新工科背景下結構力學課程“線上+線下”教學模式的實踐與探索

丁勝勇　崔先澤　陳露

關鍵詞：結構力學;新工科;線上教學;理論與實踐

為應對新一輪科技革命與產業變革引發的國際競爭新形勢，2017年起教育部開始積極推進新工科建設，掀起了我國高等工程教育的質量革命。從狹義的角度來理解，新工科是指人工智能、大數據、工業互聯網等新興專業，但新工科作為一個系統工程，系統中各專業并不孤立存在，而是相互關聯構成一個不可分割的整體，傳統工科專業的升級與改造仍是新工科建設重要組成部分之一。結構力學是傳統工科專業一門重要的專業基礎課程，其任務是研究桿件結構的組成規律和受力性能，主要根據力學原理分析在外荷載和其他因素作用下結構的內力和變形，并要求學生通過結構力學課程的學習，能夠具備一定運用相關計算方法解決工程實際問題的能力。結構力學向前對接學生數理基礎，向后進行專業培養目標，在培養體系中起到承前啟后的橋梁與紐帶作用。由于結構力學本身具有理論和應用雙重屬性，對學生來講，除了需要具有扎實的數理學基礎，還要有一定的工程實踐積累。受限于當前各種主客觀因素，現行結構力學的教學多側重于圍繞理論知識進行課堂教學，在工程實踐結合方面的力度卻稍顯不足，這顯然與培養專業知識扎實、工程能力嫻熟、創新意識較強的新工科人才的目標還存在一定差距。當前，信息技術和互聯網的快速發展推動著傳統行業革命性的變革，教育行業也不例外。以新工科建設為契機，融入新工科理念，探索適合的線上和線下結合的教學模式，對結構力學的課程教學進行豐富和完善，無疑對提高結構力學課程的教學質量和效果具有積極意義。

一、互聯網信息技術在教學中的優勢

在現代信息社會，互聯網具有傳遞性、自由性、實時性、交換性、共享性、開放性等特點。隨著科學技術的不斷發展，信息化技術已滲透到社會的各個方面，在人們的學習和生活中發揮著不可替代的重要作用。

（一）互聯網能夠為教學提供更新更全的資源

互聯網的重要功能是資源的共享和分享，利用這一功能學生都能方便地在網上獲取課程視頻、參考文獻及開源的計算程序代碼和軟件等學習資源。同時，學生也能將好的學習方法、學習工具和學習資料分享給其他人，這極大擴充了學生獲取知識的渠道，有利于強化學生的主體地位。

（二）互聯網技術能夠實現對學生的智慧管理

利用線上平臺對學生的學習進行全過程管理和評價，包括課前預習評價和測評反饋、課堂實時檢測評價和即時反饋、課后作業評價和跟蹤反饋，實現即時、動態的學習診斷分析評價和信息反饋。教師能根據學生的學習情況及時采取對策，有利于發揮教師的主導作用。

（三）互聯網技術能夠打破時間和空間的局限

互聯網技術最直接的教學手段是線上教學。基于網絡環境的線上教學，打破了傳統課堂教學在時間和空間上的限制，使教師與學生之間、學生與學生之間、教師與教師之間的交流變得更加靈活方便。通過強化學習的互動性，線上教學平臺既方便了教師的教和學生的學，也促進了學生與學生之間、教師與教師之間的交流與合作。

二、結構力學課程線上與線下教學的比較

（一）結構力學課程教學中的線下教學

課堂教學中教師與學生“眼睛對眼睛”的交流，有利于教與學的互動。教師從學生的課堂反應中能及時了解學生的學習情緒、對教學內容理解的程度、出現的問題及癥結等，易于及時采取相應的對策，發揮教師的主導性。傳統教學方式可讓教師從不同的角度去幫助學生解讀一個概念或原理，既可很好地控制理論公式推導節奏的快慢，也可以邊講邊繪圖，抑揚頓挫、突出重點、因材施教。理論性強的知識通常晦澀難懂，這種面對面的傳授，令學生的思維與教師同步，對提高學生的學習效果有著重要的作用，這是任何現代技術所無法代替的，可見理論性強的內容更適合采用傳統的課堂教學。

（二）結構力學課程教學中的線上教學

結構力學課程的傳授不應僅是理論知識的講授，聯系工程實踐的教學可讓學生有更直觀的感受和體驗，更受學生的歡迎。學生汲取知識的過程如果僅通過理論學習，沒有針對性地實踐，因為缺乏對工程實踐的感性認識，學生對理論知識的認知多停留在識記的層次上，這些知識會隨時間的推移而被遺忘。網絡平臺教育的功能是強大的，它的活力體現在形象、生動、逼真上。對于那些比較抽象、講授起來冗長或難以用語言描述清楚的實踐性內容，若化靜態為動態、化抽象為形象，采用動態視頻、動畫、照片和聲音等展示，有利于增加學生的感性認識。此外，利用豐富的網絡教育資源，通過網絡視頻、仿真軟件模擬展示工程實際問題，彌補課程或教材原有工程案例匱乏、陳舊的不足，激發學生的學習興趣，提高工程實踐力。實踐性知識由于其內容寬泛、形式多樣各異，更適合采用線上教學進行補充。

三、結構力學課程線上教學與線下教學的結合

結構力學課程的主要任務是引導學生從整個力學知識體系的角度，不斷加深、豐富對力學概念的理解，進而初步具備結構分析的能力。流光溢彩的上層建筑不能缺少樸實無華的基礎，只有力學基礎概念的加強才更有利于力學綜合能力的培養，可見結構力學課程仍需以傳統課堂教學為主。當然，結構力學的教學不應僅立足于理論知識的傳授，還應滿足學生后續從事專業工作、新項目研究、開發和繼續學習的要求。若僅依靠時間和空間都受限制課堂教學，想把結構力學課程學好學精，無論是對學生學，還是對教師教，都是一個極大的挑戰。

三峽大學是一所省屬院校，以水利土木類專業為特色專業，結構力學課程在學校水利土木類專業自2000年起已開設至今。長期以來，由于學校教學資源有限，結構力學課程普遍采用大班授課，采用傳統的教學管理手段，教師往往難以準確掌握班級學生的學習情況。另外，由于結構力學實驗裝置龐大而昂貴，使得實驗器材設備較少，器材人手不足，以多人為單位的小組實驗也導致多數學生無法真正地參與實驗。針對這些情況，單純依照已有教學模式并擴大其規模并不合適，因為客觀上，學生人數過多，設備器材缺少的現狀難以短時間內扭轉。通過利用線上教學對課堂教學提供輔助和進行補充，可顯著提高結構力學課程的教學質量和效果。

（一）線上教學對理論教學的輔助

（1）利用線上平臺將授課內容中涉及的數理知識難點在課前推送給學生，讓學生在預習課程時做到有的放矢，從而提高課堂授課效率。例如，圖乘法是通過公式推導將兩個桿件彎矩乘積的積分轉換為兩個幾何量乘積的形式，整個推導過程涉及的三個假設和靜矩的概念對應著圖乘法在實際應用時注意的各種情況。將靜矩等知識難點提前推送給學生，有利于學生對圖乘法的特點和技巧的理解。

（2）利用網上資源豐富課堂教學的教學資料，幫助課堂上講清理論知識的來龍去脈，讓學生明確力學知識背后的實際工程問題。例如，結構的位移計算可對結構進行剛度校核，通過引入實際生活中因結構剛度失效導致工程事故，讓學生知道剛度校核的重要性，培養學生的工程安全責任意識。此外，拱壩、拱橋等設計涉及合理拱軸線的計算，廠房、平板橋等設計涉及連續多跨梁的計算，通過科普視頻向學生普及一些典型工程的結構設計要點，讓學生知道所學的力學知識將來有什么用，以增強學生的學習動機，來提高學生學習的積極性。

（3）通過線上平臺對學生進行簽到，加強對學生到課率的管理。同時，在授課過程中利用線上的隨堂測驗對學生的聽課效果進行檢測，實時掌握學生的課堂學習情況，及時更改教學方式、調整教學方案等。在課后針對學生課堂學習中的薄弱環節進行相應的知識補充，將與課程內容相關的課后作業推送給學生進行強化訓練，鼓勵學生之間通過線上平臺對課程內容進行交流討論、對課后作業進行互評。通過線上平臺實現對學生學習的全過程智慧管理，全面提高學生培養質量。

（二）線上教學對實踐教學的補充

（1）結構力學研究的對象主要是工程結構，這些工程結構的形式很多（包括梁、桁架、剛架、拱與組合結構等），它們的聯結方式也各不相同。結構形式和組成的多樣性使得結構力學解題方法靈活多樣、技巧性強，對結構組成分析的不熟練常造成學生面對一個新的結構時不知從何下手。在學習幾何組成分析這一章內容時，向學生推薦一些力學與土木工程相關的應用（游戲）。這些應用一般通過不斷優化結構來保證設計的可行性來闖關，使學生在娛樂的同時，從實踐中積累結構設計知識，加深對結構幾何組成的認識。

（2）從工程實踐的角度來看，結構力學能力的培養不應停留在對結構定量計算能力的培養，更為重要的是對結構定性分析能力的培養。結構定性分析能力需要學生對結構變形和內力等結果中發生的現象或出現的問題能夠做出迅速科學判斷。為提高學生的結構定性分析能力，利用線上平臺搭建結構內力圖題庫，供學生練習和研究討論。同時，每學期定時組織結構內力圖競賽，在競賽中要求學生在短時間內完成大量結構內力圖的繪制。通過內力圖競賽的常態化將結構定性分析的內容融入結構力學的教學過程之中。

（3）結構設計競賽是學生實現力學理論知識向工程實踐轉化的重要平臺。在結構設計競賽中，學生根據結構所受荷載和邊界條件的情況，對結構體系進行優化設計。在模型設計階段，學生需要對結構的組成和形式進行不斷調整，采用經典手算的辦法耗時費力。伴隨著計算機技術和數值計算方法的興起，復雜結構的分析計算普遍采用計算機求解。在結構力學的教學中，補充上機試驗內容，利用結構力學求解器或有限元分析軟件等，演示結構分析的計算機求解過程，使學生了解結構力學計算方法最新發展趨勢，擴展學生的知識面等。

（4）結構力學作為部分工科專業的公共基礎課，結構力學的教師常常會面對不同專業的學生，受教師自身的知識結構、知識儲備和擁有的教學資源的限制，對不同專業的學生進行差異化的專業性實踐學習引導的要求是難以達到的。此外，結構力學課程教師與其他相關專業課教師之間缺乏溝通渠道，基本上各自為戰，客觀上進一步造成了理論與實踐前后內容脫節、知識銜接困難。利用線上教學平臺加強各課程教師之間的交流合作，讓其他相關專業課教師提前參與到結構力學的教學過程，可促進教師之間的教學資源整合，減輕教師的教學負擔，例如，不同專業的專業課教師可在學生學習結構力學課程時向其提供相應專業的工程實踐案例，這樣既可豐富結構力學課程本身的實踐教學內容，又讓學生提前接觸到本專業的工程實踐問題，提高專業課教師講授專業課時的效率。

結語

新工科建設的提出，對結構力學的課程教學提出了新的要求。結構力學的教學除了要完成基本理論知識的傳授，還應根據學校特色與定位，進一步培養學生的工程實踐創新能力，為學生專業知識的學習打下堅實的基礎。將線上教學作為一種輔助和補充手段，彌補傳統課堂教學的短板，可更好地幫助學生完成從力學基礎到專業應用的過渡。在后續的教學工作中，將利用線上教學對結構力學的教學做進一步的豐富和完善，繼續對課程線上教學與線下教學的結合方式進行實踐和探索，以期能夠對結構力學課程教學改革的研究工作提供一些有益的參考和建議。

作者簡介：丁勝勇（1987— ），男，博士，講師，研究方向：結構力學課程教育教學研究。