研究型教學在結構力學課程教學中的應用

楊麗紅 樊 濤 吳國輝 張治勇 宋天舒 張 瑞 王寶來哈爾濱工程大學 黑龍江哈爾濱 150001

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研究型教學在結構力學課程教學中的應用

楊麗紅 樊 濤 吳國輝 張治勇 宋天舒 張 瑞 王寶來
哈爾濱工程大學 黑龍江哈爾濱 150001

摘 要：介紹了研究型教學的特點，分析了土木工程及相關專業的一門重要專業基礎課——結構力學的課程特點，分別從教案制定、教學方法、課外學習以及課程考核等方面討論了在結構力學課程中具體實施研究型教學的方法。為高等院校相關課程開展研究型教學提供參考。

關鍵詞：結構力學；研究型教學；工程實際

培養創新型優秀人才是我國高等教育的一項主要任務。近年來，為提高學生的創新意識和創新能力，各高等院校紛紛提出采用研究型教學的方式實現創新性人才的培養目標。研究型教學是一種基于研究探索的教學模式，在研究型教學中，教師通過優化課程結構、合理設置教學內容，能夠將學習、研究和實踐有機結合，從而能充分發揮學生的主體作用。

在我國高等院校中，研究型教學的推進經歷了3個階段：研究型課堂的啟動階段、研究型課程的推進階段、研究型人才培養方案的構建與實施階段[1]。

結構力學是土木工程及相關專業的一門重要專業基礎課，是聯系基礎力學課程與工程設計課程的紐帶。結構力學知識掌握的熟練與否不僅關系到學生后續專業課程的學習效果，而且對其畢業后的工作也具有深遠影響。隨著計算機數值技術的飛速發展，結構力學課程的主要作用已由培養學生的定量計算求解能力轉化為培養學生將力學概念與實際工程緊密結合，進而在概念分析的基礎上進行合理結構創新的能力。因此，在結構力學課程教學中有必要采用研究型教學的方式，通過教師的合理設計和學生的主動探索，培養土木工程及相關專業學生的創新意識和創新能力，從而實現培養卓越的土木工程師和優秀技術人才的目標。

1 結構力學課程特點

結構力學課程主要講授桿系的組成規律及靜定、超靜定桿系結構的內力、位移計算原理和方法。目前，各高校所使用的結構力學課程教材的主要內容一般包括：結構的幾何構造分析、靜定結構的內力分析、移動荷載和影響線、結構位移計算、力法、位移法、矩陣位移法、結構動力計算等[2]。

1.1基本概念多

從某種角度而言，結構力學課程可以看作是材料力學的拓展與延伸，因此在結構力學中仍會用到材料力學中的諸多概念，如約束(固定端支座、固定鉸支座、活動鉸支座)、內力(軸力、彎矩、剪力)、位移(線位移、角位移)、圖乘法、多余約束、超靜定、變形協調性等。此外，結構力學中又出現很多新的概念和專業術語，如幾何構造特性(幾何不變、幾何可變、瞬變)、定向支承、瞬鉸、計算自由度、結構(多跨梁、剛架、桁架、組合結構、拱結構)、移動荷載、影響線、力法、位移法、矩陣位移法等。

1.2計算方法多

結構力學課程研究內容繁雜，針對不同問題、不同結構會采用不同的計算方法。結構力學具體計算方法可以分為如下幾類：體系幾何構造分析方法、靜定結構內力計算方法、影響線分析方法、結構位移計算方法、超靜定結構解法等。其中，體系幾何構造需要根據桿系組成特點采用不同的規則進行分析，不同類型的桿系有不同的分析方法；靜定結構內力分析需要分別針對靜定多跨梁、剛架、桁架、組合結構和拱結構進行分析，每種結構因具有不同的幾何特性和受力特性而具有不同的計算方法和求解技巧；影響線分析包括靜力法和機動法；結構位移計算方法包括直接積分法和圖乘法；超靜定結構計算方法包括力法、位移法和矩陣位移法等。

1.3與工程聯系緊密

結構力學研究工程中桿系結構的力學問題，它來源于工程，又服務于工程，是力學類課程中與工程實際聯系最為緊密的課程之一。結構力學知識不僅可以用來解答書本中的題目，而且與建筑結構設計及分析、建筑結構施工、結構的加固與改造等土木工程實踐聯系密切。因此，在結構力學教學過程中，如果能夠將理論知識與實際工程問題結合，及時向學生介紹結構力學知識在實際工程中的應用，能充分調動學生的學習積極性，培養學生的工程意識和創新能力。

2 結構力學研究型教學實施要點

研究型教學在教學目的、培養目標和教學方法等方面與傳統教學存在顯著區別：研究型教學以帶領學生探索未知為教學目的，以培養學生創新能力為培養目標，在教學過程中通常采用課題驅動、啟發研討等教學方法。為實現研究型教學的培養目標，根據結構力學課程的特點，在結構力學課程研究型教學實施過程中應該做到以下幾點。

2.1精心制定研究型教學教案

制定詳盡的研究型教學教案是在結構力學課程中順利實施研究型教學的重要保障。研究型教學教案要突出以下幾點。

(1)授課教師結合結構力學課程各部分內容特點，確定在哪些知識點處采用啟發式教學，在哪些知識點處可以應用討論式、互動式教學，根據教師搜集整理的素材確定在哪些章節處引入工程破壞案例或科研成果案例進行分析。

(2)采用研究型教學后，課堂教學內容要詳略得當。對某些簡單內容或非重點內容要進行適當整合，從而保證各種研究型教學手段能在有限的學時內順利實施。

(3)教師需要根據學生的專業特點和各章節的知識要點，精心設計一些能夠刺激和引導學生思維的問題，搜集整理適合于結構力學教學的工程案例和科研成果案例，并根據需要將具體案例制作成多媒體課件，以便于能在課堂上向學生生動、具體的展示。

2.2采用啟發式、研討式教學法

啟發式、研討式教學能充分發揮教師在教學中的主導作用和學生的主體作用，調動學生的學習積極性，激發學生的創造性思維[3]。

采用啟發式教學，教師可以在學生有了一定知識積累的基礎上，對于不存在過大難度的知識點提出問題，啟發學生思考。例如，在結構幾何構造分析部分，可以探討“瞬變體系是否具有應用價值”“幾何不變體系、瞬變體系和計算自由度的關系”“鏈桿與剛片之間的聯系與區別”等；在靜定結構內力分析部分，可以探討“為什么一般靜定多跨梁的彎矩比一系列相應簡支梁的彎矩小”“拱的內力與拱的高跨比的關系”等。然后，將授課班級學生分成若干小組，學生按小組自由討論，在討論過程中，教師針對學生討論的核心問題進行啟發，引導學生自己尋找答案。具體按“教師提出問題—學生自主思考—學生有初步認識—教師適時啟發—學生舉一反三”流程進行。

采用研討式教學，教師首先提出有一定研討價值的課題，并組織學生圍繞此課題進行研究探討性學習，讓學生最大限度地發揮學習的主觀能動性。例如、在靜定結構內力分析部分，可以探討“結合不同靜定結構(多跨梁、剛架、桁架、組合結構、三鉸拱)的特點，探討提高計算能力和解題速度的方法”，在影響線部分，可以探討“繪制影響線的靜力法和機動法的聯系”等。實施研討式教學按“教師提出課題—分組研究—集體討論—完成報告—做出評價”的流程進行。在整個研討過程中，學生處于主動地位，教師處于咨詢、幫助、引導的地位。

2.3采用案例教學法

結構力學是與工程聯系十分緊密的一門專業基礎課。因此學生在學習結構力學時，不僅要掌握書本上的理論知識，還有必要學習各種結構的工程背景。采用案例教學法，通過分析一些與結構相關的工程案例和相關科研成果，可以加深學生對所學知識的理解，提高學生的學習興趣，培養學生的學以致用意識和主動認知能力。在具體實施時，一方面，可以將結構力學的具體計算和實際工程結構進行對照，例如在計算拱類結構時，可以和實際工程中的拱橋結構進行對照；在分析桁架結構時，可以與單層工業廠房的桁架屋頂等桁架體系進行對比分析。另一方面，教師可以對一些工程中的橋梁結構、房屋結構等出現的破壞案例以及相關教師所做的關于結構的科研項目進行分析，從而使學生具體體會工程結構的特點以及結構力學理論在解決實際問題時的作用。

2.4布置課外學習任務

在高等教育階段，教師已不應該是學生獲取知識的唯一來源，高等教育應該培養學生具有從多種渠道獲取知識的能力。研究型教學鼓勵學生“在學習中研究，在研究中學習”，因此，在研究型教學過程中，教師有必要鼓勵學生不要滿足書本上的知識，而要研究和探索書本上沒有的知識。在教學過程中，教師可以為學生提供基于課程教學內容而又略高于教學內容的資料以及獲取資料的各種方法，鼓勵學生利用課余時間獨立尋求解決問題的方法。這樣既鍛煉了學生搜集資料、查閱文獻的能力，又拓展了學生的知識面。

2.5改革考核方式

研究型教學的考核方法主要考核學生的創新思維能力以及靈活運用基本概念、基本理論解決問題的能力。結構力學課程研究型教學的考核內容可以包括以下幾方面。

(1)隨堂測試。為了鼓勵學生積極思維，積極參與課堂學習、課堂討論，在每章內容結束后進行隨堂測試。隨堂測試時間根據本章內容的特點和難易程度確定。測試成績計入期末總成績。通過隨堂測試可以考核學生對平時授課內容的掌握情況。

(2)研討論文。教師提前布置研討題目，學生在利用課余時間完成研究任務后，提交相關研究論文，教師對研究論文進行評審，評審成績計入期末總成績。主要考核學生綜合運用結構力學知識的能力。

(3)綜合測試，在課程結束后進行結構力學綜合考核，綜合考核能全面考查學生對結構力學知識的綜合運用能力和對知識的掌握程度。

3 結束語

研究型教學作為一種課程改革的國際共同發展趨勢，以培養學習者主動探究和創新實踐的精神為目的，這與我國高等教育的任務“培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才”是一致的。因此，采用研究型教學以培養創新型優秀人才是我國高等教育教學改革的必然選擇之一。教學實踐表明，在結構力學課程中采用研究型教學，可以提高學生的學習興趣和學習主動性，使學生的團隊意識不斷增強，綜合能力得到很大提高。

參考文獻

[1] 鄭倫楚,徐曉軍.論高校研究型教學的階段性模式與深度推進策略[J].中國大學教學,2011(2):18-19,60.

[2] 龍馭球,包世華.結構力學教程[M].北京:高等教育出版社,2000.

[3] 楊麗,溫恒福.啟發式教學與對話式教學辨析.教育探索,2011(2):51-53.

Application of Research Teaching in Structural Mechanics Course

Yang Lihong, Fan Tao, Wu Guohui, Zhang Zhiyong, Song Tianshu, Zhang Rui, Wang Baolai
Harbin Engineering University, Harbin, 150001, China

Abstract:Structural Mechanics is an important professional basic course in civil engineering specialty and related specialty. By analyzing the characteristic of Structural Mechanics course, the methodsof applying research teaching into Structural Mechanics are discussed in the following aspects: making lesson plans, teaching methods, extracurricular learning and curriculum evaluation.This paper provides a reference for related colleges on carrying out the research teaching.

Key words:structural mechanics; research teaching; practical engineering

基金項目：黑龍江省教育廳規劃課題《基礎力學課程研究型教學的探索與實踐》(編號：GBC1213095)；黑龍江省高等教育教學改革項目“力學基礎課程網絡教學平臺建設與研究”(編號：JG2013010205)；哈爾濱工程大學教育教學改革研究項目“基于大工程理念的力學課程教學方法探索與實踐”(編號：JG2012YB01)。

作者簡介：楊麗紅，博士，副教授。

收稿日期：2015-08-17