結構動力學課程建設及教學實踐研究

吳平川， 吳超

(河北工程大學 土木工程學院，邯鄲 056038)

《關于加快新時代研究生教育改革發展的意見》[1]中指出，堅持育人為本，以研究生德智體美勞全面發展為中心，將立德樹人成效作為檢驗研究生教育工作的根本標準，堅持創新引領，增強研究生使命感責任感，全面提升研究生知識創新和實踐創新能力。教育部《高等學校課程思政建設指導綱要》[2](下稱《綱要》中指出：“全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措”，”讓所有高校、所有教師、所有課程都承擔好育人責任，守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思政課程同向同行”。作為一門理工科相關專業研究生課程，結構動力學[3-7]是研究在動態荷載作用下的結構內力和位移計算理論及方法的一門比較重要的專業基礎課，在課程體系中占有舉足輕重的作用，但該課程難度大、模型抽象，傳統教學過程往往枯燥，授課內容通常過于強調自然科學屬性，比較容易忽視立德樹人和社會主義價值觀的引領，無法達到《意見》和《綱要》中規定的相關要求。為此，需要對課程進行全面教學改革，在課程傳授過程中，不斷更新教育教學理念與方法，寓教于樂，使枯燥的課堂理論知識變得生動有趣，提高學生學習積極性和學習興趣；為了適應新時代研究生教育改革要求，改變傳統的課程考核評價模式，充分發揮學生的主觀能動性，注重過程考核，突出創新性能力培養。深入挖掘此類課程隱含的課程思政元素并有機融入課堂教學，加強研究生社會主義核心價值觀引領作用，將立德樹人貫穿課程全過程，更好地為國家和社會培養政治合格、具有家國情懷和創新實踐能力的高層次人才。

本文從課程思政融入、案例教學、實踐教學、激趣教育、考核評價方式等幾個層面對結構動力學課程進行了教育教學改革，起到了良好的授課效果，達到了預期目的。

一、科學設計“結構動力學”課程思政教學體系

(一)發揮課程思政建設“主力軍”作用

作為課程思政建設的主力軍，教師的專業水準及素養直接或間接影響課程思政授課質量，是課程思政建設推進的一個重要因素，教師需要不斷提高政治覺悟、加強專業能力和師德風范，并能成為學生的良師益友。作為結構動力學教師，應不斷學習習近平新時代中國特色社會主義思想和中華優秀傳統文化，時刻探索將課程思政引入課程教學的方法與路徑，最終達到潤物于無聲的效果。為此，課程組利用每周集中學習時間認真學習黨的理論和黨的教育方針政策，認真研討教案，互相交流授課經驗，注重課程思政教學過程設計，在課堂授課過程中，利用多媒體加板書相結合的方法進行講解，特別注重板書在思政育人中的作用，要求教師在課前做好教學設計，了解哪些需要板書，什么時候板書，板書字體、圖形等要美觀，好的板書既是智慧的凝聚，也是藝術的結晶，它能給學生美的享受，更能給學生以思想的啟迪。

(二)將唯物主義辯證法思想融入課堂教學

《綱要》中強調，要深度挖掘提煉專業知識體系中所蘊含的思想價值和精神內涵，結構動力學中許多方法也都閃爍著唯物辯證法的光芒，結構動力學學科的發展是在唯物辯證法及其方法論指導下進行的。從方法論的高度闡釋結構動力學之道，既可以提高學生學習興趣，又可以幫助學生加深理解，提高創新思維和分析問題、解決問題的能力。如在教學的過程中歸納總結出對立統一方法并應用于教學實踐，例如，①靜力學與動力學之對比聯系。動力學是研究結構體系的動力特性，在建立動力學方程時，將慣性力反向作用在結構上，作為一種形式上的靜平衡，將動力問題比擬為靜力問題，動靜對立且統一；②剛度法與柔度法。剛度法是根據力系平衡建立運動方程的方法，柔度法是根據位移協調建立運動方程的方法，兩種方法都可以建立運動微分方程，對單自由度體系，兩種方法又可以相互轉換，剛柔對立統一。

類似的對比聯系還有，集中參數體系與分布參數體系，串聯體系與并聯體系，周期荷載與非周期荷載，有阻尼體系與無阻尼體系，自由振動與強迫振動等等。通過對比聯系，使學生加深印象，同時也培養學生的辯證科學思維和解決問題的能力。

(三)將古人的聰明智慧滲透到課程教學

《綱要》中指出，從課程所涉專業、行業、國家、國際、文化、歷史等角度，增加課程的知識性、人文性，提升引領性、時代性和開放性。教育引導學生傳承中華文脈，富有中國心、飽含中國情、充滿中國味。在結構動力學這一工科課程中也應當適當融入人文性、中國味的元素，激發學生愛國情懷和學習興趣。在古代典籍中有大量關于共振現象的記述，并把這種現象解釋為”同聲相應(《易乾》)或”聲比則應“(《呂氏春秋恃君覽召類》)，這個解釋與現代的科學定義幾乎完全相同。公元前4到3世紀，《莊子》一書最早記下了瑟的各弦間發生的共振現象。為之調瑟，廢于一堂，廢于一室。鼓宮宮動，鼓角角動。音律同矣(《莊子雜篇徐無鬼》)。這段文字不僅指出基音的共振現象，而且發現了基音和泛音的共振現象，在聲學史上是了不起的成就。宋代的科學家沈括就曾巧妙地利用共振原理設計出了在琴弦上跳舞的小人：先把琴或瑟的各弦按平常演奏需要調好，然后剪一些小小的紙人夾在各弦上。當彈動不夾紙人的某一弦線時，凡是和它共振的弦線上的紙人就會隨著音樂跳躍舞動。這個發明比西方同類發明要早幾個世紀。像這種古人利用共振的例子還有很多，如共振用以取水、用以擴音、用于準律、用以娛樂、用以預測、用以防振[8][9]等，這些都是古人對共振的理解及應用，充分凸顯了古人的聰明智慧。

二、案例式教學模式加強學生工程倫理意識

結構動力學理論較為經典，同土木工程、機械工程、航空工程等行業密切相關，是來源于工程實際同時也在不斷的為工程服務的一門學科，與之相關的案例也較為豐富，如美國塔克瑪大橋遇風共振倒塌，俄國伏爾加河大橋蛇形共振，東京灣大橋渦振，廣州虎門大橋渦振振動問題等，在講解地震作用時，舉例汶川地震房屋倒塌的實例，并說明只要按照抗震設計規定進行正規設計和施工，房屋的安全性就能得到保障；在講解風荷載作用時，講述港珠澳大橋經受強臺風“山竹”的考驗而安然無恙，同樣，還可以拿河南省體育館遭9級風破壞、強風荷載作用下輸電線路的連續倒塌破壞的案例來講述的風荷載的威力，在講解沖擊荷載時，以船或貨車撞擊橋墩為例，說明沖擊荷載對結構的影響，船撞橋事故分別引用了廣東九江大橋船撞橋斷事故，明珠7號郵輪撞擊溫州大橋事故，福建福州船只撞橋事故和湖南平江大橋垮塌事故等。貨車撞擊橋墩分別引用了哈大高速貨車撞橋事故，張家口高速橋墩被大貨車撞斷事故和杭州貨車超高撞斷人行天橋導致天橋垮塌事故等。又如在講解地震動的頻譜特性時，將白色光通過棱鏡后分成七色的光譜來解釋[10]，通過這些實際的工程案例，把晦澀難懂的知識變得通俗易懂，學生也容易接受。另外還可列舉我們國家在結構動力學方面的成就，如在地震工程振動方面的一些國內專家、學者，如張衡所制造的候風地動儀，同時這也是世界上第一架地震儀，比之西方國家整整早了一千七百多年等，通過這些人的成就可以提高學生學習興趣，強化學生工程倫理意識，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

三、實踐教學培養學生創新能力

實踐教學是鞏固理論知識和加深對理論認識的有效途徑，是培養具有創新意識的高素質工程技術人員的重要環節，是理論聯系實際、培養學生掌握科學方法和提高動手能力的重要平臺，有利于學生素養的提高和正確價值觀的形成。

在結構動力學實踐教學方面，利用實驗室平臺，帶領學生親自制作混凝土構件，然后在擬靜力設備和振動臺上加載，觀察結構從彈性到彈塑性的破壞發展過程，讓學生了解擬靜力設備和振動臺工作原理及相關操作技術，理論聯系實際并鍛煉學生的動手能力。帶領學生到現場觀摩學習，如帶領學生參觀前面提到的隔震辦公樓和粘滯阻尼器圖書館，讓學生了解隔震支座和粘滯阻尼器的工作原理，增強學生的直觀認識。

除了課堂理論知識講授，還布置了動力計算上機練習的作業，目前，許多有限元軟件都有結構動力計算分析模塊，從最簡單的一根梁的動力特性計算開始，到整體結構動力特性及地震作用計算，鍛煉學生使用軟件計算結構的能力。

四、激趣教育活躍課堂氛圍

蘇聯教育家馬卡連柯說過“同樣的教學方法，因為語言不通，就可能相差二十倍”。著名的教育家孔子曾說過"知之者不如好之者，好之者不如樂知者。在教學中，教師要努力挖掘各種趣味因素，創設情境，靈活而巧妙地運用各種行之有效的教學方法，憑借各種教學手段，創造開心、愉悅、輕松的課堂氣氛，激發學生的學習熱情，誘導學生的學習興趣，使他們積極、主動地參與學習，從而達到“以樂激趣,以趣激學”的目的，成功地提高課堂教學效果。如在講解振型的知識時，利用ABAQUS建立高層建筑和橋梁模型，通過多媒體展示其各個振型形狀及動畫，直觀、形象的再現客觀事物的現象，使學生印象深刻。在講解隔震模型的知識點時，拿臨近學生所在上課教室的學院隔震辦公樓為例，在講解減震的知識點時，舉學校圖書館為粘滯阻尼器減震建筑和臺灣101大廈減震器為例，在講解抗側剛度時，拿教室的抗側力柱、墻體等構件舉例，以身邊的看得見摸得著的實物舉例，加深學生印象。

俗話說“親其師，信其道”，學生喜歡哪位老師，就會對其所教課程感興趣，學習也就會更加用功，因而教師在教學過程中應多關注學生，加強與學生的情感交流，產生情感共鳴。在與學生聯系方面，建立了結構動力學課程微信群，借助微信平臺與學生建立良好的師生友誼，當有學生問問題時，除了回答問題之外，可以借助微信中的一些表情來回復或表達情感，拉近與學生之間的距離，讓學生能通過喜歡老師達到喜歡課程的目的。另外在微信上注意推送一些與課程相關的公眾號供大家學習和討論，如“減隔震前沿”、“震知卓見”、“藍科減震減震技術”等公眾號。讓學生體會到老師的關心和愛護，同時也能取得學生信賴，使學生學習興趣濃厚，讓學生從“要我學”轉變為“我要學”。

充滿幽默感的老師永遠是最受學生歡迎的老師，教師幽默的教學語言和肢體動作有利于引起學生的注意，激發學習興趣，有利于學生掌握所學知識，例如在講到多自由度體系用“糖葫蘆串”模型來表示動力特性，單自由度體系用一個糖葫蘆來表示，而講到振型的概念時，教師用身體示范各種振型形態，教師可以用前后、左右、扭轉身體動作來表示第一、第二、第三階振型，起到烘托課堂氣氛，寓教于樂的功效。

五、靈活的考核評價方式

《關于加快新時代研究生教育改革發展的意見》[1]指出，研究生教育肩負著高層次人才培養和創新創造的重要使命，是國家發展、社會進步的重要基石，是應對全球人才競爭的基礎布局。《意見》在加強課程教材建設方面強調突出研究生創新能力的培養，作為研究生培養的一個重要環節，課程考核在人才培養過程中顯得極為重要。通過課程考核，對學生掌握知識與所具有的能力和素質進行評估，同時也是對教師教學質量的一個評價，教師對課程考核反饋結果進行教學反思，以不斷更新教育教學理念與方式。

為適應新時代發展要求，傳統的一卷定終身的考核模式已經過時，為了多角度、全方位考查研究生基礎知識掌握的廣度和緯度、創新性思維和分析解決問題的能力，應建立課程整個學習過程的全過程全新考核體系。為此，需要對傳統的考核評價模式進行改革，在結構動力學的平時成績構成中涵蓋了多樣化的考核內容，主要包括以下幾個方面：

(一)隨堂抽問

在授課過程中，提出學術性問題，由研究生現場作答或下次上課隨機抽選研究生作答，任課教師在研究生課程隨機抽問考核表上打分，作為平時成績的一部分。

(二)課堂演示

確定與授課內容相關的題目，研究生在課下自由分組查閱資料、討論研究，并對討論研究的過程制作課件并進行綜述，根據綜述結果計入平時成績。

(三)讀書報告

教師確立若干研究題目或必讀書目，查閱文獻后，提交讀書報告1份。

除了以上平時考核內容，在結構動力學的學習過程中，還利用微信平臺定期發布試題，進行隨堂章節測驗，查驗提交上機結果與手算結果對比任務完成效果及質量，記錄課堂回答問題舉手次數，課堂紀律等。將平時學習過程的成績比例適當加大，重視課程過程考核，將過程性考核結果與期末結果合并計入學生最后成績。

六、結論

本文從課程思政、案例教學、實踐教學、激趣教育、考核評價等方面對結構動力學課程進行了研究，讓課程思政達到潤物于無聲的目的，教師需要做到為人師表，不斷加強自身道德修養，重視思政元素的提煉、歸納、總結；案例式教學重視學生工程倫理教育理念的滲透，讓學生從工程事故中反思，注意遵守職業道德規范；實踐教學通過理論聯系實際，提高學生創新和實踐動手能力；激趣教育活躍課堂氣氛，提高學生學習興趣；全新考核評價模式改變了過去一卷定終身的單一評價方式，有利于學生創新能力培養。通過以上幾個方面的實踐，取得了良好的授課效果，可為同類課程提供借鑒與參考。