面向力學專業的結構力學課程建設探索

摘? 要：根據結構力學的課程特征，該文在結構力學課程教學中將傳統中國文化和近年來我國取得的偉大成就與課堂教學相融合，解析基礎知識、培養專業素養；從工程事故案例中引發思考，運用所學知識分析事故原因，認識學習結構力學的重要性。同時結合蘭州大學力學專業的特色和定位，采取課堂教學與課后自學相結合、線上教學和線下教學相結合、統一性和差異性相結合的教學模式，對結構力學課程從教學內容和授課方式方面進行課程建設探索，以期提升結構力學教學效果及教學質量，以立德樹人為導向，為新時代的高等教育添磚加瓦。

關鍵詞：結構力學；力學專業；教學內容；授課方式；教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）19-0095-05

Abstract： According to the course characteristics of structural mechanics， in the course teaching of Structural Mechanics， the traditional Chinese culture and the great achievements made by our country in recent years are integrated with classroom teaching. Based on the actual engineering structure， analyze basic knowledge and cultivate professional quality. In addition， we trigger thinking from engineering accident cases， use the knowledge learned to analyze the cause of the accident， and recognize the importance of studying Structural Mechanics. At the same time， combined with the characteristics and positioning of the mechanics major of Lanzhou University， a teaching mode combining classroom teaching and self-study after-school， online teaching and offline teaching， and unity and difference is adopted. The course construction of Structural Mechanics course is explored in terms of teaching content and teaching methods. It is expected to improve the teaching effect and teaching quality of Structural Mechanics. Meanwhile， contribute to strengthening morality education in the new era.

Keywords： Structural Mechanics; mechanics majors; teaching content; teaching methods; teaching reform

力學大師馮卡門指出，力學是用數學武裝工程科學[1]。力學專業的學生不僅需要具備扎實的數學基礎，還要擁有將實際工程問題凝練為科學合理的力學模型的能力[2-3]。結構力學是研究工程結構的學科，旨在通過嚴謹的數學方法和思維，將工程問題轉化為力學模型，以期解決實際問題。結構力學課程在力學專業中起到了鏈接基礎學科和應用學科的重要紐帶作用[4]。通過結構力學課程的學習，能夠幫助力學專業學生提高結構分析與計算能力，培育工程思維能力，形成工程思維習慣，為后續的課程學習、科學研究和工作奠定堅實的能力基礎。

一? 力學專業學生結構力學課程現狀

結構力學是固體力學的一個分支，以桿件結構為主要研究對象，根據力學原理研究工程結構在外力和其他因素作用下的內力、位移、穩定性及結構優化問題[5]。結構力學課程內容環環相扣，理論性、邏輯性強，所涉及的計算方法種類繁多，課后習題對求解技巧要求高，整體理解掌握難度較大[6]。相較于土木工程專業的學生，面向力學專業學生的結構力學課程課時少、學分低（以蘭州大學土木工程與力學學院為例，2021—2022學年結構力學課程在土木工程專業的學時為90，而在理論與應用力學專業的學時為54），且缺少必要的工程實踐環節，外加未來就業方向的反向影響[7]，導致力學專業學生在課程思想重視程度、知識綜合運用水平、工程思維能力培養等方面存在明顯不足。

從教學模式來看，在目前教學改革大背景下，結構力學等專業課的課時被大幅壓減[8]。為完成教學任務，結構力學課程建設大都傾向于優先完成經典理論部分的教學，壓縮甚至忽略如何進行工程簡化方面的傳授，存在“重理論、輕工程”的現象。然而從力學專業學生的教學培養計劃、專業課程安排和未來就業情況來看，結構力學課程的學習是力學專業學生培養工程思維的最佳窗口，旨為完成教學任務的應試教育明顯無法完成這個使命。

從課程內容來看，結構力學的教學內容涵蓋不同類型結構的幾何構成、受力分析及變形分析，部分理論比較抽象，涉及繁冗的數學推導。在分析結構的內力時需要理論力學作基礎，在計算結構的變形時必須以材料力學為鋪墊，整個過程都需要用好高等數學工具，因此學好這門課程，學生必須能夠將高等數學、理論力學、材料力學等理論性強的基礎課程融會貫通[9]。所以，夯實數理基礎是力學專業學生花費時間精力最多的部分，相比之下，如何在課程學習階段系統培養自己的工程思維能力，學生則基本毫無考慮。

從學生角度來看，結構力學整體難度高且學習枯燥的課程特點，勢必會導致學生產生強烈的畏難情緒，出現厭學、怕學的心態。對于學生來講，假如失去了興趣這個最好的老師，結構力學課程學習效果必定會大打折扣，甚至會對后續的專業課程學習產生影響，出現“多米諾骨牌式的塌方”[10]。而且從近些年來看，力學專業學生職業選擇大都傾向于科研崗位和教學崗位，這就導致一些學生片面認為自己較工科學生對結構力學知識的運用率低，忽視了結構力學在力學專業中的地位作用，主觀上降低了結構力學的重要性，課程學習滿足于應對考試，不夠端正的學習態度勢必對課程知識綜合掌握水平產生影響。

從教學任務來看，新時代高等教育的根本任務是立德樹人，結構力學作為力學專業的一門重要課程，不僅專業性、理論性非常強，而且具有與實際聯系緊密的應用型特點，所以結構力學課程建設不僅要落實在傳道授業解惑的“樹人”責任的基礎上，還要主動融入思政元素，將馬克思主義德育觀、習近平教育思想納入其中，承擔起為學生“立德”的使命，通過寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，做到專業課與思政課同頻共振、相互促進、協同育人。

針對結構力學課程特點，各高校教師展開了一系列研究探索，提出了諸多授課方式改革方案[11-15]。例如，王琳鴿等[11]所在的課題組通過自制錄屏視頻，對結構力學課程進行了教學改革，實現了教師的角色轉換，激發了學生的學習興趣。鄭玉國[15]立足于教學、研究、教師、學生自身，提出一種“教→研→教”正向互動的教學路徑，并以剛度分解法位移計算為例，闡述了采用該路徑實施課堂教學的有效性。隨著時代的發展，不同專業學生課程差異日趨明顯，學生特點也各不相同，面向力學專業學生的結構力學課程建設，亟需結合力學專業學生特點，從教學內容和授課方式等方面進行改革，以期通過指向性強的精細化教學，培養理論功底好、應用能力強、道德品行端的力學專業學生，適應新時代背景下全員、全程、全方位育人的教育新格局[16]。

二? 面向力學專業的結構力學課程建設探索

“為學須先立志。志既立，則學問可次第著力。立志不定，終不濟事。”要成為社會主義建設者和接班人，必須樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，把實現個人價值同黨和國家前途命運緊緊聯系在一起[17]。本次課程探索將在傳統教學的基礎上，著力構建以知識鏈接、案例分析和思維訓練為基本方法，教學模式貼合實際、思政內容貫穿其中的教學模式，通過生動有趣的方式將枯燥乏味的理論知識串聯起來，將創新精神的培育和工程思維能力的培養融合其中，在激發學生學習興趣、提高學習效果的同時，培養其愛國愛黨愛校情懷。這樣不僅有助于提高本門課程的教學效果，而且能為新時代大學生思想道德建設發揮積極作用。

（一）? 教學內容的改革

1? 從傳統建筑文化中汲取智慧，夯實理論基礎

中國古代建筑是中國傳統文化的重要組成部分，是先輩留下的豐富多彩的建筑遺產，歷經幾千年滄桑變遷，在世界上形成了獨特的建筑體系，是中華文明的綜合反映[18]。介紹各種結構體系的中國古代建筑就是傳授結構力學知識和弘揚中國傳統文化的最好結合點。在講授結構力學基本概念時，引入一些聞名于世的建筑實例，如在講授拱結構時，通過介紹趙州橋的歷史沿革和歷次修繕情況，解析拱結構的基本組成、受力特點以及合理拱軸線設計等；在講授對稱結構時，以故宮、木塔、天壇等為例，分析對稱結構的變形、受力特征，總結該類結構的內力計算特點；在講授靜定多跨梁時，將中國橋梁之父茅以升以及其主持修建的錢塘江大橋作為課程引入內容，讓學生了解錢塘江大橋的建橋背景、結構特點、所承載的歷史文化。以傳統建筑為載體解析基礎知識，以蘊含其中的歷史文化為背景鏈接拓展知識，這樣既能幫助學生構建知識框架，實現專業知識教學目標；又能讓學生領略祖先智慧、了解祖國歷史，不斷提升民族自信、文化自信。

2? 從現代建筑成就中感受魅力，培養專業素養

社會在發展，科技在不斷創新，許多新型基建拔地而起，巍然屹立的背后是現代科技的支撐。比巴黎埃菲爾鐵塔還高61米的世界第一輸電鐵塔[19]、能容納十萬人的奧運會主場館鳥巢[20]、“鳳凰展翅”的北京大興國際機場航站樓[21]、全球首屈一指的港珠澳大橋[22]和10天建成的可容納1 000張病床的火神山醫院等[23]，這些基建項目高度、難度、速度的不斷增加，完美彰顯著現代建筑的發展水平與速度，展現著結構工程的魅力與光輝。關于其結構分類、計算簡圖的合理選取、幾何構造分析、變形及受力分析、荷載作用下的位移計算及穩定性分析等問題都屬于結構力學研究的范疇，將這些建筑案例融入到課程教學中，通過引導學生解構工程設計、剖析結構組成、構建力學模型，培養學生的科學思維習慣，訓練學生的工程思維能力，激勵學生執著于專業領域，勇于探索、積極創新，不斷推進建筑行業向更高效、舒適、便利、環保的方向發展，以實際行動爭做新時代中國奮起發展的踐行者和開拓者。

3? 從工程事故案例中引發思考，錘煉工匠精神

工程事故是等比例、同條件的實體實驗，是多個因素疊加的結果。江蘇省無錫市高架橋橋面側翻、福建省泉州市酒店樓體坍塌、河南省某廣播電視發射塔倒塌及廣西玉林市5層樓承重墻被敲穿導致倒塌等等[24-26]，這些工程事故嚴重威脅人們的生命安全，造成重大社會經濟損失，給人們的社會生活帶來了嚴重后果。有些是因為認知不足、設計錯誤或設計缺陷造成；有些是溝通有誤、操作不當，人為的不安全行為所導致。從力學角度分析事故原因，可以發現一些事故的成因與結構力學課程的知識點是契合的。例如，在建造加拿大魁北克大橋時，工程師Cooper等未經嚴密計算就擅自增加了橋梁主跨度，忽略了對橋梁重量的精確計算，在大橋即將竣工之際，由于橋梁自重過大使得大橋懸臂段的主弦桿受壓失穩，最終導致建造了四年之久的大橋在15秒鐘掉進了圣勞倫斯河，帶走了75個人的生命[27]。在課堂上以這類建筑工程事故為案例，引導學生運用所學知識分析事故原因、總結事故教訓，幫助學生認識到學習結構力學的重要性、培養工程思維能力的必要性、保持嚴謹科學態度的關鍵性，以及作為力學人肩上擔負的責任與使命，激勵學生自覺將歷史使命感和社會責任感刻入骨髓、融入血脈，固化為世界觀、人生觀和價值觀。

（二）? 授課方式的改革

1? 課堂重點教學與課后自學相結合

結構力學課程在蘭州大學理論與應用力學專業的教學計劃中設置為3學分（54學時），教學大綱共有八章，包含緒論、結構的幾何構造分析、靜定結構受力分析、影響線、靜定結構位移計算的虛力法、力法、位移法、漸進法及其他算法簡述。面對“課程內容多與課時少”的矛盾，可行的探索方向應是對教學內容的合理取舍與整合。教師必須合理規劃每堂課的知識點，選取極有價值的重點、難點內容，圍繞關鍵性問題進行精講，達到教學目標。例如，在講幾何構造的鉸結三角形規律時，雖然規律本身是簡單淺顯的，但規律的運用則變化無窮。將直接分析方法、不斷擴大剛片法、去掉二元體法、去掉約束法進行精講，并通過例題展示不同結構的剛片選取及聯結方式的分析技巧。又如在講力法的基本體系時，可采用不同基本體系求解同一超靜定結構，講透基本體系選取的基本原則和不唯一性，對比計算量，總結規律，從而培養學生用力法解超靜定結構的靈活性與創新性。當然，在54學時內詳細講解所有內容是不現實的，也是不必要的。除了課堂精講內容外，按照由淺入深循序漸進原則，明確部分章節的部分內容，由學生通過自學達到教學標準。例如，變形體的虛功原理、力法解兩鉸拱和無鉸拱等，這些內容的課程教學目標不高，但是需要學生對這部分內容有所了解。教師可以引導學生在前序內容的基礎上自學這部分內容，從而逐步培養學生的自學意識和能力，變讓我學習為我要學習。此外，采取課堂提問、課后作業和考試測試方法，幫助學生檢驗學習效果、發現存在問題、優化自學方式。

2? 線上教學和線下教學相結合

疫情影響下，傳統的課堂教育受限，“互聯網+教學”已成為大勢所趨，線上教學已經成為教學的一部分。線上教學過程中，由于教師和學生不在同一空間，所以無法根據學情進行實時管理與調整。為了保障線上教學效果，教師需要將“課前預習、課中學習、課后復習”結合起來。通過建立課程學習微信群或QQ群，引導學生課前預習，同時布置一些參考資料，供學生課前學習。線上授課過程需要全程運用多媒體教學課件，教師在準備教學課件時，可以針對線上授課的特點，捕捉富有時代氣息的教學內容來充實和豐富課堂教學，重組PPT內容，強調教學重點、解析教學難點。同時，適當增加三維圖、動畫，使課件圖、文、聲、像并茂，增強教學過程的趣味性，使一些枯燥乏味的知識點變得生動有趣，將抽象知識轉變為形象內容，提高課程的吸引力。課后，教師可以借助QQ、微信、學習通等軟件，實現不受時間和空間限制的教與學互動，與學生進行實時交流與指導，為學生的答疑解惑提供便利，幫助學生更好地理解和接受教學內容。圖1展示了筆者在疫情期間線上教學時，采用網絡平臺發布課程安排、課后作業以及相關的資料上傳，以保證線上授課的順利進行。圖2為筆者通過騰訊會議、QQ軟件協助完成結構力學的線上教學。

3? 教學模式的統一性和差異性相結合

通過課程授課方式的統一性與差異性保證學習效果。八章課程內容，有的注重理論（如靜定結構的受力分析），有的注重方法（如機動法繪制連續梁的影響線）。課程教學整體采用問題分析、溫故、知新、解題、小結的流程化方法（如圖3所示），以保證課程整體學習成效；在講授單節知識時，根據章節特點針對性采用啟發式引導、互動教學、問題驅動、類比學習等教學方法，以便將章節內容講清析透，助力學生理解掌握。通過學生培育方法的統一性和差異性提升學習效果。學生基礎不同、態度不同，產生的學習效果就截然不同。高質量開展課堂集中授課，同時，在課堂中給學生創設自主探究空間，引導學生體驗知識發生的過程，幫助學生理解每堂課的重點內容，保證班級的整體學習水平。針對學生學習水平，設計靈活的、有難度層次的作業任務，讓所有學生都能在體會成功喜悅的同時有所突破，保持對學習的興趣和信心。每個學生對問題的理解和掌握程度是不同的，興奮點、疑難點也各不相同，因此教師可以針對學生的特殊性進行精準指導，個別化輔導，從而彌補班級授課制的缺陷，促進個體的充分發展。另外，遴選、鼓勵優秀學生積極參加結構模型設計大賽、大學生創新創業等實踐活動，引導其將課本中的知識靈活運用到專業相關的科研和實踐活動中去，助力學有余力的學生提高綜合素養，同時培養科研思維能力、動手操作能力和團隊協作精神。

三? 結束語

力學專業學生將來必定是活躍在各大科研院所、高等教育平臺的主干力量，是建設富強民主文明和諧美麗中國的優質力量。結構力學作為助力培養力學專業學生工程思維的關鍵學科，課程設計必須緊跟新時代思想引領，以培養有擔當、有責任、有抱負的年輕一代為己任。本文從教學內容和授課方式兩個方面探尋面向力學專業學生的結構力學教學改革途徑，結合力學學生特點和課程的實際，將諸多工程實際引入到課堂教學中，以期能優化結構力學的教學內容，提高學生的綜合能力，增進學生的愛國情懷，促進學生的發展；同時立足國情和學情，將課堂重點教學與課后自學相結合、線上教學和線下教學相結合、教學模式的統一性和差異性相結合，助力力學學生提高綜合素養，進一步提升教學質量。

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基金項目：機械結構強度與振動國家重點實驗室開放課題項目“石墨烯/PVDF復合材料力電特性理論研究”（SV2021-KF-08）；蘭州大學中央高校基本科研業務費專項資金“0-3型磁電復合材料的磁電傳感機理研究”（lzujbky-2022-19）

作者簡介：張娟娟（1986-），女，漢族，甘肅蘭州人，博士，副教授。研究方向為功能復合材料，電磁固體力學。