土木建筑專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學改革策略淺析

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摘要：文章首先分析了土木建筑專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學現(xiàn)狀，然后提出了土木建筑專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學改革策略，包括合理利用課堂教學和在線平臺，提高整體教學質(zhì)量；培養(yǎng)學生自主學習能力和實踐操作能力；改變傳統(tǒng)的教學模式和手段，強調(diào)引導、啟發(fā)、互動的多樣化教學。

關鍵詞：結(jié)構(gòu)力學教學；土木建筑專業(yè)；在線平臺結(jié)構(gòu)力學

作為土木建筑專業(yè)的專業(yè)必修課，是理論知識與工程實踐相結(jié)合所形成的一門基礎學科。該課程是理論力學與材料力學的延伸，是學習結(jié)構(gòu)設計、結(jié)構(gòu)抗震等其他專業(yè)課程的基礎，在教學中起著溝通理論知識和工程實踐的橋梁作用，其教學質(zhì)量決定了后續(xù)相關專業(yè)課程的教學效果[1]，并直接影響學生解決實際工程問題能力的培養(yǎng)，因此重要性不言而喻。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，土木建筑專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學改革應該落實細化在點滴操作上，加快改革步伐，將現(xiàn)實的教學障礙逐一打破，這樣才能滿足時代發(fā)展的需求[2]。

一、土木建筑專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)力學課程的內(nèi)容可分為兩個模塊[3]。第一個模塊為結(jié)構(gòu)靜力學部分，該部分內(nèi)容是后續(xù)課程的基礎，相對比較簡單，主要包括結(jié)構(gòu)幾何組成分析、剪力彎矩的計算與作圖、結(jié)構(gòu)的位移、力法位移法計算與作圖。結(jié)構(gòu)靜力學內(nèi)容一般采用循序漸進方式進行教學：首先讓學生對整個結(jié)構(gòu)的幾何狀態(tài)進行判斷分析，確定靜定與非靜定問題，然后學習各種簡單靜定結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力計算方法，并通過作圖的方式直觀體現(xiàn)出來，接著教學生怎么計算結(jié)構(gòu)的位移，最后在前面課程打好基礎的前提下，讓學生學習靜力學最難的部分———運用力法與位移法求解超靜定結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)靜力學部分主要研究工程結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的力學響應，目的是讓學生直觀了解工程結(jié)構(gòu)的變形特征，并以此引申出結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原理，這是結(jié)構(gòu)力學其他分支學科的基礎。第二個模塊為結(jié)構(gòu)動力學部分，該部分內(nèi)容與靜力學部分內(nèi)容相比較為深奧，主要包括單自由度和多自由度的自由振動、簡諧振動，相對比較抽象，所以學生理解和掌握該部分內(nèi)容比較困難。結(jié)構(gòu)動力學部分主要研究工程結(jié)構(gòu)對動載荷的力學響應及位移變形。通過近年來對多所高校土木建筑專業(yè)教學反饋意見的總結(jié)和對學生考試情況的統(tǒng)計分析，筆者發(fā)現(xiàn)當前結(jié)構(gòu)力學教學中普遍存在下列問題[4]。一是結(jié)構(gòu)力學課時嚴重被壓縮，不能滿足課程教學所需的最短課時。課程結(jié)束時，大部分學生基本上只學完了結(jié)構(gòu)靜力學部分內(nèi)容，對于動力學部分則只是淺嘗輒止，沒有進行全面徹底的學習，也就是說，結(jié)構(gòu)動力學部分內(nèi)容的學習都是大而化之。這不符合相應的培養(yǎng)計劃，會使學生難以在有限的課時內(nèi)掌握教學大綱要求的內(nèi)容。而且由于結(jié)構(gòu)力學邏輯性強，計算也比較復雜，學生需要一定的消化吸收時間，這樣很容易使學習進度與教學進度出現(xiàn)脫節(jié)。二是往往只進行課堂理論教學，缺乏與工程實踐的銜接。結(jié)構(gòu)力學是一門理論性、應用性很強的學科，其理論知識被廣泛應用于工程實踐。但課程教學基本在課堂上完成，缺乏實踐操作，這就導致學生在就業(yè)時會發(fā)現(xiàn)所學理論知識和工程實踐變成了兩條平行的軌道，相差甚遠，最終只是獲得了一個紙上談兵的“空”學歷。如此缺乏實踐操作的課堂教學與知識轉(zhuǎn)化為能力的要求不符，與社會發(fā)展對教學改革的需求不符。三是教學方式太過于傳統(tǒng)，未能迎合時代潮流。據(jù)了解，大部分學校最新的結(jié)構(gòu)力學培養(yǎng)方案基本沿襲了以往培養(yǎng)模式，即“教師課堂授課+布置課后作業(yè)+課堂出勤+實驗考核+期末考試”的模式，通過上述形式考核學生對知識點的掌握程度和學習情況。新冠肺炎疫情發(fā)生以來，課程主要采用網(wǎng)上授課方式，課上教師大多數(shù)是以視頻或圖片的形式講述知識點在工程中的應用。這導致接受能力及自律能力有限的學生只能被動地學習，疲于應付作業(yè)和考試。另外，現(xiàn)有培養(yǎng)方案是參照土木工程專業(yè)編制的，缺乏與交通工程專業(yè)及計算機軟件相結(jié)合的創(chuàng)新意識，未能體現(xiàn)發(fā)展交叉學科的學習優(yōu)勢，導致學生學習的目的性不強，不清楚學習結(jié)構(gòu)力學對自己有何用處，無法深入學習結(jié)構(gòu)力學。同時，教材未能體現(xiàn)專業(yè)特色，與土木工程等專業(yè)學生所用教材完全一致。在教學模式方面，結(jié)構(gòu)力學一直都以理論教學為主，教學方式較為單一。四是從結(jié)構(gòu)力學的教學內(nèi)容來看，欠缺復雜問題計算手段的深入探究。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學教學在方向上沒有太大問題，但是當采用結(jié)構(gòu)求解器等現(xiàn)代計算手段計算實際工程問題時，學生感受不到真實的計算過程，往往不理解結(jié)果是怎么實現(xiàn)的，會覺得土木建筑專業(yè)很“低端”。當然，學生不能忽視在簡化計算上的努力，如彎矩分配法等，但是更不能忽視近幾十年來計算手段的發(fā)展，正是由于計算手段的改進，才可以如此輕松地完成復雜問題的求解。因此，結(jié)構(gòu)力學課程教學應該把現(xiàn)代計算手段融入進來，讓學生知道工程復雜結(jié)構(gòu)問題求解到底是怎么實現(xiàn)的，這是課程教學內(nèi)容的需要，是結(jié)構(gòu)力學課程改革的需要，也是完善本科人才培養(yǎng)的需要。目前，大部分高校土木建筑專業(yè)結(jié)構(gòu)力學改革[5]都會面臨以上問題。我國正處于快速發(fā)展階段，培養(yǎng)人才的重任主要落在各大高校身上。高校培養(yǎng)的人才主要分為應用型人才和研究型人才兩種。其中，應用型人才的培養(yǎng)主要側(cè)重于教會學生如何“用”。學生畢業(yè)后大部分從事基礎建設行業(yè)，在建筑、橋梁和巖土等工程領域及相應的設計院、施工單位和知名企業(yè)等單位工作，為祖國建設交通強國奉獻自己的力量，是土木工程行業(yè)的中堅力量。而研究型人才的培養(yǎng)主要側(cè)重于告訴學生“為什么是這樣”。學生畢業(yè)后有相當一部分會進入高校、研究所和企業(yè)研發(fā)部門等單位工作，主要從事學術研究、技術創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)等創(chuàng)造性工作，是創(chuàng)新型人才。目前，在土木建筑專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學中存在如下問題：課程教學課時不足以支撐教學內(nèi)容需求，致使學生理論基礎不夠牢固；理論教學缺乏與工程實踐的結(jié)合，阻礙了學生把理論知識應用于工程實踐的能力的培養(yǎng)，嚴重制約了應用型人才的培養(yǎng)；課程教學方式單一，與先進計算手段發(fā)展相脫節(jié)；等等。在新的歷史發(fā)展階段，為了培養(yǎng)國家需要的多層次、多類別高素質(zhì)專業(yè)技術人才，以上結(jié)構(gòu)力學教學中存在的問題都亟待解決，結(jié)構(gòu)力學教學改革迫在眉睫。

二、土木建筑專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學改革策略

為深入實施人才強國戰(zhàn)略，并為國家人才強國建設培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)技術人才，解決結(jié)構(gòu)力學教學中存在的普遍問題，本文提出了三種用于土木建筑專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學改革的可行性策略。

（一）合理利用課堂教學和在線平臺，提高整體教學質(zhì)量

對于結(jié)構(gòu)力學教學，教師可以根據(jù)學生的上課狀態(tài)和線下作業(yè)反饋情況，有的放矢地調(diào)整教學內(nèi)容，同時要借助在線平臺，提高教學質(zhì)量。結(jié)構(gòu)力學主要分為兩個模塊：靜力學和動力學。結(jié)構(gòu)靜力學部分主要包括體系的幾何組成分析、靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計算、影響線、力法、位移法等。教師首先應該重視課程中的基本概念、原理和方法，同時突出重點，有所取舍，不斷歸納總結(jié)解決問題的方法思路?，F(xiàn)在已進入“互聯(lián)網(wǎng)+”時代[6]，課程教學也應該緊跟時代步伐，積極開發(fā)利用線上平臺，如開發(fā)結(jié)構(gòu)力學微信小程序，讓學生可以通過小程序動態(tài)練習繪制靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖，計算桁架的內(nèi)力，劃分位移法和力法中的半結(jié)構(gòu)等，這樣既能提高學生對結(jié)構(gòu)力學課程學習的積極性和參與度，也能鞏固學生在課堂所學的內(nèi)容，讓學生的知識學習體系形成閉環(huán)。結(jié)構(gòu)動力學是結(jié)構(gòu)靜力學的延伸且比較抽象，這阻礙了學生對新知識的接受。隨著科學技術的發(fā)展，多媒體授課打破了以往課堂教學只有黑板和教材的局面。多媒體授課可以做到圖文并茂、視頻解說，能刺激學生視覺和聽覺，把學生的積極性和興趣調(diào)動起來，提高授課質(zhì)量。例如，多自由度有阻尼振動問題比較抽象難懂，對此，教師可以借助多媒體解說大量工程實踐圖片，使這一問題變得直觀形象，再組織學生分組討論，從而加深學生對該問題的認識，進而提煉其中蘊含的理論知識。在課堂教學時間有限的情況下，如何通過“互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”進行教改突圍，提高教學質(zhì)量，是學校和教育管理者需要思考的問題[7]。學校和教師可以借鑒已有的線上線下教育模式經(jīng)驗，根據(jù)不同專業(yè)特點，搭建基于PC端網(wǎng)頁、手機端APP的在線教育應用框架，在更加熟練地應用在線學習工具的基礎上，提高學生接受知識的能力，使其合理利用有限時間，提高學習效率。教師平時主要以課堂授課為主，同時在線上引進明星教師的網(wǎng)課等優(yōu)質(zhì)資源供學生補充學習。借助線上學習平臺，構(gòu)建更加完善的數(shù)據(jù)反饋機制，能有效提高教學質(zhì)量。教師可以通過采集學生學習進程數(shù)據(jù)和錯題統(tǒng)計分析，結(jié)合線上答疑情況，切實掌握學生總體學習情況；也可以借助后臺數(shù)據(jù)全方位展現(xiàn)學生個體知識掌握情況，因材施教。

（二）培養(yǎng)學生自主學習能力和實踐操作能力

教師除了講解結(jié)構(gòu)力學基本知識，也可以向?qū)W生傳輸結(jié)構(gòu)力學前沿知識，為以往枯燥的結(jié)構(gòu)力學授課注入活力，充分調(diào)動學生的好奇心和學習積極性，使理論知識和工程實踐這兩個原本并行的軌道合二為一，在實踐教學中提高教學質(zhì)量，同時還要對陳舊的教學內(nèi)容進行更新?lián)Q代，使其與社會發(fā)展接軌，滿足國家高素質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)需求。目前，主要應用結(jié)構(gòu)力學理論知識解決實際復雜工程問題的結(jié)構(gòu)設計工作都是通過計算機來完成的。對于結(jié)構(gòu)設計采用的矩陣位移法，教師可以通過對計算程序的講解，使學生理解問題求解的過程，轉(zhuǎn)抽象為具體。同時，教師可以向?qū)W生介紹現(xiàn)今應用較廣泛的結(jié)構(gòu)設計軟件PKPM[8]及大型有限元分析軟件ANSYS[9]，培養(yǎng)學生把教材中的例子及工程問題轉(zhuǎn)化為計算機分析模型的能力。學生在編寫程序、使用結(jié)構(gòu)力學相關軟件的過程中，能加強自主學習能力的培養(yǎng)，同時也能加深對結(jié)構(gòu)力學理論知識的理解，這有助于提高學生解決實際工程問題的能力，為其將來參加工作奠定扎實基礎。對于動手實踐能力的培養(yǎng)，高校也可以通過舉辦力學建模大賽，讓學生結(jié)合所學的理論知識和各種常見的土木工程材料，自己動手創(chuàng)作一個設計感強又符合力學原理的模型來實現(xiàn)。力學建模力求反映力學問題的科學性、趣味性與實踐性?；顒又亻_闊學生的視野，培養(yǎng)其透過現(xiàn)象看本質(zhì)的本領，并提升其將理論知識綜合應用于實踐的能力。因此，教師只有將理論和實踐有效結(jié)合起來，才能相得益彰，收到事半功倍的效果，教學質(zhì)量才會更佳。

（三）改變傳統(tǒng)的教學模式和手段，強調(diào)引導、啟發(fā)、互動的多樣化教學

隨著中國大學MOOC[10]及智慧樹等的普及，網(wǎng)絡上有太多的精品和優(yōu)質(zhì)課程資源，基于此，教師也要與時俱進地提高自己，學習這些優(yōu)質(zhì)資源里面的教學理念，進行教學模式與思想革新。第一，加強學習輔導，注重課后答疑。課后答疑是教學中的重要一環(huán)。結(jié)構(gòu)力學課程中，學生人數(shù)相對較多，且對知識的掌握程度參差不齊，對此教師可以采用課后輔導的方式，幫助基礎薄弱、對新知識接受能力較差的學生進行知識鞏固。教師可以一周可以開設一節(jié)輔導課，把學生集中在一起，安排學習輔導，消除本周的疑慮與難點，從而方便學生后續(xù)的學習。答疑也是拉近師生關系的重要一步，基于此，教師可以很好地了解學生平時學習、課后作業(yè)完成的情況，還可以收集學生對課程教學的意見和要求，總結(jié)、發(fā)現(xiàn)普遍存在的問題，同時反思課堂教學的不足，進而不斷改進教學工作。第二，樹立多變幽默的講課風格，突出個性。教師應運用風趣幽默的語言進行課堂教學，做到特色教學。例如，講到結(jié)構(gòu)分析中的附屬結(jié)構(gòu)時，教師可以用樹干形容多跨靜定梁的基本機構(gòu)，用樹枝形容附屬結(jié)構(gòu)，這樣一來，多跨靜定梁的基本部分和附屬部分的受力關系就一目了然了，這種講課風格既活躍了氣氛，又使得枯燥的結(jié)構(gòu)力學課堂多了幾分生氣。第三，當前教育必須適應新的改革模式，對教學評價體系進行變革。教師應借鑒相關的教育改革經(jīng)驗，根據(jù)本校的實際情況對已有的教育評價體系進行改革或優(yōu)化。對于傳統(tǒng)的教學考核模式“教師課堂授課+布置課后作業(yè)+課堂出勤+實驗考核+期末考試”，教師應該對其進行改良，增添一些新的且具有區(qū)分度的考核方法，如采用分組交叉考核，考核內(nèi)容分為口語加筆試。以學生為主體，以學情分析為主要目標，可以把教學評價過程初步劃分為以下環(huán)節(jié)：預教學測試、考試評估、數(shù)據(jù)剖析、質(zhì)量改進和融合實踐。在學校的支持協(xié)助下，教師應把這種評估模式落實到每一個學科及每一個學生個體上，為學生綜合素質(zhì)的提升提供依據(jù)和保障。在基于學習過程數(shù)據(jù)進行學情分析的同時，學?？梢越梃b“雙師同步教學”，搭建雙師教育平臺，鼓勵優(yōu)秀教師、骨干教師通過網(wǎng)絡對其他區(qū)域?qū)W生進行指導，促使本地學生都能享受優(yōu)秀教師的精準輔導，驅(qū)動優(yōu)勢教育資源、服務流轉(zhuǎn)。

三、結(jié)語

土木建筑專業(yè)結(jié)構(gòu)力學是一門重要的技術基礎課程，對其進行教學改革時，教師所有的思考與建議都要基于一個共同的出發(fā)點，即為了培養(yǎng)出國家需要的多層次、多類別高素質(zhì)土木建筑專業(yè)技術人才。因此，在今后的教學工作中，教師只有明確培養(yǎng)目標，不斷改進教學方法，與時俱進地更新教學內(nèi)容，運用最新科技發(fā)展平臺，不斷提升自身能力本領，才能使培養(yǎng)出的學生肩負起時代賦予的重任。

作者:李浩 江聰 余昭剛 單位:華東交通大學土木建筑學院