基于混合式教學(xué)與課程思政教育的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

江守燕 金蓉 楊海霞 孫立國(guó)

摘 ?要：結(jié)構(gòu)力學(xué)課程方法抽象、系統(tǒng)性強(qiáng)，是學(xué)生心目中十分難學(xué)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，為更好地實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)成效，該門(mén)課程在多年教學(xué)實(shí)踐中努力探索創(chuàng)新教育模式，強(qiáng)化教學(xué)過(guò)程中的概念分析、知識(shí)能力轉(zhuǎn)化、能力提升，以期為培養(yǎng)新時(shí)代“厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)”的復(fù)合型創(chuàng)新人才服務(wù)。通過(guò)利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，實(shí)行線(xiàn)上線(xiàn)下混合式課堂教學(xué)、多角度開(kāi)展課程思政教育、理論教學(xué)緊密聯(lián)系工程實(shí)際和教師科研成果、實(shí)時(shí)地開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)等方式，改革課程考核方法，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。經(jīng)過(guò)多年的改革、創(chuàng)新與實(shí)踐，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)取得顯著的教學(xué)成效。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué)；混合式教學(xué)；課程思政；教學(xué)設(shè)計(jì)；教學(xué)成效

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2023）33-0102-04

Abstract： Structural Mechanics is an abstract and systematic course， which is very difficult for students to learn. In order to achieve better classroom teaching effects， we have made great efforts to explore innovative educational models in many years of teaching practice. We strengthen conceptual analysis， knowledge and ability transformation， and ability improvement in the teaching process， with a view to serving the training of "thick foundation， wide caliber， and high-quality" compound innovative talents in the new era. By using modern teaching methods， implementing online and offline blending classroom teaching， carrying out ideological and political education from multiple perspectives， closely linking theoretical teaching with engineering practice and teachers' scientific research achievements， conducting practical teaching in real time， and reforming the curriculum assessment methods， we well motivated students' innovative potential. After years of reform， innovation and practice， the teaching of Structural Mechanics has achieved remarkable results.

Keywords： structural mechanics; blending learning; curriculum ideology and politics; teaching design; teaching effectiveness

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是力學(xué)、水利水電工程、土木工程等專(zhuān)業(yè)本科生的重要學(xué)科基礎(chǔ)課程，本課程的任務(wù)是在學(xué)習(xí)理論力學(xué)和材料力學(xué)等課程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步掌握平面桿件結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的基本概念、基本原理和基本方法，了解各類(lèi)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，為學(xué)習(xí)有關(guān)專(zhuān)業(yè)課程以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究打好力學(xué)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算等方面的能力[1]。

然而，在結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生普遍感受到方法抽象、方法系統(tǒng)性強(qiáng)，是學(xué)生心目中十分難學(xué)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析和位移計(jì)算，學(xué)生通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練基本可以掌握，而求解超靜定結(jié)構(gòu)的力法和位移法是本門(mén)課程的重點(diǎn)，尤其位移法既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，而且方法最抽象，位移法基本系可以說(shuō)是“無(wú)中生有”，學(xué)生很難理解，且在平時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生側(cè)重于做題、計(jì)算，不太善于結(jié)構(gòu)分析。

因此，如何打破本門(mén)課程在學(xué)生心目中的屏障，消除學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程學(xué)習(xí)的恐懼心理，通過(guò)課堂教學(xué)使得學(xué)生能夠在課程基本概念、基本原理以及手算能力等方面駕輕就熟，引導(dǎo)學(xué)生善于進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。為了更好地實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)成效，本門(mén)課程在多年教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中努力探索創(chuàng)新的教育模式，強(qiáng)化教學(xué)過(guò)程中的概念分析、知識(shí)能力轉(zhuǎn)化、能力提升[2]，以期為培養(yǎng)新時(shí)代“厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)”的復(fù)合型創(chuàng)新人才服務(wù)。

一 ?結(jié)構(gòu)力學(xué)總體教學(xué)設(shè)計(jì)

課程教學(xué)設(shè)計(jì)的總體思路是利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，實(shí)行線(xiàn)上線(xiàn)下混合式課堂教學(xué)、多角度開(kāi)展課程思政教育、理論教學(xué)緊密聯(lián)系工程實(shí)際和教師科研成果、實(shí)時(shí)地開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)等方式及改革課程考核方法，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。

（一） ?開(kāi)展線(xiàn)上、線(xiàn)下混合式教學(xué)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性

在過(guò)去的教學(xué)模式中，學(xué)生往往被動(dòng)地接受知識(shí)，缺乏參與意識(shí)，顯然不符合培養(yǎng)具有批判性思維及創(chuàng)新能力新型人才的需求，必須探索有效的新型教學(xué)模式，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性[3-6]。為了使學(xué)生由被動(dòng)思考過(guò)渡到主動(dòng)思考，再提升到獨(dú)立思考，課程采用翻轉(zhuǎn)課堂、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法（PBL）等適合于線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上和線(xiàn)下教學(xué)的相互融合貫通[7-8]，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性。

1 ?MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)

MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)，要求學(xué)生首先在課外通過(guò)在線(xiàn)課程自主學(xué)習(xí)，然后在課堂上成為主講人，反轉(zhuǎn)了師生角色，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的互動(dòng)性與參與性，以及課堂的研究性學(xué)習(xí)。在過(guò)去幾學(xué)期的實(shí)踐過(guò)程中，選取“溫度改變時(shí)超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算”“力法計(jì)算超靜定拱”等知識(shí)點(diǎn)作為學(xué)生翻轉(zhuǎn)的內(nèi)容，具體要求是：學(xué)生全員參與，分組完成自主學(xué)習(xí)，在課下制作PPT并錄制視頻，小組成員之間分工協(xié)作，然后，在課堂上講解，教師進(jìn)行組織協(xié)調(diào)、點(diǎn)評(píng)和查漏補(bǔ)缺。通過(guò)制作PPT—錄視頻—講解一連串的訓(xùn)練，學(xué)生可對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解得更加透徹，也鍛煉了學(xué)生相互之間的協(xié)作能力以及口頭表達(dá)能力。

2 ?MOOC+PBL的混合式教學(xué)

MOOC+PBL的混合式教學(xué)，是一種基于問(wèn)題的教學(xué)方式，要求學(xué)生首先基于在線(xiàn)課程完成知識(shí)學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)知識(shí)建構(gòu)，然后在課堂上以小組的形式完成問(wèn)題討論。這種教學(xué)模式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和思維能力提出了很高的要求，同時(shí)也對(duì)教師設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力提出了更高的要求。

第一層次是根據(jù)基本概念、原理設(shè)置的問(wèn)題，著重考察學(xué)生在線(xiàn)課程的學(xué)習(xí)效果，同時(shí)也對(duì)在線(xiàn)課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容起到鞏固加深的作用，比如在講解“等截面直桿轉(zhuǎn)角位移方程”這一節(jié)時(shí)，課下要求同學(xué)進(jìn)行在線(xiàn)課程學(xué)習(xí)，課堂主要采用研討的方式，討論的幾個(gè)基本概念問(wèn)題包括：①在單跨超靜定梁中，桿端位移與桿端內(nèi)力的正負(fù)號(hào)是如何規(guī)定的？②什么是形常數(shù)與載常數(shù)？③談?wù)剬?duì)轉(zhuǎn)角位移方程的認(rèn)識(shí)？

第二層次是基本概念、原理講解過(guò)程中延伸的問(wèn)題，如在講解“等截面直桿轉(zhuǎn)角位移方程”這一節(jié)時(shí)，要求同學(xué)討論如圖1所示單跨梁在固定端A處發(fā)生順時(shí)針?lè)较虻慕俏灰痞誂時(shí)，由此引起鉸支座B處的角位移φB為多少？課堂討論的時(shí)候，有的同學(xué)根據(jù)位移計(jì)算的知識(shí)可以算出結(jié)果，但設(shè)置這一問(wèn)題的目的在于考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和運(yùn)用，除了利用位移計(jì)算公式外，還可以根據(jù)兩端固定梁的桿端內(nèi)力公式直接推導(dǎo)得到。在講解位移法時(shí)，討論位移法基本未知量的確定，如圖2所示，要求學(xué)生分析探討φ1、φ2和Δ3是否均應(yīng)作為位移法基本未知量，并說(shuō)明理由，考查學(xué)生對(duì)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)位移的理解，在前面討論了圖1所示的問(wèn)題后，部分學(xué)生能夠很容易進(jìn)行知識(shí)聯(lián)想。

第三層次著重考查學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。結(jié)構(gòu)力學(xué)例題很多，要求學(xué)生對(duì)例題的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析探討，并聯(lián)系工程實(shí)際，比如講解超靜定結(jié)構(gòu)在支座移動(dòng)時(shí)內(nèi)力計(jì)算的例題時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考彎矩與哪些物理量相關(guān)以及有何關(guān)系，并反思如何解決相應(yīng)的工程問(wèn)題，說(shuō)明超靜定結(jié)構(gòu)中地基處理的重要性及沉降縫的設(shè)置等問(wèn)題。

圖1 ?單跨梁

圖2 ?位移法基本未知量的確定

（二） ?多角度開(kāi)展課程思政教育，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授和精神引領(lǐng)的統(tǒng)一

將思想政治教育內(nèi)容與專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能教育內(nèi)容有機(jī)融合[9]，達(dá)到知識(shí)傳授和精神引領(lǐng)的統(tǒng)一，對(duì)學(xué)生進(jìn)行愛(ài)國(guó)主義教育、職業(yè)道德教育、社會(huì)責(zé)任教育和科學(xué)精神教育。

1 ?引入中國(guó)古代文明的代表性建筑物結(jié)構(gòu)和當(dāng)代中國(guó)的重大工程結(jié)構(gòu)

以中國(guó)古代文明的代表性建筑物結(jié)構(gòu)和當(dāng)代中國(guó)的重大工程結(jié)構(gòu)為背景和實(shí)例，從專(zhuān)業(yè)的角度展示中國(guó)古代歷史上的文明智慧、當(dāng)代中國(guó)的巨大建設(shè)成就，以及對(duì)世界工程建設(shè)的杰出貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)主義熱情和民族自豪感、自信心，如拱結(jié)構(gòu)中以趙州橋和錦屏拱壩為代表、桁架結(jié)構(gòu)以南京長(zhǎng)江大橋?yàn)榇?、剛架結(jié)構(gòu)以港珠澳通道海底沉管為代表等。再比如，在力法基本原理的講解中，以山西的懸空寺為例（圖3），懸空寺在建成多年以后后世在樓閣的下方增設(shè)了數(shù)十根纖細(xì)的柱子，在一般情況下這些柱子并不起作用，但在樓閣的樓面荷載達(dá)到一定程度的時(shí)候這些柱子又為樓閣的安全性和穩(wěn)定性增設(shè)了一份保險(xiǎn)，闡述由靜定結(jié)構(gòu)過(guò)渡到超靜定結(jié)構(gòu)的工程背景，也以此例來(lái)展示我國(guó)古代勞動(dòng)人民的智慧和工匠精神。

2 ?融入結(jié)構(gòu)力學(xué)發(fā)展史

在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中融入結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展歷史，讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)力學(xué)中一些重要方法和原理的發(fā)展歷程，了解結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)者解決工程問(wèn)題的初心和科學(xué)方法不斷發(fā)展和完善的過(guò)程。比如，圖乘法是Vereshagin于1925年提出的，他當(dāng)時(shí)為莫斯科鐵路運(yùn)輸學(xué)院的學(xué)生；力法的發(fā)展與兩位偉大的科學(xué)家麥克斯韋和莫爾的貢獻(xiàn)密不可分，1864年，麥克斯韋提出了求解超靜定桁架位移的單位荷載法，給出了力法的雛形；直到1874年，莫爾系統(tǒng)地整理了Maxwell的方法，給出了規(guī)范的形式，也就是力法，所以力法也被稱(chēng)為麥克斯韋-莫爾法。位移法的發(fā)展也經(jīng)過(guò)很多科學(xué)家的努力，1826年，納維首先提出了位移法的思想，用于求解超靜定桁架的內(nèi)力；1880年，德國(guó)人曼德拉最早提出次彎矩法，用于求解桁架的次彎曲應(yīng)力；1892年，莫爾對(duì)次彎矩法進(jìn)行了完善，并逐漸為人所知；19世紀(jì)末20世紀(jì)初的時(shí)候，鋼筋混凝土材料得到廣泛使用，用鋼筋混凝土材料做成的剛架剛結(jié)點(diǎn)剛性很大，超靜定次數(shù)高，彎矩效應(yīng)變得非常顯著，反而軸力引起的結(jié)點(diǎn)位移很小，所以，在20世紀(jì)初的時(shí)候，就提出了轉(zhuǎn)角位移法，用于求解剛架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，轉(zhuǎn)角位移法實(shí)際上就是位移法的一種，位移法也是現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)分析方法有限元法的基礎(chǔ)。

3 ?布置與課程思政相關(guān)的課程論文主題

以課程論文的形式，要求學(xué)生閱讀較多的文獻(xiàn)資料，搜索和工程結(jié)構(gòu)事故相關(guān)的素材，了解工程結(jié)構(gòu)事故發(fā)生的概況、結(jié)構(gòu)事故產(chǎn)生的原因、責(zé)任劃分以及從中得到的啟示和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以增強(qiáng)他們作為一名結(jié)構(gòu)工程師的責(zé)任感和使命感。

（三） ?契合學(xué)校特色發(fā)展，將課堂教學(xué)與實(shí)際工程緊密結(jié)合

河海大學(xué)是一所以水利為特色的高等院校，課堂教學(xué)過(guò)程中，契合學(xué)校特色發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容中融入中國(guó)古代文明的代表性水工建筑物結(jié)構(gòu)和當(dāng)代中國(guó)的重大水利工程結(jié)構(gòu)，如三峽大壩、趙州橋、港珠澳大橋等，此外，也將教師科研過(guò)程中涉及的重大工程項(xiàng)目（重力壩、拱壩、渡槽和水池等）穿插進(jìn)相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，使得教學(xué)內(nèi)容能夠與時(shí)俱進(jìn)。比如：在學(xué)習(xí)拱結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，以我國(guó)著名的趙州橋?yàn)槔?，作為世界上保存最完整的古代單孔敞肩石拱橋，此外，也以教師科研?shí)踐中的漿砌石拱渡槽為例，下面的拱圈也可以簡(jiǎn)化成超靜定拱，如圖4所示，在學(xué)習(xí)溫度荷載下超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考為何我國(guó)一些重大的重力壩、拱壩等水工結(jié)構(gòu)工程（小灣拱壩、三峽重力壩）施工時(shí)要分塊澆筑并設(shè)置橫縫？

通過(guò)將理論教學(xué)與實(shí)際工程緊密聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，以及靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、分析和解決工程中實(shí)際問(wèn)題的能力，通過(guò)啟發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見(jiàn)和建議，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。

（四） ?自制課堂教學(xué)演示教具，探索有效的實(shí)踐教學(xué)方法

課堂演示易于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力及理論聯(lián)系實(shí)際的能力[10-13]，化課堂理論教學(xué)中抽象的支座形式和桿件結(jié)構(gòu)為可觀、可動(dòng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)。在教學(xué)過(guò)程中，自研并加工了結(jié)構(gòu)變形的演示教具，如圖5所示，可直觀地展示結(jié)構(gòu)力學(xué)中固定支座、滑移支座、鉸支座等不同支座類(lèi)型對(duì)桿件結(jié)構(gòu)的位移和轉(zhuǎn)角的限制作用，加深學(xué)生對(duì)支座特性的理解，該教具還可輔助演示位移法基本原理，讓學(xué)生理解“剛臂”的功能，再現(xiàn)剛臂的“放松”和“鎖住”效果，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，加深了學(xué)生對(duì)位移法基本原理的理解。解決了“結(jié)構(gòu)”力學(xué)學(xué)習(xí)中，不見(jiàn)“結(jié)構(gòu)”的問(wèn)題。

（五） ?“多元融合”的課程考核方式，強(qiáng)調(diào)過(guò)程性考核

課程評(píng)價(jià)體系是學(xué)生學(xué)習(xí)的風(fēng)向標(biāo)，具有指揮棒作用。課程考核評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、知識(shí)運(yùn)用能力及創(chuàng)新思維能力為目標(biāo)，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的理念，注重學(xué)習(xí)過(guò)程，進(jìn)行多元化考核，包含視頻學(xué)習(xí)、課程論文、線(xiàn)下討論、課后作業(yè)和線(xiàn)下期末考試等多個(gè)評(píng)價(jià)維度。根據(jù)各個(gè)維度對(duì)于不同的知識(shí)點(diǎn)的重要性以及對(duì)能力素質(zhì)的反映度，確定各個(gè)維度的權(quán)重。具體考核方式包括在線(xiàn)課前學(xué)習(xí)（5%）+課堂學(xué)習(xí)討論、課程論文及課后反饋表現(xiàn)（35%）+課程考試（60%）。

二 ?結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的建設(shè)，尤其是改革開(kāi)放40多年來(lái)的改革、創(chuàng)新與實(shí)踐，河海大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程取得了一大批具有較大影響力的創(chuàng)新成果，培養(yǎng)了一批動(dòng)手能力強(qiáng)、創(chuàng)新意識(shí)高的學(xué)生。河海大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)于2019年獲批首批國(guó)家級(jí)一流線(xiàn)上課程，并于2021年獲批首批省級(jí)線(xiàn)上線(xiàn)下混合式一流課程。目前，線(xiàn)上課程資源已經(jīng)進(jìn)行了約10多個(gè)學(xué)期的教學(xué)，每學(xué)期選課人數(shù)逾千人，受眾面非常廣泛。

在今后的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中，將繼續(xù)充分利用已有的線(xiàn)上教學(xué)資源，探索混合式教學(xué)的有效途徑。在已有的教學(xué)實(shí)踐中一方面總結(jié)成功的經(jīng)驗(yàn)，另一方面也要總結(jié)當(dāng)前混合式教學(xué)中存在的問(wèn)題，通過(guò)學(xué)生反饋、教師自我總結(jié)等方式不斷提升混合式教學(xué)質(zhì)量，提升課堂教學(xué)成效和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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