中日結構力學課程教育現狀的比較分析

李亮 張大英 楊建江 劉平

摘? 要：結構力學作為土木工程專業的核心基礎課程，教學效果的保證至關重要。土木工程專業畢業生作為工程師在設計及建造橋梁、隧道及建筑等結構時，必須掌握力學及強度知識。但是，許多土木工程專業的學生對結構力學掌握程度不高，由于物理及三角函數等數學知識的基礎不牢，無法求解桁架等復雜結構。對比中日結構力學教學現狀，梳理力學課程教育的難點及問題點，針對土木工程專業的學生，有必要適當調整課程設置，提高學生在靜力學、三角函數等知識點上的掌握程度，以保證結構力學課程的教學效果，達到該專業的教書育人目標。

關鍵詞：結構力學；土木工程教育；中日對比；教學方法；教學效果

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）09-0014-04

Abstract： It is important to ensure the teaching effect of Structural Mechanics.? Civil engineering graduates must master the knowledge of mechanics and strength.? However， many students of civil engineering do not have a good grasp of Structural Mechanics. Because of the weak foundation of physics and trigonometric function and other mathematical knowledge， it is impossible to solve complex structures such as trusses. By comparing the current teaching situation of Structural Mechanics in China and Japan， the difficulties and problems in the course of mechanics education are sorted out. For students of civil engineering， it is necessary to adjust the curriculum appropriately to improve their mastery of statics， trigonometric functions and other knowledge. Ensure the teaching effect of Structural Mechanics course and achieve the purpose of teaching and educating people in this major.

Keywords： Structural Mechanics; civil engineering education; China and Japan; teaching method; teaching effect

基金項目：2022年河南省高層次人才國際化培養資助項目（無編號）；天津仁愛學院2023年教育教學改革研究重點項目“民辦高校工程類專業國際化人才選拔與培養機制探索”（JGZ2302）

第一作者簡介：李亮（1981-），男，漢族，河北張家口人，博士，副教授。研究方向為力學與振動研究及教學。

結構力學是以培養建筑及道路橋梁等工程建設技術者為主的土木工程專業必修專業基礎課程，應該受到高度關注與重視[1]。該課程一般在大學二年級開始開設，包含結構力學1及結構力學2。在修習結構力學之前，學生需要修完理論力學、材料力學，為學習桿件體系的力學知識奠定必要基礎。

物理力學是進行力學課程學習的前提，如果對于物理力學掌握程度不牢靠，力學課程的學習將會變得十分困難。隨著大學擴招及招生形式的多樣化發展，對力學學習必需的相關基礎知識并沒有完全理解的學生數量眾多。尤其針對專升本學生而言，甚至存在完全沒有接觸過力學相關基礎知識的情況。

在新工科專業建設背景下[2]，針對土木工程專業學生對于結構力學理解程度的現狀和課題進行論述，結合日本高校結構力學的教學現狀及解決方法，就土木工程專業結構力學課程的教育方法的改善提出觀點。

一? 力學教育存在的問題

傳統力學教育最大的問題在于課程吸引力的低下，課程趣味性建設不足[3]。通過面向學生的問卷調查顯示，約三分之一的學生對于結構力學持有“厭學”態度。大部分學生反饋由于結構力學課程教學內容難以理解，失去了學習的興趣。而在力學教育中，印象化概念的理解非常重要。對于看不到的“力”，通過對于現象狀態的印象化想象是理解力學的重要手段。如果對力學課程失去興趣，那么想象之門即會關閉，教育效果很難實現。為了達到能夠集中注意力理解概念、觀察現象，需要將印象化概念與現實狀態進行對比。因此，有必要在力學教育中培養學生針對力學現象的印象化能力，提高力學教育的魅力及對學生的吸引力。而結構力學教材普遍存在內容繁雜、數字化計算偏多的問題，與工程實踐結合不緊密，導致難以引導學生通過印象化達到融會貫通的目的。

日本近幾年開發了很多教學性與趣味性相結合的教材，一部分教學內容也被國內高校所采用。如圖1所示教材內容，日本開發了通過加入漫畫內容及編制系列漫畫故事的方法將結構力學知識點融入其中，或者通過大量圖畫及故事化案例達到解釋力學現象的目的。圖1（a）為日本某高校開發的圖解結構力學。將力學知識在圖畫中很直觀地表現出來。圖1（b）為彰國社編制的漫畫結構力學。將力學貫穿于主人公的工作及生活中，讓力學離得近，摸得著。隨著日本教育部在教育領域推行ICT技術，在教學過程中研發了很多電子設備及軟件輔助力學知識的學習及吸收[4]。

在土木工程專業中，專業課程的學習需要較好理解“力”與“變形”的概念。由于“力”的不可視，需要結合實驗或實習來鞏固和深化對于力學知識的理解。而在實際教學過程中，由于課時壓縮等問題，難以單獨設置針對力學教育的實驗。橫內等在教學過程中研發桌上實驗及配套輔助教材，調查表明，通過學生參與實驗，可以提高學生對于“力”與“變形”的理解程度，同時極大挖掘學生的學習自主性，改善學生對力學課程的好感度。日本金沢工業大學通過實施完成力學作品課題來提高學生對結構力學的理解及重視程度。吳瑤[5]通過思維干預的方法，從心理學角度開展結構力學課程的教學方法優化，提升學生對該課程學習的積極性和主動性。鄭玉國[6]通過在教學過程中融入中華民族的精神力量來提高結構力學的教學質量，從根本上改變結構力學的教學效果。汪大洋等[7]針對當代大學生自我控制力低，獨立解決問題弱的特點，提出了“全流程跟蹤教學法”，在實踐教學中應用的結果表明該教學法成效顯著，能夠達到課堂教學互動性強、學生積極性高的目的。

力學的本質在于力作用在物體時產生的現象利用數學工具進行表述，也就是將物理問題轉化為數理問題。因此，數學基礎在力學教育中不可缺少。各大學具有各自獨特特征，入學學生的基礎能力千差萬別，力學教育需要針對授課學生的特征進行安排。如果學生對于理科知識理解能力較弱，數學基礎知識偏差，對結構力學的學習將越來越困難。將來土木工程專業學生將擔負結構設計或建筑施工等結構安全性工作，該狀況的持續可能會導致從事本專業的技術人員人手不足及專業技術水平低下的問題。在土木工程專業，改善結構力學的教學質量是關乎提高學生對于構造領域的理解、興趣及關心的重要課題。本文基于當代大學生的特色及結構力學課程特點，對比分析國內與日本高校結構力學教學的現狀與課題，并提出解決方法以供借鑒。

二? 結構力學的教學內容

結構力學的教育不僅僅為橋梁、隧道等大型結構的設計及施工做知識儲備，腳手架及設備支架等一般結構也需要用到力學知識。結構力學的學習以保證結構能夠安全、經濟、迅速地完成工程建設為目的。結構力學具體教學內容的切入點體現在以簡支梁橋為簡化模型，如圖2（a）所示簡支梁求解案例，教學目標是能夠求解兩端支座反力及桿件內力。圖2（b）為桁架結構體系。需要在能夠完全掌握梁的內力計算的基礎上才能夠進行求解計算。因此，結構力學的教學內容環環相扣，如果有某一知識點不能夠完全掌握，后續知識點的學習將會受到很大影響。

為完成圖2所示的教學目標，需要進行力的合成計算。

水平方向力的合成為ΣFx=0；豎直方向力的合成為ΣFy=0；任意點力矩合成為ΣMi=0。

根據以上力的合成可以求得支座反力R1、R2、R3。然后，利用截面法可以求得圖2（a）中由A端向右任意距離截面位置的軸力、彎矩、剪力。

在上述簡支梁的求解過程中，如果沒有學習物理力學概念，則對彎矩（力的大小×距離）缺乏概念性的理解。依據日本的調查結果顯示，在大學二年級，約30%的學生并沒有學習過物理的力學知識。而在中國，土木工程專業的學生在學習結構力學前，大部分學習過理論力學及材料力學，但是由于基礎的力學課程掌握程度不高，或者專接本及部分轉專業學生并沒有學習基礎力學知識，導致結構力學教學在導入階段存在很大的難度。在授課過程中，大部分學生反饋接受難度較大，理解不到位，以致影響后續專業課程的學習。

結構力學課程中的桁架結構體系的求解需利用三角函數關系，對水平及豎向進行分解，如圖2（b）所示。但是，如果對于三角函數理解不深刻，導致在結構力學教學過程中對桁架結構體系難以下手的學生普遍存在。

結構力學課程的教學內容繁雜，具有內容多、方法多、內在聯系多的特點[8]。如果在靜定結構部分對簡支梁、多跨連續梁、拱橋、桁架及剛架結構體系的內力求解掌握不扎實，超靜定部分的學習將寸步難行。在往年的教學過程中，許多學生在結束靜定結構的學習以后已經主觀放棄結構力學的學習，以期通過補考甚至重修來完成學業。究其原因，普遍認為大學時代應該掌握的物理力學及基礎數學知識欠缺，導致最基本的簡支、懸臂、伸臂體系理解不清，稍微復雜的結構體系更是無從下手。

三? 結構力學的教學質量分析

（一）? 實際教學案例分析

分析歷年結構力學的教學安排及學生學習情況，剖析該課程教學的難點及改進方法。結構力學1的教學課時為64學時，一共進行32次理論教學。在教學過程中幾乎每次課程完成后布置課后作業，通過課堂講解、例題解析及課后習題的方式以期達到融會貫通的目的。考試成績包括平時及期末卷面成績部分，各占40%和60%。平時成績主要考核學生課堂出勤率和平時作業完成程度，在評價作業正確率的過程中，主要側重于學生對該課程所持有的學習態度考核。

由于該課程為土木工程專業的專業必修基礎課程，每年選修的學生人數眾多，給課程教學帶來很大壓力。圖3為結構力學1的期末考試得分分布情況。2021年有101名學生選修該課程，依據期末考試結果顯示，卷面成績60分以下的不及格人數占總人數的78.22%，60～70分占13.86%，70～80分占4.95%，80分以上共3人，占總人數的2.97%。卷面成績的平均分為45.54分，標準差達到18.67。造成卷面成績普遍偏低，不及格人數較多的原因有教學方式偏傳統、試題計算內容偏多等，但是，究其主要原因為基礎知識掌握不牢靠導致的部分學生對該課程學習興趣的喪失。而結合平時成績進行綜合評價，不及格人數降低至50%左右。而且，平時成績考核中缺勤次數較多或平時作業完成不認真的學生，90%以上綜合成績評價結果為不及格。因此，可以判定學生對該課程的學習態度及認知程度對教學質量影響較大，該問題在其他研究成果中也被提及[9]。

由于該課程是土木工程專業必修課程，關系到學生畢業問題，在往年重修及大四學生的教學指導過程中發現，該類學生對待課程相對認真，并且基本能夠通過短時間集中復習通過考試測試。另外，在專升本班級進行結構力學1的教學中發現，雖然專升本學生相對基礎力學較弱，而且前期選修科目種類不一，但是在授課過程中學生的學習態度良好，滿勤率較高，在同年的期末測試中及格率達到90%以上。因此，學生對于自我學業規劃和學習態度對該課程的教學效果影響較大。由于專升本學生在進入大學教育以后，大多數學生為自己樹立更遠大目標，所以學習自主性較好。

（二）? 日本某高校結構力學1教學效果對比

結構力學課程的教學質量問題一直是日本工學教育的難題。在日本廣島工業大學2014年針對本專業87名選修生的學習調查中顯示，40%的學生期末測試成績不及格，圖4為期末考試得分分布。對比圖3和圖4可以得出，結構力學教學效果整體不理想，不及格學生占比過高。另外，期末成績得分大致呈山型分布，40～60分之間的學生相對較多，可以推測在課程結束時，對課程理解程度處于似懂非懂的學生較多，需要再下一定功夫以達到對課程基本理解的程度。而完全不理解與掌握程度極好的學生占比普遍較低。

對比國內與日本的結構力學1課程的教學效果可以推測，導致上述得分分布情況的原因有學生在大學入學前及入學后的努力程度差異等，針對學生入學時多樣性特征及入學后的不同努力程度及職業規劃，在采用同樣的授課方式時需要考慮如何保證教學效果并采用合理的教學方法。并且，與教學內容相比，在授課過程中更應該重視如何提高學生的積極性及樹立學生對于結構力學課程的學習信心。

四? 教學課題及改善方法

根據結構力學課程的教學方法及教學效果的研究結果發現，數學和物理等基礎科目與土木工程專業課程的連續及銜接存在很大難點。大學教育需要考慮入學時基礎知識偏弱學生對于專業知識的吸收能力，培養對社會有用的專業人才。

綜上所述，結構力學教學存在很多需要改善的地方，在教學過程中需要教師與學生共同努力。通過調研及對比分析，可以通過以下方法提高結構力學的教學質量。

第一，明確教學及育人目標，向學生傳遞結構力學對于專業甚至社會發展的重要性，改善學生的厭學心理。

第二，充分理解學生在高中接受不同教育的差異，認識學生在物理、數學等基礎知識中的差別，在授課中關注基本知識點的講解，提高專業基礎能力。

第三，以學生為中心[11]，解放學生的雙手，讓學生努力通過自我認知解決課題。另外，可將同樣的課題作為作業，提高學生的成就感。

第四，提高學生的緊張度與責任感，改變學生對于教師負責講授的觀點，讓學生作為主體參與教學活動。

為改善結構力學教學方法，提高教學質量，教師需要時刻保持誠意及熱心，同時也要向學生傳遞專業態度，必然能達到教書育人的目的。

參考文獻：

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