小班化案例制課程教學方案設計
——以結構力學課程為例

陳圣剛，張營營，魯彩鳳，呂恒林，姜 健

（中國礦業大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116）

近年來，新工科、物聯網、大數據、人工智能等新技術和新理論不斷出現并應用于土木工程各行業領域中，促進了行業發展理念和工程技術的巨大變革，給土木工程專業的傳統教學模式帶來極大挑戰。為了適應日新月異的形勢，2016 年工程教育國際研討會在北京召開，確定了國內工程教育與國際標準對接的原則，正式加入《華盛頓協議》，踐行“學生中心、產出導向、持續改進”的核心理念，工程認證理念需要進一步根植于土木工程專業日常教學中[1-2]。2017 年以來，國務院、教育部等先后提出《關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》《高校思想政治工作質量提升工程實施綱要》和《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》等精神文件，為高校人才培養提出了根本遵循，明確了“培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”是教育的根本問題，把立德樹人的成效作為檢驗高校一切工作的根本標準[3-4]。新時代的高校教育被賦予了新的歷史使命和要求，傳統工科教育模式或者以知識點傳授為根本要務的教學方法和思想已無法滿足當今社會的發展需求，各高校緊鑼密鼓開展各種新型教學模式的試驗和探索，新的教學方法和教學理念層出不窮[5]。獨具專業特色的案例制教學方法能夠將工程認證理念和課程思政教育蘊含于實踐應用的鮮活案例中[6]，以工程應用為背景，以解決實踐中存在的復雜工程問題為學習目標，以課程知識內容為手段，提升學生工程技術、能力水平和創新意識，將大國工匠精神、工程倫理教育、攻堅克難和腳踏實地等民族精神穿插于問題探索過程中。為保證案例制教學的順利開展和教學效果，小班化教學是必由之路。小班化教學是未來高校課堂教學的主要形式，也是教育部教學改革的強制要求，課堂教學小班化能夠因材施教，打通學生和教師互動的壁壘，解放教師關注教學過程，優化學生學習條件。因此，小班化案例制教學（融合案例制）成為適應當代高校人才培養的先進教學模式之一，值得高校教師進行實踐和探索[7-8]。

結構力學是土木工程專業的重要核心課程，承接了高等數學、理論力學、材料力學等自然科學課程，又為開啟混凝土結構、鋼結構等專業課程奠定基礎。作為一門力學類基礎課程，學生龐大的基數導致結構力學課程通常采用近百人的大班式課堂教學，然而該課程具有邏輯性強、理論抽象、內容繁多和學習難度大的特點，使得結構力學教學效果無法保證。結構力學的課堂教學存在很多問題亟待解決：①調查顯示，超過80%的教學以大班式的課堂理論講解為主，通過作業和考試的方式考核教學效果，教學及考核方式單一，專業實踐缺失[9]；②課堂教學缺乏工程背景和應用實例，以簡化的計算模型為對象，強化計算解題結果的精確度，輕原理和結果討論分析，導致學生學習漫無目的，學無所用；③結構力學主流仍然實行大班教學，在有限的時間內，教師無法全面開展各種教學方法，無法關注每位同學的學習效果，教師與學生交流障礙，難以達到預期教學效果；④學習內容枯燥乏味，晦澀難懂，學生畏難怕苦，喪失學習積極性，“躺平”“及格萬歲”等現象屢見不鮮[10]。

面對新時代課程教學實踐改革的機遇和挑戰，針對結構力學課程教學中存在的以上問題，中國礦業大學結構力學課程組積極開展教學改革。在線上線下混合式國家級一流本科課程建設的基礎上[11]，以學生為中心，以學生能力和精神內涵為培養目標，從以下幾個方面探索小班化案例制教學改革：①以工程案列為繩，理論與實踐相結合進行教學內容設計，激發學生興趣，調動學生積極性，學有所用；②以24 人組成小班化課堂，提高學生對課堂的影響，甚至主導課堂進程，加強學生與教師互動，讓學生主動學習和思考；③關注學生精神世界，課程思政融入工程案例中，培養熱愛國家、敬畏自然和生命、熱愛生活及熱愛自我的精神能力；④豐富課程考核評價標準，注重過程管理和反饋。

一 結構力學課程教學案例建設

案例庫建設是結構力學小班化案例制教學的核心要素，具有工程背景的案例既要與時俱進，又要貼合課程教學內容；既要滿足解決工程復雜問題的深度要求，又要深入淺出避免難度過大；既要培養學生的工程能力（理論能力、計算能力、數值分析能力），又要培養學生的精神能力，融入思政要素。本次小班化案例制教學實踐將課程的主要內容分解為六部分：概論及計算簡圖；結構幾何組成分析；靜定結構（包括梁、剛架、拱、懸索結構及組合結構）內力計算；靜定結構位移計算；超靜定結構力法；超靜定結構位移法等。每一部分內容圍繞一個工程案例進行教學內容布置，解決案例中所提的問題，每個案例教學要達到工程能力和精神能力鍛煉的教學目標。主要案例介紹如下。

第一部分（圖1），以人物骨架簡筆畫繪制類比工程結構的計算簡圖，對深厚歷史積淀的故宮內建筑進行結構簡圖繪制。一方面，第一次授課增加趣味性，提高學生的學習樂趣；另一方面，了解中國的歷史文化，增強學生的文化自信。

圖1 計算簡圖內容案例

第二部分（圖2），以2020—2022 年來發生的結構倒塌事故為對象組織教學內容，分析結構的幾何組成及倒塌過程中結構組成及靜定性質變化，總結結構倒塌的原因。一方面，深化該部分內容的理解和應用；另一方面，從工程事故中吸取經驗教訓，事故原因中天災因素使學生敬畏自然，培養人與自然和諧相處意識，人禍因素使學生提高工程倫理意識和法律意識，提高個人道德水平和社會責任感。

圖2 結構組成成分分析探究結構倒塌

第三部分（圖3），以不同橋梁結構的跨越能力評估為案例，將梁、拱、桁架、剛架和懸索等結構形式具象為常見的梁式橋、拱橋、桁架橋、鋼構橋和懸索橋等，分別進行內力計算分析，一方面，利用其跨越能力的分析深入理解不同結構形式的受力特點、力學性能和計算方法；另一方面，了解新世紀中國橋梁建設的矚目成就，建立學生的民族自豪感，堅定社會主義信念，激發學生的奮斗熱情。

圖3 不同橋梁結構跨越能力評估及對比

第四部分（圖4），以單層工業廠房為對象，通過上層加建、發生意外火災和地基發生不均勻沉降等工況分別校核荷載、溫度和支座位移等因素引起的結構位移。一方面，教授學生靜定結構位移計算方法，建立學生不同工況條件下結構性能分析的動態思維方式，以發展的眼光看待工程問題；另一方面，建立嚴格的職業操守意識，不可隨意變更結構使用功能。

圖4 靜定結構不同工況下結構位移校核

第五部分（圖5），判斷常見工程結構在荷載作用下的危險截面并提出保障措施，要求手算并利用有限元軟件校核結果。一方面，使學生熟練掌握力法計算原理，鍛煉學生利用現代計算工具的能力，培養學生自主解決工程難題的成就感；另一方面，培養學生迎難而上、不怕困難、敢于挑戰的科學精神。

圖5 超靜定結構危險截面判斷（一）

第六部分（圖6），與第五部分內容對比分析（位移法和力法靈活應用），判斷超靜定結構的危險截面；以小組方式，對復雜的實際結構采用多種有限元軟件計算，并利用理論知識分析結構力學性能。利用一題多解，一方面，培養學生面對復雜工程問題，合理簡化、靈活選用或者組合使用所學知識的能力；另一方面培養學生發散思維的能力，不滿足于單一思路方法，強化精益求精，不斷創新的精神；培養學生的團隊意識和協作能力。

圖6 超靜定結構危險截面判斷（二）

二 案例制教學設計及實施

中國礦業大學結構力學教研組開展了24 人教學班的小班化案例制教學實踐，每4 人一組分為6 個教學組，教學過程中個體和團隊任務相結合，保證教師對每名同學和每個教學組的全方位溝通。小班化案例制教學方案應緊扣各部分教學案例，充分利用本課程組的“線上和線下”教學資源，解除課堂知識點講解對授課老師的束縛，增加設問、實踐、報告等環節，以學生個體和小組協作相結合的方式開展課堂教學，提高學生的課堂參與度和興趣，通過任務驅動學生完成自主學習，改變結構力學傳統課堂教學枯燥乏味的知識講授現狀，同時對學生的知識架構、工程能力和精神屬性進行塑造。小班化案例制教學方案促進了學生和教師全方位的思想碰撞。本節以第三部分靜定梁式結構的內力計算教學方案設計為例，對案例制教學的設計內容和教學流程進行簡要的介紹說明。本教學方案設計包括以下幾個方面。

（一）案例描述及總體任務下達

教師提前一周通過MOOC 任務模式發布案例內容及任務要求，確定“不同形式橋梁結構的跨越能力評估及對比分析”案例主題，最終以分析報告的形式提交案例分析成果。案例描述使學生對工程問題有整體的了解和把握。

（二）課前準備

教師提前一周發布本節課堂的分任務和要求。首先，以MOOC 線上教學資源為媒體，學生需要完成單跨及多跨梁氏結構內力計算的教學內容；其次，收集目前在役的典型梁式橋梁結構，盡可能詳實記錄橋梁結構的信息，并以小組形式歸納匯總，形成PPT。

（三）課堂組織

課堂教學分以下步驟進行：①明確案例背景及整體的任務要求，對案例進行分任務拆解，分別按照梁式結構、拱結構、鋼架結構、懸索結構和組合結構等形式拆分為五個分任務，以第一個分任務——梁式橋梁跨越能力評估展開本課堂內容；②隨機抽選學生小組對梁式橋結構調研做匯報，其余小組做補充評價；③以討論形式確定橋梁結構可能承受的荷載種類和形式；④以單跨靜定梁為對象，重點講解不同荷載作用下結構平衡方程和內力的求解，闡述荷載和內力的微分關系；⑤學生實踐，以多跨靜定梁為對象，實踐應用所學內力計算方法，加深對荷載與內力微分關系的理解，總結內力圖繪制技巧和經驗，匯總于分析報告。

（四）習題訓練

于MOOC 發布作業及訓練題目，使學生熟練掌握手算原理；同時，選用合適的力學計算軟件（SMSolver、SAP2000、PKPM、ANSYS 和ABAQUS 等）對題目進行建模計算，核對計算結果。

（五）分任務解答

通過“分析對象→外界條件（荷載等）→內力→性能評估”的分析模式，對靜定梁式結構的跨度進行計算分析，確定梁的破壞標準，建立荷載與梁跨度關系式，評估結構的適用跨度并思考提高結構跨度可采取的措施。分任務分析及思考匯總于分析報告中。最終，形成梁式結構跨越能力評估報告小結。

本部分內容其他結構形式（拱結構、剛架結構、懸索結構和組合結構等）的橋梁跨越能力評價和分析授課方案及流程與上述一致，分別形成不同結構形式橋梁的跨越能力評估分析報告。通過分任務的學習探索，利用對比分析方法，學生對本案例的工程問題進行解答，總結不同結構抵抗外荷載的力學機理，總結個人在案例學習過程中知識、工程能力和精神提升方面的收獲，形成最終的分析報告。

三 多元化考核方法

課程教學改革不僅僅是教學方法和教學思想的改革，容易被忽略的教學效果評價體系的改革同樣至關重要，教學效果評價體系不僅能夠反饋教學改革效果，而且也是保證教學改革措施順利開展的指引棒[12]。小班化案例制教學必須改變傳統以作業和期末考試為根本的考核標準，以全流程跟蹤為原則的多元化考核方法的革新才能真正調動學生的活力，解決學生參與度低、無積極性的問題。過程化綜合性考核采用多種考核方式，包括作業及課堂測驗、案例調研及展示、課堂討論、案例分析報告、結構設計競賽復現和期末考試等方式展開，每個評價從教師評價和組間互評兩個方面進行，最終的評價結果按照一定的權重對課程目標進行支撐，具體見表1。案例調研及展示、課堂討論、案例分析報告跟隨課堂內容教學，同步推進，時時考核評價，能夠及時發現教學中的問題，彌補學生學習的缺陷和不足；作業及課堂測驗、期末考試的權重適當降低，保留傳統考核方式能避免學生因過大的考核方式變化引起的不適應；結構設計競賽復現專題，以往屆結構設計大賽的賽題為對象，學生可選取獲獎作品或者自主設計，進行作品的力學性能計算評估，剖析結構高效承載的原因，整體把握結構力學知識在工程結構設計中的應用，以賽促學，以學促用。根據不同考核方式的適用性和特點，采用不同的權重對課程目標進行支撐，各考核方式支撐不同課程目標權重見表1。多元化考核方法在教學實踐中仍需進一步探索：對多種考核方法的評價細節進行細化和優化；考核方式根據本校校情適用性改革；小班化案例制教學方法對教師提出了極高的要求，教學效果評價應將教師作為評價的另一方主體，納入考核過程。

表1 課程目標達成情況支撐

四 結束語

本著力學知識“來源于工程，又服務于工程”的思想，以中國礦業大學國家級一流本科課程結構力學為例，開展小班化案例制教學改革，以滿足新時代國家、社會對土木工程專業的育人要求。在中國礦業大學結構力學課程線上線下混合教學資源建設的基礎上，對小班化案例制教學開展了以下三個部分的內容改革：建設了對應于結構力學教學內容的案例庫；提出并實施了小班化案例制教學的課堂教學方案；構建了適用于案例制教學的教學效果多元化評價體系。小班化案例制教學方法成功應用于土木工程專業的日常教學中，提高了學生的學習熱情和積極性，取得了較好的實踐效果。