下步驟進(jìn)行：①明確案例背景及整體的任務(wù)要求，對(duì)案例進(jìn)行分任務(wù)拆解，分別按照梁式結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)、鋼架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)等形式拆分為五個(gè)分任務(wù)，以第一個(gè)分任務(wù)——梁式橋梁跨越能力評(píng)估展開本課堂內(nèi)容；②隨機(jī)抽選學(xué)生小組對(duì)梁式橋結(jié)構(gòu)調(diào)研做匯報(bào)，其余小組做補(bǔ)充評(píng)價(jià)；③以討論形式確定橋梁結(jié)構(gòu)可能承受的荷載種類和形式；④以單跨靜定梁為對(duì)象，重點(diǎn)講解不同荷載作用下結(jié)構(gòu)平衡方程和內(nèi)力的求解，闡述荷載和內(nèi)力的微分關(guān)系；⑤學(xué)生實(shí)踐，以多跨靜定梁為對(duì)象，實(shí)踐應(yīng)用所學(xué)內(nèi)力計(jì)算方法，加深對(duì)荷載與內(nèi)力微分關(guān)系的理解，總結(jié)內(nèi)力圖繪制技巧和經(jīng)驗(yàn)，匯總于分析報(bào)告。

（四）習(xí)題訓(xùn)練

于MOOC 發(fā)布作業(yè)及訓(xùn)練題目，使學(xué)生熟練掌握手算原理；同時(shí)，選用合適的力學(xué)計(jì)算軟件（SMSolver、SAP2000、PKPM、ANSYS 和ABAQUS 等）對(duì)題目進(jìn)行建模計(jì)算，核對(duì)計(jì)算結(jié)果。

（五）分任務(wù)解答

通過“分析對(duì)象→外界條件（荷載等）→內(nèi)力→性能評(píng)估”的分析模式，對(duì)靜定梁式結(jié)構(gòu)的跨度進(jìn)行計(jì)算分析，確定梁的破壞標(biāo)準(zhǔn)，建立荷載與梁跨度關(guān)系式，評(píng)估結(jié)構(gòu)的適用跨度并思考提高結(jié)構(gòu)跨度可采取的措施。分任務(wù)分析及思考匯總于分析報(bào)告中。最終，形成梁式結(jié)構(gòu)跨越能力評(píng)估報(bào)告小結(jié)。

本部分內(nèi)容其他結(jié)構(gòu)形式（拱結(jié)構(gòu)、剛架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)等）的橋梁跨越能力評(píng)價(jià)和分析授課方案及流程與上述一致，分別形成不同結(jié)構(gòu)形式橋梁的跨越能力評(píng)估分析報(bào)告。通過分任務(wù)的學(xué)習(xí)探索，利用對(duì)比分析方法，學(xué)生對(duì)本案例的工程問題進(jìn)行解答，總結(jié)不同結(jié)構(gòu)抵抗外荷載的力學(xué)機(jī)理，總結(jié)個(gè)人在案例學(xué)習(xí)過程中知識(shí)、工程能力和精神提升方面的收獲，形成最終的分析報(bào)告。

三 多元化考核方法

課程教學(xué)改革不僅僅是教學(xué)方法和教學(xué)思想的改革，容易被忽略的教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系的改革同樣至關(guān)重要，教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系不僅能夠反饋教學(xué)改革效果，而且也是保證教學(xué)改革措施順利開展的指引棒[12]。小班化案例制教學(xué)必須改變傳統(tǒng)以作業(yè)和期末考試為根本的考核標(biāo)準(zhǔn)，以全流程跟蹤為原則的多元化考核方法的革新才能真正調(diào)動(dòng)學(xué)生的活力，解決學(xué)生參與度低、無(wú)積極性的問題。過程化綜合性考核采用多種考核方式，包括作業(yè)及課堂測(cè)驗(yàn)、案例調(diào)研及展示、課堂討論、案例分析報(bào)告、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽復(fù)現(xiàn)和期末考試等方式展開，每個(gè)評(píng)價(jià)從教師評(píng)價(jià)和組間互評(píng)兩個(gè)方面進(jìn)行，最終的評(píng)價(jià)結(jié)果按照一定的權(quán)重對(duì)課程目標(biāo)進(jìn)行支撐，具體見表1。案例調(diào)研及展示、課堂討論、案例分析報(bào)告跟隨課堂內(nèi)容教學(xué)，同步推進(jìn)，時(shí)時(shí)考核評(píng)價(jià)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的問題，彌補(bǔ)學(xué)生學(xué)習(xí)的缺陷和不足；作業(yè)及課堂測(cè)驗(yàn)、期末考試的權(quán)重適當(dāng)降低，保留傳統(tǒng)考核方式能避免學(xué)生因過大的考核方式變化引起的不適應(yīng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽復(fù)現(xiàn)專題，以往屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的賽題為對(duì)象，學(xué)生可選取獲獎(jiǎng)作品或者自主設(shè)計(jì)，進(jìn)行作品的力學(xué)性能計(jì)算評(píng)估，剖析結(jié)構(gòu)高效承載的原因，整體把握結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以賽促學(xué)，以學(xué)促用。根據(jù)不同考核方式的適用性和特點(diǎn)，采用不同的權(quán)重對(duì)課程目標(biāo)進(jìn)行支撐，各考核方式支撐不同課程目標(biāo)權(quán)重見表1。多元化考核方法在教學(xué)實(shí)踐中仍需進(jìn)一步探索：對(duì)多種考核方法的評(píng)價(jià)細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化；考核方式根據(jù)本校校情適用性改革；小班化案例制教學(xué)方法對(duì)教師提出了極高的要求，教學(xué)效果評(píng)價(jià)應(yīng)將教師作為評(píng)價(jià)的另一方主體，納入考核過程。

表1 課程目標(biāo)達(dá)成情況支撐

四 結(jié)束語(yǔ)

本著力學(xué)知識(shí)“來(lái)源于工程，又服務(wù)于工程”的思想，以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)國(guó)家級(jí)一流本科課程結(jié)構(gòu)力學(xué)為例，開展小班化案例制教學(xué)改革，以滿足新時(shí)代國(guó)家、社會(huì)對(duì)土木工程專業(yè)的育人要求。在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程線上線下混合教學(xué)資源建設(shè)的基礎(chǔ)上，對(duì)小班化案例制教學(xué)開展了以下三個(gè)部分的內(nèi)容改革：建設(shè)了對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的案例庫(kù)；提出并實(shí)施了小班化案例制教學(xué)的課堂教學(xué)方案；構(gòu)建了適用于案例制教學(xué)的教學(xué)效果多元化評(píng)價(jià)體系。小班化案例制教學(xué)方法成功應(yīng)用于土木工程專業(yè)的日常教學(xué)中，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，取得了較好的實(shí)踐效果。