新工科背景下高階課程閉環式教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2025）21-0154-04

Abstract：AsacorecourseintheRoadandBridge Engineeringspecialty，thecourseStructural Vibrationand Stability featuresstrongtheoreticalcomplexityandintricateknowledgearchitecture，makingtradtionalteachingparadigmsinadequatefor moderntalentcultivationrequirements.Toaddressprevalentpedagogicalchalengesincludingabruptknowledgeprogression， monotonousinstructionalapproaches，andinsuffcientpracticalempowerment，thisstudyestablishesathree-dimensional colaborativeeducationalframeworkintegrating\"knowledgeconstruction-competencycultivation-valueguidance\".Byiplementing gradient-smoothinginstructionalstrategies，inovatingcontentorganizationpaters，employingafour-stepclosed-loopguided teachingmethodology，andconstructingmultidimensionaleducationalresources，substantialimprovementshavebeenachievedin stuents‘knowledgemasteryandinnovativecapabilities.Thisreformmodelofersanexemplaryparadigmforenhancingadvanced engineering curricula.

Keywords：StructuralVibrationandStability；teachingreform；closed-looppedagogy；engineeringpractice；innovation capability

交通基礎設施作為經濟社會發展的主動脈和戰略性支撐，其現代化水平直接關系國家重大戰略實施效能I。近年來，我國橋梁建設呈現出跨越式發展態勢，行業對兼具理論創新能力和工程實踐智慧的復合型專業人才需求呈現指數級增長。特別值得關注的是，以港珠澳大橋（最長跨海大橋）常泰長江大橋（最大跨度公鐵兩用斜拉橋）為代表的超級工程集群，正在推動橋梁工程學科向“超長跨徑、輕型構造、柔性體系\"等方向突破性發展[3-4。這類長大橋梁由于具有非線性動力響應顯著、結構剛度薄弱敏感等技術特征，其動力學行為分析及失穩機理研究已成為制約工程安全的關鍵瓶頸問題5。在此新工科背景下，面向國際橋梁工程科技前沿和國家重大工程需求，為橋梁工程專業本科生開設相關課程，加深學生對于橋梁結構動力學和穩定理論問題的認識，對于實現橋梁工程高質量可持續發展尤為重要。

結構振動分析與結構穩定計算都屬于結構力學或結構分析的范疇，在以往的教學中一般都放在結構力學（下）課程中講授。近年來，隨著結構理論研究深入和工程技術的發展，結合國家重大工程建設需要，結構振動和穩定的重要性大大提升。因此，長安大學依托道路橋梁與渡河工程（橋梁方向）國家級一流專業，從自1998年起就為本科生開設結構振動與穩定課程，該課程作為橋梁工程專業的高階專業課程，涵蓋結構動力學與穩定性分析的核心內容，是培養學生解決復雜工程問題能力的關鍵課程環節。不同于研究生結構動力學結構穩定理論等課程著重理論推導和復雜計算，本科生的結構振動與穩定課程重在定性說明原理，闡述工程常見動力學與穩定問題背后的力學機制。

在傳統教學模式下，該課程存在階躍難度高、教學模式單一、理論聯系實踐不足等方面結構性矛盾。針對以上問題，課程團隊逐步探索出一套適應新時代要求的教學改革路徑。通過重構教學內容體系，采用微課形式引入“課程難度平順化”的教學策略，創新了教學內容組織模式，實施“案例切入一抽象問題一理論推導一實踐驗證\"的四步驟閉環引導式教學方法，建立了全鏈條立體化教學資源，優化了課程的評價體系，顯著提升了學生的知識掌握度與應用創新能力，為工科專業高階課程的教學改革提供了可借鑒的范式。

課程現狀與問題分析

（1） 課程定位與目標

結構振動與穩定定位為道路橋梁與渡河工程本科專業“構思一設計—實現一運作\"（CDIO）培養體系中的高階核心課程，面向已完成材料力學、結構力學等基礎課程學習的三年級本科生開設。本課程旨在通過系統性教學，培養學生解決復雜工程問題的能力，并為后續專業課程橋梁工程、橋梁抗抗風震等專業課奠定堅實的理論基礎。在當前橋梁工程向“長、大、輕、柔”方向發展的背景下，結構振動與穩定性問題已成為橋梁設計、施工與運維中的核心挑戰。因此，課程定位不僅在于傳授理論知識，更需通過理論與實踐深度融合，培養具有國際視野和創新能力的復合型工程技術人才。

（二） 教學痛點與挑戰

在本課程長期的教學實踐中，總結得到課程教學所面臨的問題有如下幾個方面：第一是課程知識密度、內容設置與學生認知規律匹配度不足，課程內容從前置的材料力學、結構力學等基礎課程直接躍升至結構動力學和穩定分析理論體系，學生需在短時間內掌握許多抽象概念，導致在課程學習初期學生存在一定的畏難情緒。第二是教學方法和教學手段相對單一，傳統\"教師講一學生聽\"的灌輸式教學占據主導，課堂互動僅停留于簡單問答層面。教學資源以紙質教材為主體，單一的資源供給模式無法滿足差異化學習需求。第三就是教學中引入重大工程實證案例較少，典型案例僅作為知識點補充而非貫穿主線，導致課程中許多抽象化概念難以具象化表征。

二 教學改革路徑與實施

（1） 重構課程目標

基于OBE教育理念對傳統課程目標進行系統性升級，突破原有單一維度知識傳授的局限，構建“知識構建一能力培養一價值引領”三維協同育人目標體系。在知識建構維度，聚焦結構動力學與穩定理論的核心知識圖譜，要求學生深入掌握單自由度/多自由度系統振動微分方程建立與求解方法、結構失穩臨界荷載計算原理等專業理論，系統理解振動特性與穩定極限狀態的物理本質及其數學表征模型。能力培養維度著力于工程問題導向的實踐能力塑造，通過典型案例分析與復雜工程問題求解，著重訓練學生從工程現象中提煉力學模型的抽象思維能力，培養其開展結構動力響應數值模擬、穩定性評估與參數敏感性分析的綜合實踐技能。價值引領維度將課程思政元素有機融入專業教學，依托“中國橋梁\"超級工程集群，引導學生深人理解重大基礎設施自主創新的戰略意義，著力培育兼具科學精神、工匠品格與社會責任感的一流本科人才。

（二） 教學內容體系更新

在結構振動理論教學內容上，緊緊圍繞頻率、振型和阻尼三個結構自振特性概念，從單自由度一多自由度一無限自由度多個層面闡釋自振特性的工程物理意義；在結構穩定理論教學內容上，以失穩臨界荷載和失穩形態為核心，深人討論穩定問題的分類、求解方法和工程應用。本課程的核心知識模塊見表1。

表1課程知識結構

課程團隊突破傳統線性教學模式，創新構建樹狀教學內容組織模式（圖1），形成“主干層一邏輯層一案例層”三級架構。課程團隊在教學過程中注重不同章節內容的對比和聯系，讓學生理解各自章節內容的動態演進關系和聯系；針對結構動力學與結構穩定理論兩塊教學內容，課程團隊從數理角度歸納了兩類問題的共同點一都是二階常微分方程的問題求解，讓學生從數學角度理解兩類不同工程問題在理論上的共同之處，體會到自然科學和工程技術之間的共通共融。

（三） 創新教學方法

1“四步驟閉環引導式\"教學法

課程團隊以工程問題為導向，構建“案例切入一抽象建模一理論推導一實踐驗證”四步驟閉環教學體系。以多自由度體系強迫振動教學為例，在“案例切入\"階段，通過虎門大橋渦振事件視頻分析與CFD仿真動態展示，引導學生從工程現象中理解強迫振動方程的物理意義；進入“抽象建模\"環節后，指導學生將實際振動問題轉化為多自由度系統微分方程的求解，強化數學工具與工程實踐的銜接；在“理論推導\"階段，解釋外荷載頻率與結構固有頻率關系對于結構振動響應的影響規律，讓學生通過理論計算認識到阻尼比對于強迫振動響應幅值的影響；最后通過“實踐驗證”環節，詳細向學生介紹虎門大橋的抑振措施，深刻理解改變結構固有頻率及阻尼頻率對于降低結構振動響應的機理。最終形成教學方法上的邏輯閉環，實現知識內化與能力提升的螺旋式上升。

對于課程中的一些核心概念，課程團隊通過自研教具、案例教學來加深學生認知。例如對于單自由度體系的自振特性求解，教學團隊自主研發了多參數可調式單自由度振動演示裝置，通過教具學生可以清楚地觀察到改變體系剛度、質量和約束對于自振頻率的影響規律，有效破解傳統教學中抽象概念具象化不足的難題。同時在課堂練習時將教具的力學參數給出，讓學生以實際問題為對象進行自振頻率的計算練習，然后要求學生將計算值和觀測值進行計算，分析誤差可能的來源，啟發學生建立工程模型簡化與實際情況的辯證認知。以實際問題為背景開展課堂練習，除了讓學生更好地掌握所學知識理論，也培養了學生獨立思考的能力、精益求精的工匠精神、實事求是的科學精神。

圖1樹狀教學內容組織模式

2“課程難度平順化\"策略

針對知識跨度陡增問題，課程團隊系統性構建“前置知識強化一核心內容分層一復雜案例重構”三維度梯度化教學策略，實現了對學生知識遷移能力培養的強化。在知識準備層面，借助線上資源開發微分方程求解、矩陣運算等高等數學和線性代數微課資源，幫助學生突破關鍵教學內容的數學壁壘；在核心教學內容上，采用分層推進的教學方法，以結構自振特性求解為例，采用簡支梁自由振動作為研究對象，通過“代數法求解單自由度自振頻率 $$ 矩陣運算求解多自由度振動模態參數 $$ 模態分解求解連續體系特征值問題”，幫助學生理解從離散系統到連續系統振動問題求解的全過程概念與方法；在案例教學方面，以課程教學內容為目的，將重大工程問題簡化為課程教學的抽象力學和數學模型，通過在課程教學案例中改變不同的初始參數，并讓學生討論初始條件的改變如何影響結構響應變化規律，以此解釋工程現象出現的原因并提出可能的解決策略。

（四） 建設立體化教學資源

課程教學團隊基于“虛實交融、多維協同\"的資源開發理念，按照“兩性一度\"要求[]，不斷完善線下和線上資源，建立了立體化的教學資源體系，打通理論教學與實踐應用的壁壘。建立了模塊化學習資源庫（電子教案、習題精講、工程案例庫等），覆蓋課程全部重要知識點；配合教材構建了圖片、動畫、視頻多模態的數字資源庫，并及時進行更新，同時課程集成了3項國省級虛擬仿真項目，合理融人移動車輛過橋、調諧質量阻尼器減振等動力學工程問題，強化理論向實踐遷移的能力。

（五） 改革評價機制

課程團隊建立“過程考核 + 期末考核 + 能力拓展”三維評價體系。過程考核聚焦學習全周期表現，重點檢測基礎概念掌握度。期末考核實行隨機抽題、教考分離、集體閱卷和試卷分析等完善制度和流程，在考察基本概念和理論的同時，會留有一定比例的開放性試題，重點測試學生的知識遷移與綜合應用能力。能力拓展機制鼓勵將所學知識應用于學科競賽或科研實踐，例如在課后訓練中結合研究前沿，將計算結構基頻的瑞利-里茲法用于沖擊損傷結構的動力特性預測中取得了滿意效果，相關成果發表于國際高水平期刊Mechanical system and signal processing 中。

三 改革成效與特色

課堂教學互動熱烈、學生積極參加討論。三個學期學生綜合考評成績優良率從 52.48% 提升至80.77% ，不及格率從 15.56% 降至0（圖2）。啟發引領作用顯著，學生創新成績斐然，通過將前沿科技與重大工程科技成果轉化為教育資源，學生創新能力顯著提升。指導學生參與的項自獲“互聯網 + ”、“挑戰杯”世橋賽和小橋杯等國家、省級競賽獎勵12項，夯實學生對本課程的知識理解。課程改革成效也逐步輻射到其他課程上，部分學生在畢業設計常規靜力驗算的基礎上，有機融人了橋梁動力特性分析、施工階段穩定性分析等內容，實現了本課程知識的遷移應用。教學團隊建設了包括國家級規劃教材、虛擬仿真教學平臺等教學資源，常態化組織本科生參觀科研平臺，依托超級工程，聯合行業龍頭單位，建立校企協同育人基地，建成了“課堂 ⁺ 實景 ^?+ 虛擬\"的全場景教學新模式。

圖2三個學期課程優良率和不及格率

四 結束語

結構振動與穩定課程改革系統構建了“目標重構一內容革新一方法創新一評價轉型\"四位一體的教學改革路徑，構建了“知識構建一能力培養一價值引領\"的三維協同育人目標體系，提出并實施了“課程難度平順化\"教學的策略，構建“三線并進\"教學模式，實施“四步驟閉環引導式\"教學方法，建立立體化教學資源，顯著提升了學生的知識掌握度與創新能力，有效破解了高階工程理論課程的教學難題，為新工科背景下高階專業課程建設提供了可復制的經驗。

隨著新一代信息技術和人工智能的快速發展，橋梁工程科技前沿不斷演變，本科生學習需求和發展路徑急劇轉變，這些都對本課程建設提出了新的要求。面向新形勢下科技進步、行業發展及學生自主化成長需求，首先要采用智能化技術助力教學模式創新，充分運用信息技術助力個性化學習和終身學習；同時要緊跟橋梁工程科技前沿，在本課程教學中積極借鑒引入前沿成果，在保持課程基本特色前提下不斷豐富優化課程內容;積極面向重大工程實踐。將重大工程項目和科技成果轉化為教育資源，構建工科本科教育新模式。最終，培養學生成為理想擔當、學習本領、工程素養和創新能力突出的專業人才。

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