從學生角度出發探索《結構力學》的教學改革

朱紅光 房緣鋮 易 成

（中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院 北京 100083）

0 引言

結構力學是土木工程及相關專業最主要的基礎課之一，其教學目的是使學生了解各類結構體系的受力特點，掌握桿件體系內力與位移計算的基本原理，培養結構分析和計算的能力，并為以后學習有關專業課程進行各種結構設計及科學研究打下基礎，因此結構力學在整個專業培養計劃中占有重要地位。在學習過程中，由于課程內容多且難度逐章加大，大部分學生對結構力學的學習感覺到困難。本文走訪調研了多屆的結構力學學生，試圖從學生學習的角度來分析傳統教學中存在的問題，并針對這些問題進行了思考和探索。

1 幾大經典力學課程間的重疊內容處理

單跨靜定梁、靜定剛架的內力圖做法、簡單桁架內力計算以及靜定結構平衡問題的求解在理論力學、材料力學有過類似敘述和講解，結構力學教學時可強調“溫故而知新”，課堂上則簡略帶過；而矩陣位移法在后續的有限元課程中會詳細講述，在結構力學中略過不講也不影響其他知識點的學習。這部分教學重點則放在相似內容的引申上，結構力學應站在體系的角度，以提問的方式將單桿擴展到桿件體系來引導學生思考多桿結構的力學求解問題，強化對結構力學基本概念、基本方法的認識。

2 教學手段的改進

教學的首要任務是為了讓學生更好地掌握知識，因此應該盡可能地使用各種方式提高學生的學習效率。多媒體教學手段現在被廣泛使用。與傳統教學手段相比，多媒體教學可以為學生提供集圖片、動畫、文字和聲音于一體的教學信息，但是教師容易成為課件播放員，學生則容易成為課件記錄員，上課不聽講或跟不上課件放映節奏，只有課上對課件拍照，課后拷貝課件，形成消極的學習態度與方法。而傳統的板書雖在單位時間內所傳遞的信息量遠不如多媒體，但是能幫助學生掌握知識的脈絡，生成知識的體系。因此應盡可能將兩者結合使用，在重點知識的講解上，應以多媒體形象直觀的提出問題，引導學生思考討論；結合板書進行關鍵內容的推導計算，以強化學生對知識的掌握。最大程度的發揮二者的優勢，更好地為教學效率。

3 啟發式教學與創新意識培養

現在教學中的一個突出問題是相當部分學生過分關注成績，學習過程中重視機械訓練解題技巧而忽視了自身能力的培養。而這卻是課程教學甚至整個高等教育的主旨，當下大熱的卓越工程師計劃，其核心也是創新能力的培養。我們高校的另一個重要工作：科學研究，其功能就是發展創新，因此可以參考科學研究的模式為課程教學找到解決思路。

科學研究可以歸納為八個步驟：提出問題、猜想與假設、制定計劃、進行實驗、收集證據、解釋和結論、反思與評價、表達與交流。而啟發式教學是為了培養學生獨立地發現真理、獲取知識的能力，以上的步驟為啟發式教學提供了很好的模板。對于結構力學的一些基本思想，它們的產生必然經歷了若干的過程。它們是怎么提出的？以前的科學家是如何處理的？這些問題現在又發展到什么階段了？通過對這些科學史的知識能加深學生對一門學科的理解，也能培養學生自己解決問題的能力。同時還可以結合具體工程案例來開展結構力學的啟發式教學。比如從趙州橋等實際工程讓學生去了解拱結構；從輸電塔，桁架橋梁去體會桁架結構的特點；從高層建筑的巨型結構讓學生感受框架結構的妙處，以及如何將實際工程簡化到結構力學中的計算模型、計算簡圖（如圖1所示）。進一步地，可以引入一些趣味性的問題。結構力學是一門趣味性較強同時對思維要求較高的學科，通過對一些趣味性問題的探索能夠提升思維能力，加深對結構力學的了解。像這樣，對每一個知識點有了細致入微的了解，從而使得力學知識的大廈建立得更加穩固，學生的能力獲得全面的發展。

圖1：從實際的高層建筑簡化到結構力學的計算簡圖

4 信息技術高速發展下的新啟示

隨著信息技術的發展，結構力學的教學在新時代下有了新的內涵。對學生來說，可以通過網絡資源聆聽不同教師的講解。不僅可以就不懂得知識點找不同的講解以期獲得理解，而且可以廣泛學習不同教師對結構力學的獨特理解，形成自己的知識體系。

另一方面，雨課堂之類的軟件為課堂教學提供了新的手段：教師可以推送課件到學生手機，學生可以反饋該頁是否聽懂；還可以推送題目給學生，要求現場作答，軟件實時反饋給教師以作答情況。以此教師能實時掌握學生的學習效果，徹底改變了以往呆板的教學方式，極大地提高了教學效率。

此外由于電子計算機和計算技術的飛速發展，極大方便了結構力學各類問題的求解，但是模型建立的合理性和結果檢驗成為了突出問題。解決這一問題需要清晰的力學概念和基本知識。具體的說，通過對結構傳力特點和路徑的分析來判斷計算簡圖或者簡化模型的合理性；并在計算結果出來以前能夠在腦海里形成一個粗略的結果（這個結果并不精確），比如能知道主要特征和上下限，能反映大體的輪廓。對結構力學的問題，就是要形成諸如對于結構變形或位移的感性認識，以及典型結構受力特征，以便和數值計算結果對照。這就需要在教學時注重這方面分析能力的培養。第一步是要建立基本的結構概念并熟悉典型結構變形特征，訓練對結構變形的想象能力；第二步基于結構內力與變形之間的相似性（如圖2所示），通過想象結構變形來輔助結構內力計算、驗證結構內力圖的正確性，并不斷分析和總結結構的受力特征和傳力路徑；第三步要進行不同結構之間的對比，校正、提高自身的分析能力。能力的培養是長期的過程，各種相關的練習應貫穿課程始終。

圖2：超靜定結構彎矩與變形的相似性

5 表達能力的提高

表達能力分為兩方面，一方面是書面表達，另一方面是語言表達。

圖紙是工程師的語言。在結構力學中，一張清晰的計算簡圖或內力圖往往比一大堆運算更能傳達出準確的解題信息。這方面能力的培養主要通過作業來實現，所以對作業的要求必然是圖表清晰、條理清楚、邏輯性強、簡單明了，以培養嚴謹科學的工作態度。但是作業的實施效果依賴于學生的重視程度，因此應適當增加作業在考核成績中的占比，激勵并提高學生認真完成作業的熱情；另外，作業訓練的效果必須通過考核來檢驗，教師對作業的親自并認真批改必不可少，只有教師自身對作業重視才能引起學生對作業的重視。為避免人數多帶來的批改任務過重的問題，結構力學適宜采用小班教學。

對于語言表達而言，在結構力學的教學中可通過課堂提問，鍛煉和培養學生的語言表達能力。課堂提問給學生增加了一定的壓力，這種壓力是有益的。使學生在課堂上不能懈怠，打起精神參與到課堂教學中。若學生能用語言準確地回答教師提出的問題，說明他已掌握了相關的知識。

6 結語

結構力學是土木工程大類專業的一門重要專業基礎課，在培養土木工程大類專業復合型人才教學計劃體系中起著承上啟下的重要作用。如何通過結構力學的教學，讓學生真正掌握結構力學的知識，為進一步學習專業課及今后的實際工作打下良好的力學基礎，這并非是教師單方面的事情，學生也應在其中出謀劃策。本文依托調研的情況從學生學習的角度出發列舉了幾方面的思考和探索建議，希望對結構力學教學改革有所啟發。