“科研-工程-教學”深度融合的建筑力學教學模式創新與實踐

陳朝暉,李正良

(重慶大學 土木工程學院，重慶 400045)

工程教育對于中國高等教育具有舉足輕重的作用。自2010年以來，以實施“卓越工程師計劃”為開端，我國正逐步探索出適應國情發展的高等工程教育之路，即主動布局工程科技人才的培養，以適應并引領新型產業和新經濟發展為目標，開辟新型工程學科，回歸工程實踐[1-3]。這一回歸，是以“整體工程觀”為指導的螺旋式上升，是引領時代的工程教育的創新與變革。

近30年來，我國土木工程發展，呈現出學科交叉、深度融合的局面，并由傳統的以陸地為主向海洋、太空與地下延伸，要求工程人才具備綜合應用、工程創新與開拓引領的復合型能力，以及自然科學、工程科學、工程技術與人文美學的綜合素養。建筑力學是對工程實踐中力學問題的提煉與研究，是服務于土木工程的專業基礎科學，貫穿了土木工程整個學科發展與人才培養的全過程，是培養復合型工程人才和創新型科研人才的基石[4]。

與此同時，我國工程學科發展與本科教育之間的矛盾也日益突出。其普遍性源于科學技術分類細化與人才的綜合性與拓展性之間的矛盾，其特殊性源于我國高校學科發展中，科研的量化評價體系(如論文、項目、經費和成果等)與人才培養、教學質量難以量化之間的矛盾，而后者使得高校教師在如何平衡科研與教學的投入上面臨兩難而勉力維持，上述矛盾若不及時有效解決，勢必為本科教學質量和學科發展埋下深遠隱患。我國高等教育相關部門已深切意識到本科教育與學科發展中的這一兩難局面，提出“人才培養為本，本科教育是根”“以本為本、四個回歸”[5]等系列改進與激勵舉措，但如何協調科研與教學、學科建設與本科教育之間的矛盾，仍然需要一線教師自身突圍，在矛盾中尋求平衡之路，建立辯證統一。

面對我國高等工程教育的發展趨勢，專業基礎課程教學模式如何適應工程學科復合型人才的培養需求，一線教師如何平衡個人發展與教學工作的矛盾、助力“四個回歸”，是當前我國高等工程教育面臨的關鍵問題。為此，重慶大學土木工程學院建筑力學教學團隊通過挖掘土木工程背景下建筑力學的工程科學內涵，確立“科研-工程-教學”深度融合的建筑力學教學理念，探索“融工程于力學、以科研促教學”的教學團隊建設機制，圍繞學生力學素養與綜合能力的養成，建設了遞進式土木工程學科復合型人才力學綜合素質與創新能力培養模式，實現了人才培養、教學團隊與學科建設的協調發展。

一、立足工程科學內涵的“科研-工程-教學”深度融合的教學理念

早在1947年夏，錢學森就曾指出，當今社會，國際競爭日益激烈，自然科學的成果與應用間的距離日益縮小，工程科學(engineering science)已應運而生[6]。工程科學是純科學(即自然科學)與工程技術之間的橋梁，是將基礎科學知識應用于工程問題的科學[7]。

“自然科學的研究對象并不是大自然的整體,而是大自然中各個現象抽象化了的、從它的環境中分離出來的東西。所以自然科學的實質是形式化了的、簡單化了的自然界。”[7]自然科學家追求如何“把問題簡化到這樣的程度，從而能找到一個“精確”的解答。與自然科學不同的是，工程科學面向實際的復雜問題，著重于求取實際復雜問題的解答。對于實際工程而言，自然科學可能給出一個過分簡化的問題的精確解，而工程科學需要的是實際問題的近似解。因此，雖然自然科學是工程技術的基礎,但它不能完全包括工程技術。有科學基礎的工程理論既不是自然科學的本身,也不是工程技術本身，它是介乎自然科學與工程技術之間，是兩個不同部門的人們生活經驗的總和，有組織的總和，是化合物，不是混合物[8]。

在各類工程科學中，力學因相對成熟較早，而成為工程科學最早的成員和促進工程技術發展的范式，面向不同的工程應用，業已產生多個分支。今天，工程科學的領域已經有了極大的擴展，將世界帶入信息科學、納米技術、生物科學和人工智能的時代[9]。而各門工程學科所面向的對象和涵蓋的內容也日益復雜，但其學科體系構成大致包含三個部分：基礎科學、分析理論與方法，以及工程設計實施原理與技術[10]。以土木工程為例，其基礎科學部分通常包括數學、物理、化學等普遍的、基本的自然科學原理，分析理論和方法部分則主要包括建筑力學、建筑材料科學、建筑熱工等；工程設計實施原理部分包括各類結構工程(房屋、道路、橋梁、隧道等等)的設計建造監測原理及技術、建筑工程管理的理論與方法等。顯然，土木工程并不是各部分以及各項內容的簡單疊加或組合,而是相關內容的有機綜合。

以結構工程為對象、以經典力學為基礎的建筑力學，作為連接基礎科學(數學、物理、化學以及經典力學等)與土木工程設計實施原理與技術的橋梁，對于土木工程學科發展及人才培養，有著舉足輕重的作用，擔負著培養學生基礎理論與技能綜合應用、邏輯思維、力學建模、復雜工程問題定量計算與定性分析等力學綜合素質的重任，是培養工程實踐與研究創新復合型人才的基石。

然而，由于力學教學體系的相對成熟，在面對當代土木工程的迅猛發展及其對人才綜合性與創新性日益迫切的需求中，顯得有些固守成規、反應遲鈍。高等教育中普遍存在的不足體現在：我國建筑力學課程體系涵蓋專業多，課程門類劃分繁雜，各門課程相對獨立，未突出面對工程問題的整體力學思想，沒有著重培養學生面對復雜工程問題的力學思維能力；建筑力學教學仍然沿襲依賴手算進行設計的傳統，片面強調手算技巧，忽視了現代計算機分析技術和方法在工程中廣泛應用的現狀；建筑力學的教學內容陳舊，與學科發展脫節，新結構體系、新材料和新的結構工程沒有得到體現，使學生的綜合應用與創新能力不足。此外，土木工程學科中，建筑力學課程體系的縱深性和延展性不夠，對土木工程專業高層次人才的培養支撐力度不足。

因此，本著工程科學應“從工程中來，到工程中去”，應從工程個性問題提煉具有普遍性、一般性的科學問題，提供實用有效的解決辦法這一工程科學的本質和使命出發，通過對建筑力學的工程科學內涵的挖掘，確立了針對新對象、發現新問題、采用新方法、培養新土木工程人的基本建筑力學教學創新與建設思想，提出了“科研-工程-教學”深度融合的建筑力學教學理念，以及面向土木工程學科的建筑力學教學的根本目標，即：養成學生結合專業學習與工程背景的力學知識的自我體系化素質，培養學生對于力學理論、知識、技能的綜合應用與創新實踐能力。從認知、應用、綜合與創新的能力發展規律出發，建立課程間相互關聯的認知體系；加強針對實際工程的力學建模能力以及面向復雜工程問題的綜合分析能力的培養；以引導、探究、研討式教學取代填充式教學，以理論分析、數值計算、與創新試驗的綜合技能培養彌補單一手算訓練之偏狹；以工程和科研的動態追蹤彌補固態分析對象的局限，開闊學生的工程視野。

二、“融工程于力學、以科研促教學”的教學團隊建設機制

教學團隊是教學之魂，立德樹人是育人之本。一支高水平的教學團隊是教學質量、教學創新實踐與人才培養目標的根本保障，而優質教學團隊建設的關鍵在于觀念、機制和措施。

2015年，國務院頒發了《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》[11]，圍繞“中國特色、世界一流”提出了“雙一流”建設任務，其中，建設一流師資隊伍被置于各項任務之首，并明確了“強化高層次人才的支撐和引領作用，加快培養和引進一批一流科學家、學科領軍人物和創新團隊，培養造就一支優秀教師隊伍”。在人才培養的具體要求中，又著重強調了需著力培養具有國家使命感和社會責任心，富有創新精神和實踐能力的各類創新型、應用型、復合型優秀人才[11]。

教學決定了高等教育的成敗，而優質的教學離不開優質科研的支撐。博耶在《學術水平反思——教授工作的重點領域》[12]一書中，將大學學術工作分為發現、綜合、應用和分享四類。其中，發現的學術就是通常所說的科學研究，而分享的學術則指教學工作。發現與分享對于學術的發展和傳播都起著至關重要的作用，不能互相替代[13]。這一觀點為正確處理教學和科研的關系提供了認知依據，進而為協調本科教育與科學研究的關系奠定了理論基礎。在上述理論和思想指導下，重慶大學建筑力學教學團隊立足土木工程專業的發展，以“科研-工程-教學”深度融合的教學理念，確定了“融工程于力學，以科研促教學”的教學團隊建設目標。

團隊在中青年教師的培養上，采取了一些列行之有效的措施。如：給青年教師指定老教師“傳、幫、帶”，定期開展老教師講課示范、教學專題研討、針對青年教師的講課培訓與輔導，團隊教師骨干教師參加教育專家名師講座培訓、國內教學會議交流等，引導與鼓勵中青年教師開展教學方法創新、設立教學獎勵機制等，打造了一支高職稱、高學歷、高思想政治素質與教學水平的教學團隊。其中，高級職稱比例約90%、具有海外留學經歷及博士學位者超過1/3，45歲以下教師占50%。團隊教師學術功底扎實，在堅守一線教學的同時，堅持工程研究與工程實踐。團隊研究方向涵蓋結構工程、防災減災、巖土工程、施工建造、鑒定加固、數值分析等土木工程多個領域，有力保障了教學的深度與廣度，以及對人才培養的連貫縱深。

教學團隊持續發展和提升的根本保障還在于建立規范化、程式化、開放化和動態化的團隊管理與建設機制。重慶大學自2007年開始實施本科教學團隊建設，針對量大面廣的系列基礎課程、專業基礎課程、專業課程群、優勢特色專業、實驗教學示范中心等扶持和建設了多個本科教學團隊。明確教學團隊的目的和職責在于“擔負著更新教育思想和教育理念，創新教學模式，推進教學改革和提升教學質量的任務，最終的落腳點在于提升人才培養質量”[14]。教學團隊在教學改革上應體現開創性和探索性，要成為教學內容、教學方法、教學手段改革的倡導者和實踐者[14]。制定了“學校—學院—教師”多級動態教學團隊建設管理機制，具體措施包括：各學院根據專業建設、優秀系列課程建設、實驗教學示范中心建設等教育教學改革的需要，組織本科教學團隊的申報；學校組織專家遴選、答辯和評審。立項的教學團隊由學院落實組織和建設工作，學校提供經費支持，并組織中期考核、動態跟蹤和經費獎懲。教學團隊實行“首席教授”負責制，下設“教學骨干”。“首席教授”要求具有較高的學術造詣和創新性學術思想的本學科或專業的專家擔任，骨干則要求為教學一線、教學效果優良的教師。這一團隊總體建設機制切實保障了教學團隊在科研與教學兩方面的相互促進與創新。

三、面向復合型工程專業人才培養需求的多維度建筑力學課程體系

我國土木工程學科下的建筑力學傳統教學模式中，主要包括理論力學、材料力學和結構力學。這一傳統教學體系，其特點在于各門課程相互獨立，自成體系，著重針對簡化理想模型的理論闡述以及手算方法和技巧訓練。面對當代工程發展，這一體系與工程缺乏直接關聯、教學方式陳舊，學生知識易碎片化，力學與專業、理論與工程、計算與與分析不能融會貫通，對學生的綜合應用與創新能力培養不足。而歐美院校的力學課程體系及教學一直延續著面向工程實踐和工程研究發展需求的思路。如美國加州大學伯克利分校土木與環境工程的本科力學課程包括固體力學導論、結構工程、高階結構分析、材料力學、結構力學、高等材料力學、工程分析的有限元法等，但其課程設置是將上述力學理論和分析方法充分融入本科專業課程中，側重培養學生針對工程問題的力學應用與綜合分析能力。

為此，建筑力學教學團隊借鑒國外高校的教學經驗，結合自身基礎與特點，構建了面向對大土建類各專業，以及貫通土木工程本-碩-博全過程的建筑力學課程體系。該體系打通了傳統“三大力學”相互隔離、獨立建設的隔膜，以強化力學知識的工程背景與內在關聯為主旨，形成三大平臺、三種類別和三段階梯“三三三式”多維度建筑力學課程體系[4]，如圖1所示。

三大平臺分別面向土木工程、建筑學和建材、建管、城環等其他土建類專業。其中，土木工程專業平臺是整個體系的重點，強調力學基礎課程之間的銜接與遞進，并明確向混凝土結構、鋼結構、結構抗震、土力學與基礎工程等后續專業課程縱深；建筑學專業平臺則側重培養學生對結構基本性能的定性把握以及對結構體系特性的了解，從而培養學生在建筑設計中對結構的合理性與創造性的應用能力；面向其他專業平臺，主要以融合了“三大力學”的工程力學為主，旨在培養學生受力分析的基本概念和基本技能，從而使學生在工程實踐或專業發展上有更為靈活的空間。上述平臺課程按照所涉及內容的深度與廣度又分為必修、限制選修和任意選修三種類別。

面向土木工程的建筑力學課程平臺，由貫通本—碩—博全過程培養的三段階梯式系列力學課程構成，課程之間存在三條縱向關聯體系，由彈性力學、材料力學、彈塑性力學和高等彈塑性力學構成的面向材料性能的力學分析理論知識體系；由結構靜力學、彈性穩定、桿系結構有限元、非線性有限單元和高等變分原理構成的復雜工程問題計算方法方法的知識體系；結構動力學、結構抗震、結構工程抗風，以及橋梁工程等構成力學向工程問題的延展。此外，建筑中的結構藝術、建筑美學與結構選型等為學生提供了通專融合的開闊視野。

在力學課程體系建設中，還注重發揮團隊教師的科研與工程優勢，在教學內容中引入最新科研成果和工程發展動態，如裝配式結構體系的力學特點、結構健康監測反問題的力學本質，組合結構與大跨橋梁、高聳結構的受力特征等，多方位展示力學理論在土木工程重大需求和科學前沿問題中的應用，激發學生學習興趣，開闊學生視野。

四、遞進式建筑力學綜合素質與能力培養模式

建構主義(constructivism)[15]的認知發展心理學認為，在初步了解和理解新知識之后，學習者還需要經歷知識建構(即新知識與原有知識經驗相互作用)及知識運用(即新知識與真實情境相互作用)的過程，才能真正掌握知識。而這樣的知識建構及知識運用過程是高度個性化的，因此，教學不是通過教師向學生單向傳遞知識就可以完成的，知識也不是通過教師傳授而得到的，而需學習者在一定的情境即社會文化背景下，借助于其他人(包括教師和學習伙伴)的幫助，利用必要的教學資料，通過意義建構的方式獲取。

我國傳統教學模式，主要以教師課堂講解為主，是以教師和課堂為中心的相對封閉模式，這一模式的優勢在于可保障教學內容的整體性、連貫性、系統性，具有明確的指導性，但由于主講教師通常面對中、大規模班級的學生，教學活動往往集中在基礎方面知識點與技能上，而在教學的個性化設計、激發學生研究與創新能力方面較為欠缺。

以慕課為代表依托“互聯網”的各類在線開放課程，以其資源的開放性、知識的碎片性和分散性，以及抽象概念的可視化、資源的多樣性等為學習者提供了靈活、自主、優質的免費學習機會。然而，慕課的分散性和自主性也可能造成學習者的盲目性、缺乏體系與連貫性，尤其對于自我規范能力、課程早期知識儲備、自主能力不足的學生，慕課對于推進其深入學習的效果有限[16]。

為此，建筑力學的教學應從學生認知發展規律出發，著眼于“學”，“以人為本”、以“學”為中心，圍繞學科發展與人才培養，著重培養學生的自主意識與創新能力。為此，建筑力學教學團隊創新并在實踐中不斷完善，形成了遞進式建筑力學綜合素質與能力培養模式，如圖3所示。該教學模式以課程間相互關聯的認知體系取代課程間割裂的碎片式知識點；結合建筑力學系列MOOC，根據布盧姆認知領域分類，采用線上線下結合的引導、研討和探究的混合式教學[17-18]，如圖4所示，取代單純由教師主導的填充式教學；以土木工程大背景下各專業特點的相互融合，來彌補專業背景過于單一的局限；加強學生針對實際工程的力學建模與綜合分析能力的培養，強化學生自我構筑知識體系與認知工程中的力學問題的能力。

本科階段建筑力學的分析對象大都為平面桿系結構計算簡圖，與實際工程存在較大差距。為培養學生對力學知識的工程綜合應用與創新實踐能力，明確建筑力學教學既需重視基礎訓練，又需注重實際工程，應在二者之間形成有機聯結。設置了面向高年級本科生的桿系結構有限元課程與創新試驗，將結構理論分析、數值建模計算，模型實驗充分融合，培養學生力學理論與電算分析的結合及結構創新實驗能力，突破了長期以來建筑力學教學中只見簡圖不見結構，而后續專業課程中力學弱化的弊端，有效提升了學生的力學綜合素養，培養了學生在分析與實驗中發現問題、獨立思考、解決問題的能力。

五、結語

重慶大學土木工程學院建筑力學教學團隊，通過挖掘建筑力學的工程科學內涵，把握土木工程發展的人才需求，探索學生力學素養與能力的養成規律，所確立的“科研-工程-教學”深度融合的土木工程學科建筑力學教學理念、團隊建設機制和遞進式力學綜合素質與能力培養模式收效顯著。

這一教學模式培養了學生“于工程中把握力學、從力學中認識工程、以力學促進科研”的自主學習、探究與創新素質，學生力學知識的自我體系化和綜合化程度顯著提高，有力地支撐了后續專業課教學與高層次研究生培養，滿足了復合型工程專業人才培養需求。在全國大學生結構設計大賽、全國周培源大學生力學競賽以及全國紙板建造競賽、建筑學部聯合畢業設計等全國競賽中屢創佳績，體現了建筑力學對工程人才培養的有效性。

“融工程于力學，以科研促教學”的教學團隊建設，促進了教師的教學能力、科研水平的綜合提升。團隊教師近年來先后主持和參與國家重大專項目、自然基金項目、重大工程項目等，在結構抗風、輸電線塔關鍵問題研究、結構可靠性分析理論及方法、結構非線性分析等領域的研究成果得到國內外學界贊譽。團隊教師的教學水平持續提升。多名青年教師獲力學類系列課程講課比賽一等獎。先后培養了數名重慶市教學名師、寶鋼優秀教師、重慶大學教學名師和優秀教師、優秀青年教師等，教學成果豐碩。

從工程科學的內涵與規律出發，對工程學科中專業基礎課程教學的改革與創新進行了有益的探索與創新，“融工程于力學，以科研促教學”的建筑力學教學模式與教學團隊建設機制與經驗對相關課程體系的建設具有推廣和借鑒意義。