基于產業需求和學情分析的結構力學課程改革

吳思瑤 張誠紫

(福建農林大學金山學院 福建福州 350002)

0 引言

我國正處于經濟發展的新階段，產業結構不斷優化升級，對人才培養提出了新的素質要求，“十九大精神”也為高等教育發展和高校人才培養明確了方向。因此，以職業要求為導向，培養學生的實踐能力和創新能力，建設“應用型高校”已成為我國普通本科高校的重要辦學目標，而加強主干課程建設和實踐教學則是實現該目標的重要環節。《結構力學》課程在土木工程專業的課程體系中處于承上啟下的關鍵地位，但由于該課程本身難度較大且以理論教學為主，學生的興趣度和積極性偏低，很多學生面臨基礎知識不扎實和工程思維能力較差的問題。近年來，許多教學工作者針對該課程的教學現狀提出了教學改革措施并取得了一定成果，但對該課程與建筑產業需求的聯系以及考慮學情分析的研究較少[1-6]。因此，本文以加強課堂教學的趣味性并貼近實際工程為重點，以激發學生學習熱情和培養學生實踐能力為目標，在產業需求和學情分析調研的基礎上，結合教學實踐和反思，提出四項改革措施，以期切實改善教學效果，為后續課程學習及將來參加工作打下良好的基礎。

1 產業需求和學情調研

1.1 產業需求分析

土木工程專業學生畢業后主要從事結構設計和施工現場管理或技術方面的工作，其工作崗位能力與專業知識水平密切相關，而《結構力學》就是一門很重要的專業基礎課。從設計角度出發，結構設計人員必須掌握相關的結構力學基礎知識。例如，在最開始進行結構布置時，設計人員應當對力的傳遞路線有清晰的認識；在構件截面設計過程中，正確理解結構的內力和位移計算結果是關鍵；在抗震分析時，周期、振型等基本概念與結構力學更是密不可分。同時，雖然PKPM、YJK等軟件大大降低了結構設計的難度，但實際工程仍然要求設計人員具備一定的定性分析能力和手算能力，這樣面臨實際設計問題時，思路才會更敏捷，才能更快地進行模型調整，對簡單的構件通過手算即可完成設計。因此，學好結構力學對于設計人員更好、更快地完成設計任務有重要的作用，而且可以加深設計人員對專業規范條文的理解，有助于通過注冊結構工程師考試。從施工角度出發，諸如施工縫的設置、鋼筋在構件中的上下位置、節點的構造要求、預制構件堆放和吊點的布置、模板支架的搭設等都與結構力學知識息息相關。如果施工管理及技術人員都掌握了荷載、結構、節點、構件的受拉區、受壓區、剪力、彎矩等力學基本概念，對所施工結構的受力性能有所了解，施工人員就能更快地理解施工圖紙和要求，保證相關規范的正確執行，使發生錯誤的機率大大降低，并且能夠根據現場發生的實際情況，快速正確地處理一般性的管理和技術問題，這樣不僅可使施工質量和安全得到可靠保障，而且一定程度上也能提高施工效率[7]。

1.2 學情分析

學情分析是指對學生在學習方面的特點、學習方法、習慣、興趣、成績等進行分析。近年來，高校的學風呈現出淡化的趨勢，學生普遍存在學習散漫，缺乏動力的問題。尤其是面對《結構力學》這類理論性強，難度高的課程，學生學習積極性不高，很容易在學習過程中喪失興趣或者動力。因此，針對性的學情分析對提高教學質量而言是非常必要的。本研究以福建農林大學金山學院土木工程專業學生為對象，圍繞學生對《結構力學》課程的認知情況和關注點，展開了學情調查工作。

調查結果分析表明：(1)大多數學生學習該課程的動機都只是完成必修學分的要求，雖然知道該課程是一門重要的專業基礎課，但并不了解其與實際工程的關聯性；(2)最關注和感興趣的多數是該課程考核方面的問題以及該課程在今后學習、考研和工作方面的作用；(3)少數學生喜歡該課程，學生普遍覺得該課程難度大，前期基礎不扎實，后期就跟不上授課進度；(4)僅半數的學生能夠獨立完成課后作業或和同學討論后完成；(5)加入實踐和應用環節對提高學生的積極性和鞏固理論知識有較大的幫助。

2 課程改革措施

基于產業需求和學情分析的結果，本文以改善教學效果，提高學生實踐應用能力為目標，從激發學生積極性的角度出發，提出了四項課程改革措施。

2.1 充分利用緒論課

緒論課作為整個課程的綱領，主要介紹的是課程的教學目標、教學安排、教學特點、教學要求、教學內容、學習方法、考核方法等，具有非常重要的作用，直接影響今后正常教學的效果。概括來說，緒論課的關鍵在于對學生的 “激發”和“引導”。“激發”是激發學生的學習動力。從學情分析結果來看，在《結構力學》緒論課上突出學習該課程的意義，對提高學習積極性是十分必要的。根據學生最關注和最感興趣的內容，可以從3個方面突出該課程的重要作用：一是從課程體系角度出發， 介紹《結構力學》與其他課程的關聯性，尤其要強調沒有學好該課程對后續學習專業課的影響。二是從考研和考證角度出發，讓學生知道《結構力學》是今后考研的主要專業課，也對工作后考取注冊結構工程師資格證書有幫助。三是從產業需求角度出發，按照1.1節所述，可以以圖片或視頻的方式舉例說明《結構力學》與今后工作和實際工程的聯系。例如，可以向學生展示一個實際工程項目的三維建筑模型，通過觀察模型，學生能夠更好地理解結構的作用、力的傳遞路徑以及結構計算簡圖的形成；通過內力圖和配筋圖，學生能夠深刻體會結構力學和結構設計之間的緊密聯系，充分激發學生的求知欲。“引導”則是給學生構建一個知識框架，梳理好該課程的知識脈絡，指出重難點內容，特別要向學生強調各章節的緊密聯系，如果前期學習不好會直接影響后續章節的學習，尤其是靜定結構的內力計算方法是課程的重中之重，需要打好基礎[8]。

2.2 引入結構力學求解器

由于目前《結構力學》課程沒有設置相應的力學試驗，結構力學求解器SM Solver與課程內容的結合能夠增加理論知識的生動性，讓學生更形象、深刻地理解課程內容，扎實力學基本功。SM Solver軟件操作方便，易于上手，能夠求解結構力學中二維平面桿件體系的幾何構造分析、受力分析、位移計算等問題。一方面，課堂演示的方式比理論講解更生動，可以激發學生學習的熱情。具體章節應用情況和對應作用見表1，其中結構靜力計算知識模塊包括靜定結構及超靜定結構內力和位移計算相關章節。另一方面，SM Solver可為學生課后作題提供參考，能夠培養學生的自主學習能力。例如輸入一個靜定或超靜定結構，求解器都能生成相應的內力圖和位移計算結果，便于學生校核，有助于學生獨立完成作業，扎實力學基本功。

表1 SM Solver在結構力學課堂演示中的應用

2.3 融合實際案例和技巧

土木工程涉及范圍非常廣，包括建筑、橋梁、大壩、擋土墻等，都與力學脫不開關系。若能將常見的工程案例融合到課堂教學中，不僅可以將抽象的力學形象化，而且可以強化學生的工程意識，讓學生體會到結構力學在實際工程中的應用價值，從而提升理論學習的興趣。同時，在日常生活中也有很多地方可應用到結構力學知識或者用于類比學習的技巧，對于提高課程的趣味性，加深學生對課程內容的感性認知和理解掌握有很大幫助。本文歸納了常見的與結構力學相關的案例技巧及對應的知識點[8-12]，如表2所示。

表2 提高結構力學趣味性的案例及技巧

2.4 結合大學生結構設計大賽

對于土木工程專業來說，結構設計大賽是一項重要的學科性競賽，能夠培養學生的創新意識、團隊合作和工程實踐能力。從創新應用型人才培養的角度出發，我院積極鼓勵學生參加省、院兩級結構設計競賽，并將該競賽作為第二課堂學分認定的一個項目。由于學生在模型設計、制作、加載和分析過程中，需要充分利用到相關的力學知識，因此，將結構設計大賽作為結構力學課程實踐教學的一個環節是非常可行的[13]。

結構設計大賽的賽題非常豐富，都來源于實際生活或工程，包括房屋建筑、橋梁、大跨度屋蓋、發電塔、廣告牌等，梁、拱、桁架、框架等這些結構形式都有涉及到。模型制作材料以卡紙、竹材、木材等為主；模型加載包括靜荷載、移動荷載、風荷載及地震荷載。如福建省第十屆大學生結構設計競賽，賽題是用竹材制作抗連續倒塌結構，如圖1～圖2所示，通過模型設計與制作的過程，學生會主動學習及思考相關的專業知識；通過建模分析的過程，學生對結構體系、力的傳遞、受力特點等問題的理解程度可以得到強化并學以致用；通過加載破壞過程，學生能更直觀地觀察到節點破壞、桿件失效、結構整體失穩或出現極限承載力狀態的情況，不僅可以使學生鞏固已學習的力學知識，而且也為后續專業課程的學習和實際工程應用能力打下了基礎。總之，將結構設計大賽與《結構力學》課程相結合，能夠激發學生的學習興趣，培養力學思維，鞏固專業知識，提高實踐及創新能力，樹立團隊意識，同時通過師生交流的形式，也能讓老師了解學生對相關課程知識的掌握程度。

圖1 實際模型結構圖2 有限元模型

3 課程改革效果

通過一學期完整的結構力學教學實踐，學生總體上對結構力學課程知識的掌握程度比上一學年要明顯提高，具體表現如下：(1)更理解結構計算簡圖與真實結構的關系；(2)幾何組成分析的方法和技巧更熟練；(3)靜定結構受力分析和位移計算的基本功更扎實；(4)超靜定結構的計算思路更清晰；(5)影響線概念和繪制方法掌握更準確；(6)結構動力學基本概念和原理理解更深刻。

同時，通過課程反饋調查表明，喜歡結構力學課程的同學明顯增加，能夠獨立完成課后作業的同學比例也明顯提高，且60%以上的同學都認為課堂上引入結構計算軟件和工程實際案例，對提高學習興趣度和對課程內容的理解有較大的幫助。

4 結語

產業需求是應用型人才培養的導向，學情分析是教學質量保證的前提，本文在產業需求及學情分析的基礎上，提出了四項課程改革措施。教學實踐結果表明，改革得到了學生認可，取得了良好效果：

(1)激發了學生的學習動力和工程意識，幫助學生樹立正確的學習目標；

(2)提高了課程的趣味性和學生的積極性，有助于知識的掌握應用以及工程思維的擴展；

(3)培養了學生自主學習、獨立思考、團隊合作、實踐創新的能力。