結構力學專創融合育人案例

劉興旺 李俊杰 何洪明

[摘 要]為深化創新創業教育教學改革，充分發掘、展示專業教育教學過程中的創新創業案例，推進創新創業教育融入人才培養全過程。文章圍繞土木、水利類專業基礎課結構力學課程，深度挖掘了課程育人案例。將寓言故事“三個和尚挑水喝”與力法章節相融合，從形象對比到內涵啟發，達到課程育人的目的。通過專業教育與創新創業教育相融合（專創融合）促進學生創新創業能力培養，推進課程教學改革。

[關鍵詞]結構力學;專創融合;教學改革

[基金項目]2019年度河北省教育廳重點基金項目“再生混凝土細觀損傷破壞機理及檢測關鍵技術研究”（ZD2019117）;2018年度河北農業大學渤海校區師生協同創新項目“結構工程質量診斷技術及維護決策研究”（bhxt201826）;2014年度河北農業大學理工基金“基于CT與聲發射試驗的混凝土材料細觀破裂過程研究”（LG20140302）

[作者簡介]劉興旺（1987—），男，河北保定人，天津大學博士研究生在讀，河北農業大學講師，研究方向為鋼結構;李俊杰（1989—），男，河北保定人，碩士研究生，河北農業大學實驗師，研究方向為大學生創新創業教育;何洪明（1963—），男，河北保定人，博士研究生，河北農業大學教授，研究方向為結構工程

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）27-0185-02[收稿日期] 2020-04-25

一、引言

深化創新創業教育改革必須全面推進創新創業教育與專業教育深度融合。支持教師開展與專業課程相適宜的基于問題、基于項目、基于案例的教學方法和考核方式的探索與實踐，著力培養學生的首創精神和分享創意的習慣，鼓勵學生勇于創新、樂于創新、善于創新，在探索的過程中，自覺融入團隊，分享樂趣、增長智慧、豐富經歷[1]。結構力學作為土木、水利類專業的一門重要的專業基礎課，在專業教學過程中占有非常重要的位置[2]。將結構力學專業教育與創新創業教育深度融合，充分挖掘課程教學過程的育人案例，能夠有效提高教學質量，增加學習興趣，拓寬學習方式，推進教育教學改革。

二、案例—“三個和尚挑水喝”

（一）產生背景

在講授第12章“力法”第1節的時候，需要對超靜定結構的定義和特點進行介紹。概念的引入對培養學生的學習興趣起著至關重要的作用[2]，尤其是力法的概念。第12章“力法”在結構力學整體知識體系中，處在承上啟下的關鍵節點。如同力法本身的求解思路一般，它既是針對的超靜定結構，同時又是利用靜定結構的求解方法，關鍵步驟在于將超靜定結構轉化成靜定結構，而轉化的核心在于尋找“多余約束”。超靜定結構區別于靜定結構的主要特點是有多余約束存在，對多余約束的理解是進入超靜定結構的第一步[3-4]。因此，在針對超靜定結構的定義和特點，尤其是多余約束的概念進行講解的時候，通過“三個和尚挑水喝”這個經典故事的類比，可以將依次增加的“和尚”個數與超靜定結構中依次增加的“約束”個數相對照，給學生一個更加生動形象的理解，從而實現從靜定結構到超靜定結構的順利過渡。

（二）案例內容

在講解“超靜定結構”與“靜定結構”的區別和聯系時，引入經典寓言故事“三個和尚挑水喝”的故事，對機構、靜定結構、超靜定結構的特點做一個生動的講解和對比，并結合競賽獲獎進一步介紹專業知識與雙創競賽的創新融合。

故事原文大意是講“一個和尚挑水喝，兩個和尚抬水喝，三個和尚互相推諉，沒有水喝。故事啟示人們做事應互相幫助，團隊協作，并善于發現和改正錯誤。”在課堂講授時，可按如下形式講解：“從前有座山，山上住著一個小和尚，小和尚每天去山下的小河邊挑水喝，黑板上繪制模型，一個支座兩個平衡力，代表機構（如圖1）。后來又來了一個高和尚，從此兩個人一起去山下的小河抬水喝，同時黑板繪制模型，兩個支座，中間一個集中力，代表靜定結構（如圖2）。再后來又來了一個胖和尚，結果三個和尚沒有水喝，繪制模型，三個支座，兩個集中力，代表超靜定結構（如圖3）。最后將三個和尚沒水喝的原因與超靜定結構多余約束無法直接用靜力平衡方程求解相類比，提示學生多余約束需要引入其他條件。”通過故事的方式將三個和尚沒水喝和超靜定結構具有多余約束無法按靜力平衡方程直接求解相對照，對“多余約束”的關鍵作用做一個定量和定性的分析，讓學生能夠更感性的認識到超靜定結構的特點。同時，也對機構、靜定結構、超靜定結構三種不同的體系進行對比介紹，從組成形式和受力分析兩個層面進行體系之間區別和聯系的介紹。更進一步的，可以通過此案例，將體系、可變體系、不變體系的概念進行區分和對比，使學生清楚什么時候用“體系”進行表述？滿足什么條件才能稱為“結構”？從概念上將結構力學的研究對象進行整體的把控。

（三）案例作用

“三個和尚挑水喝”的故事從表面看，可以簡單將“幾個約束”與“幾個和尚”相對應，給學生以生動形象的認識，使重難點問題能夠較為輕松的引入。使枯燥的力學問題趣味化，使嚴肅的課堂生動化。從故事內涵看，在講解超靜定結構由于具有多余約束，相對于靜定結構具有更高的安全儲備時，可以與故事的內涵相結合。啟發學生如果團結協作，齊心協力，會獲得更大的效率和成功。通過深化故事內涵與科學問題的關聯性，引導學生在進行科學研究過程中要善于融入團隊合作，發揮自身優勢，抓準關鍵科學問題，透過表面看本質，提高科學研究的層次。

從專業知識與雙創競賽的融合方面講，可以將多余約束的識別過程，與“大學生結構設計競賽”中設計具有更合理約束形式的結構形式相關聯。例如：“大學生結構設計競賽”題目要求通常為“設計具有更輕質量 、更高承載力的結構形式”。通過三個和尚的故事對多余約束力進行生動形象的理解，在設計結構的過程中，在對結構進行優化的時候，其目標即是對不同的節點進行約束力的分析，根據是否為“多余約束力”來判斷這個桿件是否可以“去掉”。相反的，也可以利用多余約束具有更多安全儲備，來進行薄弱環節的“加強”處理。從這個關系上來講，可以讓學生通過案例更好地將專業知識運用到雙創競賽當中，進一步實現專創融合教學。

三、結語

黨的十九大報告指出，中國特色社會主義進入了新時代，黨中央、國務院高度重視高校創新創業教育工作[5]。創新創業教育能全面培養大學生的創新精神、創業意識和創新創業能力。創新創業教育與專業教育相融合，是推進“金課”建設的有效途徑，是全面提高人才培養質量的有效抓手。通過專業教育與創新創業教育深度融合，進一步促進課程改革創新，培養符合社會需求、具有創新創業能力的新時代大學生。

參考文獻

[1]樊云飛，劉全明.河北農業大學深化創新創業教育改革的思考與實踐[J].河北農業大學學報（農林教育版），2017，19（06）：1-4.

[2]劉興旺，劉燕.淺談結構力學教學過程中教學效果的提高[C].中國力學學會.第十五屆北方七省市區力學學術會議論文集.中國力學學會：中國力學學會，2014：406-408.

[3]龍馭球.結構力學方法論的哲思回望[J].工程力學，2019， 36（04）：1-7.

[4]龍馭球，包世華，袁駟.結構力學I—基礎教程（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2018.

[5]習近平新時代中國特色社會主義思想學習綱要[M].北京：學習出版社/人民出版社，2019.