工程思維導向的“結構力學”教學方法與實踐

管青海 付濤 周燕 薛江

[摘 要] 為適應新工科培養目標，提升學生力學素養，提高學生的結構創新和工程實踐能力，針對“結構力學”傳統教學課程內容缺乏時代特征、教學互動性及多樣性等諸多問題，對“結構力學”課程的教學方法進行探討。在有條件的基礎上進行工程現場授課，形成與課堂授課互補的“第二課堂”;增加課上工程結構電算內容，組織課下工程結構競賽活動;建立互聯網知識共享平臺，方便學生在線學習和師生及時溝通。教學結果表明，工程思維導向的教學設計，可以使學生建立結構力學概念的工程思維能力和發展工程思維直覺，并為后續專業課的學習打下堅實基礎。

[關鍵詞] 結構力學;工程思維;教學設計;結構電算

[基金項目] 2017年度天津城建大學教育教學改革與研究項目“基于工程思維培養的結構力學課程教學方法研究與實踐”（JG-YBZ-1709）;2019年度山東省研究生教育質量提升計劃項目“橋梁工程災害預防與處置教學案例庫建設”（SDYAL19110）;2020年度山東建筑大學博士科研基金“大跨人行懸索橋風致振動試驗與理論研究”（X20082Z）

[作者簡介] 管青海（1985—），男，山東諸城人，博士，山東建筑大學交通工程學院講師，主要從事橋梁結構振動與控制研究;付 濤（1981—），男，山東濰坊人，博士，山東建筑大學交通工程學院副教授，主要從事橋梁抗震與防撞、裝配式橋梁結構研究;周 燕（1979—），女，山東臨沂人，博士，天津城建大學土木工程學院副教授，主要從事路面結構與材料研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）50-0133-04? ? [收稿日期] 2021-10-11

一、引言

“結構力學”是土木工程相關專業的必修課，在大多數工科專業課程體系中具有顯著地位與重要作用。先修課程涵蓋“高等數學”“理論力學”“材料力學”等理論性強的基礎課程，同時“結構力學”課程又是“土力學與地基基礎”“結構設計原理”“橋梁工程”等諸多專業課的基礎。“結構力學”課程在整個工科課程體系中處于承上啟下的核心地位，不但為專業理論課提供必需的基礎理論知識，而且也為課程設計和畢業設計等教學實踐課提供理論基礎和計算方法。在新工科專業建設背景下[1]，將“結構力學”有效融入相關工科專業課程中，必須加強結構力學的工程思維能力培養。

二、“結構力學”課程傳統教學存在的問題

從當前國內土木工程、道路橋梁與渡河工程，以及工程管理等專業的力學課程體系設置來看，“結構力學”課時被大幅削減，在實際教學計劃中“結構力學”授課只能盡量保證經典力學部分，對上下游其他關聯課程的銜接延伸講解，以及工程思維的訓練則無暇顧及，因此，打造貫通“結構力學”與專業課程的授課方式至關重要。

要求學生在有限課時內掌握大量信息并非一件易事，同時枯燥的力學知識又往往使學生缺乏學習興趣，不利于培養學生的創新精神與工程思維。教學課時的縮減，使教師對授課大綱和講解內容進行大幅度簡化，很多欠缺工程專業背景的力學教師則會“重公式、輕概念”“重理論、輕工程”，不利于提高教學水平和授課質量，更難以培養學生的工程思維能力，造成理論化教學與應用能力培養割裂的困局，以及固定教學模式與創新意識、工程思維培養的矛盾。

由于“結構力學”課程特點的限制，“結構力學”授課上易于出現以下問題：（1）課程內容缺乏時代特征和靈活性;（2）教學過程缺乏互動性和針對性;（3）教學方法缺乏創新性和多樣性。這些問題容易使學生對結構力學無法系統性掌握，難以建立工程思維能力，更難以形成工程思維直覺。

結構力學概念多，概念之間互聯強，極易造成概念混淆，學生在“結構力學”課程的學習過程中往往存在以下問題：（1）缺乏學習興趣，求知欲不足，學習主動性有待加強;（2）知識學習僵化，知識點難以融會貫通，只會做題不會分析;（3）學習缺乏批判性，面對公式死記硬背，對于典型例題生搬硬套。因此，需要教師創新教學方法，積極調動學生的學習主觀能動性。

雖然，很多高校教師提出了一些針對“結構力學”課程的授課方法，獲得了一些預期效果[2-5]。但是，無論是教學設計還是教學效果，“結構力學”課程教學仍存在很大挑戰。鑒于“結構力學”課程教學當前存在的諸多問題，“結構力學”課程教學內容與教學方法上的改革勢在必行。結合“結構力學”課程的實際特點，應建立一套具有可操作性的、基于工程思維能力培養的課程教學方法，并輔以豐富的教學資源，開發與行業發展及工程應用環節緊密相關的教學內容，培養學生的全局專業眼光和工程思維意識，強化學生綜合運用力學知識解決實際問題的工程思維能力，培養具有現代工程理念的“卓越工程師”[6，7]，對于滿足新時代社會經濟發展具有重要的現實意義。

三、工程思維導向的“結構力學”教學設計

（一）教學設計路線

單一課堂教學已經不能滿足當前教學工作的需要，因此，我們要從多種渠道、多種維度強化學生的工程思維，同時，多渠道、多維度也能夠更好地結合時代特征與工程實際，使學生能夠學有所用、學以致用。

工程思維導向的教學設計，要將傳統課堂教學疊加課下教學，并補充線上教學，三種教學方式協調統一并相互促進，構成三位一體立體化教學體系。工程思維導向的“結構力學”教學設計總體路線結構如圖1所示。

（二）教學設計方法

教學設計不拘泥于單一課堂教學、線上教學或者線上線下混合教學，而是將課堂教學、現場教學及線上教學三種方式有機融合。

1.課堂教學除了講授大綱基本內容之外，還需要涉及工程結構電算部分。對于典型工程案例，結合力法和位移法進行結構電算，能使學生更好地理解與掌握結構力學的求解邏輯和理念。同時，工程案例解析要結合工程現場教學。

2.課下教學是課堂教學的有效延伸。課下教師可以組織學生參加各類結構競賽，將結構競賽設計成結構電算的形式，并納入課程評價體系，能夠極大地提高學生的學習熱情。在有條件的基礎上，工程現場教學將會起到事半功倍的效果，或者將“結構力學”與“認識實習”“生產實習”等實踐課相結合，使實習過程成為“結構力學”指導下的理論聯系實踐過程。同時，要注意不能為了現場而現場，工程現場教學要充分聯系課堂教學內容。

3.充分利用豐富的互聯網線上教學平臺。比如，國內外各大公開課、教學名師課堂、國家金課等高水平教學資源，或者B站等自媒體教學視頻。線上獲取教學資源的便利性，使學生具有更大的選擇自由度和學習空間，另外，除了線上共享知識平臺之外，建議開發互動性教學平臺，建立與學生持續溝通、隨時答疑的機制。

四、教學實踐與效果檢驗

（一）教學實踐

結合多年“結構力學”教學實踐，以工程思維培養為導向，逐步摸索出課堂、現場及線上的三位一體教學體系。教學團隊圍繞道路橋梁與渡河工程、工程管理等專業進行了多輪次教學實踐和研討，將具體教學實踐過程總結如下。

1.以不同結構受力特點為基礎引申實際工程背景，培養學生的工程思維能力。目前，結構力學實際上是對結構計算簡圖的學習，是簡化后的力學計算模型。學生在計算簡圖的學習過程中，容易對實際結構的力學認識不強，難以從實際工程中抽象出力學模型。在學習各種結構時，引申相應的工程背景，并適當結合工程現場教學，使學生提高理論聯系實際的能力，從而培養工程思維能力。

2.增加電算教學內容，培養學生工程結構電算能力。在畢業設計及今后工作中，學生遇到的工程問題復雜多變，采用手算不切實際，多數要通過電算完成。增加學生電算能力培養的教學內容，開展相關內容的上機練習，能夠利用結構力學求解器或者自編結構力學小程序，提高結構計算分析能力，并結合結構競賽進行專項結構電算培訓與指導。

3.增加以結構模型競賽為依托的實踐內容，使教學更貼近工程實踐。結構模型競賽是教學與工程實踐較完美的結合，實現結構模型競賽與“結構力學”課程教學的有效融合，并將競賽納入課程教學評價體系。定期舉辦結構模型競賽，將所有學生進行分組，并鼓勵學生積極參與。結構模型競賽與結構電算相互反饋促進，深化對結構力學理論知識的認識，深刻理解各類力學結構的一般力學特性，并與工程結構建立直覺聯系，提高分析工程問題的能力，提升工程實踐能力，最終達到研究和創新能力的提高。

4.在有條件的基礎上進行工程現場授課，形成與教室授課互補的“第二課堂”。除了在課堂教學環節之外，尋找典型工程結構進行現場教學。諸如天津永樂橋（天津之眼摩天輪）、天津海河橋（開啟式鋼架橋）、濟南二仙橋（拱橋）、濟南黃河大橋（斜拉橋）等，有目的地深入實際工程現場講解相關知識，使學生能夠更直觀地發展工程思維，鍛煉工程直覺。

5.建立互聯網知識平臺，方便學生在線學習和師生及時溝通。利用網絡教學平臺的交互式教學環境，發揮網絡教學平臺在課前預習、課堂討論，以及課后知識鞏固中的引導作用;利用線上資源學習相關結構工程設計案例及其施工視頻;開發結構力學線上共享互動平臺，教學團隊在微信公眾平臺上開發運維結構力學主題微信公眾號，并定期上傳“結構力學”授課重點內容、工程思維能力培養專題、作業題講解等內容，學生能夠隨時在公眾號上完成課前的科學預習和課后的查漏補缺，師生建立長期有效互動，與教室課堂教學形成優勢互補。

（二）效果檢驗

工程思維導向的教學設計可以充分利用啟發式教學，在授課中加強工程思維培養環節，并結合實際結構工程進行現場講解和結構電算教學，有利于學生養成結構力學思維意識，進一步有意識地使學生發展工程思維能力，鍛煉工程直覺。

從多年教學經驗及學生的反饋來看，工程思維導向的教學設計，課堂、現場及線上三位一體教學體系，能夠顯著提高“結構力學”教學質量，學生不僅僅在考試分數上得到提升，在工程應用能力上也得到了充分鍛煉。

五、結語

在工程思維導向的教學設計中，各教學環節之間絕不是孤立存在的，需要相互串聯與促進。三位一體教學過程要貫穿整個“結構力學”課程體系，甚至打破原有的教學設計順序，從工程現場問題出發，反向尋求結構力學解決方法，從而實現學習過程的主動化。工程思維導向的教學設計，突出了學生的主體地位，有利于使學生建立結構力學概念的工程思維能力和工程思維直覺，有助于學生快速分析工程結構力學特點，為后續專業課的學習打下堅實基礎。

參考文獻

[1]林健.新工科人才培養質量通用標準研制[J].高等工程教育研究，2020（3）：5-16.

[2]潘旦光，丁民濤.結構力學抽象理論實物化教學方法研究[J].高等建筑教育，2018，27（2）：57-60.

[3]喬朋，李悅，馬乾瑛.大學生結構設計競賽對結構力學課程教學的啟示[J].高等建筑教育，2019，28（5）：74-79.

[4]陳廷國，曲激婷，陳璨.結構力學課程混合式教學探索與實踐[J].高等建筑教育，2020，29（1）：9-15.

[5]文永奎，劉保東，曹艷梅，等.基于程序編制的“結構力學”仿真案例教學實踐[J].教育教學論壇，2021（36）：129-132.

[6]鄧紅星，孫鳳英，張文會.基于現代工程理念的創新型人才培養[J].中國高等教育，2010（Z3）：73-74.

[7]林健.“卓越工程師教育培養計劃”通用標準研制[J].高等工程教育研究，2010（4）：21-29.