面向力學專業(yè)的結(jié)構(gòu)力學課程建設(shè)探索

摘? 要：根據(jù)結(jié)構(gòu)力學的課程特征，該文在結(jié)構(gòu)力學課程教學中將傳統(tǒng)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(chǔ)知識、培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)；從工程事故案例中引發(fā)思考，運用所學知識分析事故原因，認識學習結(jié)構(gòu)力學的重要性。同時結(jié)合蘭州大學力學專業(yè)的特色和定位，采取課堂教學與課后自學相結(jié)合、線上教學和線下教學相結(jié)合、統(tǒng)一性和差異性相結(jié)合的教學模式，對結(jié)構(gòu)力學課程從教學內(nèi)容和授課方式方面進行課程建設(shè)探索，以期提升結(jié)構(gòu)力學教學效果及教學質(zhì)量，以立德樹人為導(dǎo)向，為新時代的高等教育添磚加瓦。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學；力學專業(yè)；教學內(nèi)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(shù)學武裝工程科學[1]。力學專業(yè)的學生不僅需要具備扎實的數(shù)學基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)力學是研究工程結(jié)構(gòu)的學科，旨在通過嚴謹?shù)臄?shù)學方法和思維，將工程問題轉(zhuǎn)化為力學模型，以期解決實際問題。結(jié)構(gòu)力學課程在力學專業(yè)中起到了鏈接基礎(chǔ)學科和應(yīng)用學科的重要紐帶作用[4]。通過結(jié)構(gòu)力學課程的學習，能夠幫助力學專業(yè)學生提高結(jié)構(gòu)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(xù)的課程學習、科學研究和工作奠定堅實的能力基礎(chǔ)。

一? 力學專業(yè)學生結(jié)構(gòu)力學課程現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)力學是固體力學的一個分支，以桿件結(jié)構(gòu)為主要研究對象，根據(jù)力學原理研究工程結(jié)構(gòu)在外力和其他因素作用下的內(nèi)力、位移、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題[5]。結(jié)構(gòu)力學課程內(nèi)容環(huán)環(huán)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(yè)的學生，面向力學專業(yè)學生的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)力學課程在土木工程專業(yè)的學時為90，而在理論與應(yīng)用力學專業(yè)的學時為54），且缺少必要的工程實踐環(huán)節(jié)，外加未來就業(yè)方向的反向影響[7]，導(dǎo)致力學專業(yè)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(yǎng)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(jié)構(gòu)力學等專業(yè)課的課時被大幅壓減[8]。為完成教學任務(wù)，結(jié)構(gòu)力學課程建設(shè)大都傾向于優(yōu)先完成經(jīng)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(xiàn)象。然而從力學專業(yè)學生的教學培養(yǎng)計劃、專業(yè)課程安排和未來就業(yè)情況來看，結(jié)構(gòu)力學課程的學習是力學專業(yè)學生培養(yǎng)工程思維的最佳窗口，旨為完成教學任務(wù)的應(yīng)試教育明顯無法完成這個使命。

從課程內(nèi)容來看，結(jié)構(gòu)力學的教學內(nèi)容涵蓋不同類型結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)成、受力分析及變形分析，部分理論比較抽象，涉及繁冗的數(shù)學推導(dǎo)。在分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力時需要理論力學作基礎(chǔ)，在計算結(jié)構(gòu)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(shù)學工具，因此學好這門課程，學生必須能夠?qū)⒏叩葦?shù)學、理論力學、材料力學等理論性強的基礎(chǔ)課程融會貫通[9]。所以，夯實數(shù)理基礎(chǔ)是力學專業(yè)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(tǒng)培養(yǎng)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(jié)構(gòu)力學整體難度高且學習枯燥的課程特點，勢必會導(dǎo)致學生產(chǎn)生強烈的畏難情緒，出現(xiàn)厭學、怕學的心態(tài)。對于學生來講，假如失去了興趣這個最好的老師，結(jié)構(gòu)力學課程學習效果必定會大打折扣，甚至會對后續(xù)的專業(yè)課程學習產(chǎn)生影響，出現(xiàn)“多米諾骨牌式的塌方”[10]。而且從近些年來看，力學專業(yè)學生職業(yè)選擇大都傾向于科研崗位和教學崗位，這就導(dǎo)致一些學生片面認為自己較工科學生對結(jié)構(gòu)力學知識的運用率低，忽視了結(jié)構(gòu)力學在力學專業(yè)中的地位作用，主觀上降低了結(jié)構(gòu)力學的重要性，課程學習滿足于應(yīng)對考試，不夠端正的學習態(tài)度勢必對課程知識綜合掌握水平產(chǎn)生影響。

從教學任務(wù)來看，新時代高等教育的根本任務(wù)是立德樹人，結(jié)構(gòu)力學作為力學專業(yè)的一門重要課程，不僅專業(yè)性、理論性非常強，而且具有與實際聯(lián)系緊密的應(yīng)用型特點，所以結(jié)構(gòu)力學課程建設(shè)不僅要落實在傳道授業(yè)解惑的“樹人”責任的基礎(chǔ)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(dǎo)于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，做到專業(yè)課與思政課同頻共振、相互促進、協(xié)同育人。

針對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)力學課程進行了教學改革，實現(xiàn)了教師的角色轉(zhuǎn)換，激發(fā)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(fā)展，不同專業(yè)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(yè)學生的結(jié)構(gòu)力學課程建設(shè)，亟需結(jié)合力學專業(yè)學生特點，從教學內(nèi)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(yǎng)理論功底好、應(yīng)用能力強、道德品行端的力學專業(yè)學生，適應(yīng)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(yè)的結(jié)構(gòu)力學課程建設(shè)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(shè)者和接班人，必須樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，把實現(xiàn)個人價值同黨和國家前途命運緊緊聯(lián)系在一起[17]。本次課程探索將在傳統(tǒng)教學的基礎(chǔ)上，著力構(gòu)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(nèi)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(lián)起來，將創(chuàng)新精神的培育和工程思維能力的培養(yǎng)融合其中，在激發(fā)學生學習興趣、提高學習效果的同時，培養(yǎng)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(shè)發(fā)揮積極作用。

（一）? 教學內(nèi)容的改革

1? 從傳統(tǒng)建筑文化中汲取智慧，夯實理論基礎(chǔ)

中國古代建筑是中國傳統(tǒng)文化的重要組成部分，是先輩留下的豐富多彩的建筑遺產(chǎn)，歷經(jīng)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(jié)構(gòu)體系的中國古代建筑就是傳授結(jié)構(gòu)力學知識和弘揚中國傳統(tǒng)文化的最好結(jié)合點。在講授結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)時，通過介紹趙州橋的歷史沿革和歷次修繕情況，解析拱結(jié)構(gòu)的基本組成、受力特點以及合理拱軸線設(shè)計等；在講授對稱結(jié)構(gòu)時，以故宮、木塔、天壇等為例，分析對稱結(jié)構(gòu)的變形、受力特征，總結(jié)該類結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(nèi)容，讓學生了解錢塘江大橋的建橋背景、結(jié)構(gòu)特點、所承載的歷史文化。以傳統(tǒng)建筑為載體解析基礎(chǔ)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(gòu)建知識框架，實現(xiàn)專業(yè)知識教學目標；又能讓學生領(lǐng)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(xiàn)代建筑成就中感受魅力，培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)

社會在發(fā)展，科技在不斷創(chuàng)新，許多新型基建拔地而起，巍然屹立的背后是現(xiàn)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(yī)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(xiàn)代建筑的發(fā)展水平與速度，展現(xiàn)著結(jié)構(gòu)工程的魅力與光輝。關(guān)于其結(jié)構(gòu)分類、計算簡圖的合理選取、幾何構(gòu)造分析、變形及受力分析、荷載作用下的位移計算及穩(wěn)定性分析等問題都屬于結(jié)構(gòu)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(dǎo)學生解構(gòu)工程設(shè)計、剖析結(jié)構(gòu)組成、構(gòu)建力學模型，培養(yǎng)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(zhí)著于專業(yè)領(lǐng)域，勇于探索、積極創(chuàng)新，不斷推進建筑行業(yè)向更高效、舒適、便利、環(huán)保的方向發(fā)展，以實際行動爭做新時代中國奮起發(fā)展的踐行者和開拓者。

3? 從工程事故案例中引發(fā)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(jié)果。江蘇省無錫市高架橋橋面?zhèn)确?、福建省泉州市酒店樓體坍塌、河南省某廣播電視發(fā)射塔倒塌及廣西玉林市5層樓承重墻被敲穿導(dǎo)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(jīng)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(shè)計錯誤或設(shè)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(dǎo)致。從力學角度分析事故原因，可以發(fā)現(xiàn)一些事故的成因與結(jié)構(gòu)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(jīng)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(wěn)，最終導(dǎo)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(dǎo)學生運用所學知識分析事故原因、總結(jié)事故教訓，幫助學生認識到學習結(jié)構(gòu)力學的重要性、培養(yǎng)工程思維能力的必要性、保持嚴謹科學態(tài)度的關(guān)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(jié)合

結(jié)構(gòu)力學課程在蘭州大學理論與應(yīng)用力學專業(yè)的教學計劃中設(shè)置為3學分（54學時），教學大綱共有八章，包含緒論、結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造分析、靜定結(jié)構(gòu)受力分析、影響線、靜定結(jié)構(gòu)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(nèi)容多與課時少”的矛盾，可行的探索方向應(yīng)是對教學內(nèi)容的合理取舍與整合。教師必須合理規(guī)劃每堂課的知識點，選取極有價值的重點、難點內(nèi)容，圍繞關(guān)鍵性問題進行精講，達到教學目標。例如，在講幾何構(gòu)造的鉸結(jié)三角形規(guī)律時，雖然規(guī)律本身是簡單淺顯的，但規(guī)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(jié)構(gòu)的剛片選取及聯(lián)結(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)規(guī)律，從而培養(yǎng)學生用力法解超靜定結(jié)構(gòu)的靈活性與創(chuàng)新性。當然，在54學時內(nèi)詳細講解所有內(nèi)容是不現(xiàn)實的，也是不必要的。除了課堂精講內(nèi)容外，按照由淺入深循序漸進原則，明確部分章節(jié)的部分內(nèi)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(nèi)容的課程教學目標不高，但是需要學生對這部分內(nèi)容有所了解。教師可以引導(dǎo)學生在前序內(nèi)容的基礎(chǔ)上自學這部分內(nèi)容，從而逐步培養(yǎng)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(yè)和考試測試方法，幫助學生檢驗學習效果、發(fā)現(xiàn)存在問題、優(yōu)化自學方式。

2? 線上教學和線下教學相結(jié)合

疫情影響下，傳統(tǒng)的課堂教育受限，“互聯(lián)網(wǎng)+教學”已成為大勢所趨，線上教學已經(jīng)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(jù)學情進行實時管理與調(diào)整。為了保障線上教學效果，教師需要將“課前預(yù)習、課中學習、課后復(fù)習”結(jié)合起來。通過建立課程學習微信群或QQ群，引導(dǎo)學生課前預(yù)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(nèi)容來充實和豐富課堂教學，重組PPT內(nèi)容，強調(diào)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(zhuǎn)變?yōu)樾蜗髢?nèi)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(xiàn)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(dǎo)，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(nèi)容。圖1展示了筆者在疫情期間線上教學時，采用網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布課程安排、課后作業(yè)以及相關(guān)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(xié)助完成結(jié)構(gòu)力學的線上教學。

3? 教學模式的統(tǒng)一性和差異性相結(jié)合

通過課程授課方式的統(tǒng)一性與差異性保證學習效果。八章課程內(nèi)容，有的注重理論（如靜定結(jié)構(gòu)的受力分析），有的注重方法（如機動法繪制連續(xù)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(jié)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(jié)知識時，根據(jù)章節(jié)特點針對性采用啟發(fā)式引導(dǎo)、互動教學、問題驅(qū)動、類比學習等教學方法，以便將章節(jié)內(nèi)容講清析透，助力學生理解掌握。通過學生培育方法的統(tǒng)一性和差異性提升學習效果。學生基礎(chǔ)不同、態(tài)度不同，產(chǎn)生的學習效果就截然不同。高質(zhì)量開展課堂集中授課，同時，在課堂中給學生創(chuàng)設(shè)自主探究空間，引導(dǎo)學生體驗知識發(fā)生的過程，幫助學生理解每堂課的重點內(nèi)容，保證班級的整體學習水平。針對學生學習水平，設(shè)計靈活的、有難度層次的作業(yè)任務(wù)，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(dǎo)，個別化輔導(dǎo)，從而彌補班級授課制的缺陷，促進個體的充分發(fā)展。另外，遴選、鼓勵優(yōu)秀學生積極參加結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等實踐活動，引導(dǎo)其將課本中的知識靈活運用到專業(yè)相關(guān)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(yǎng)，同時培養(yǎng)科研思維能力、動手操作能力和團隊協(xié)作精神。

三? 結(jié)束語

力學專業(yè)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(shè)富強民主文明和諧美麗中國的優(yōu)質(zhì)力量。結(jié)構(gòu)力學作為助力培養(yǎng)力學專業(yè)學生工程思維的關(guān)鍵學科，課程設(shè)計必須緊跟新時代思想引領(lǐng)，以培養(yǎng)有擔當、有責任、有抱負的年輕一代為己任。本文從教學內(nèi)容和授課方式兩個方面探尋面向力學專業(yè)學生的結(jié)構(gòu)力學教學改革途徑，結(jié)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(yōu)化結(jié)構(gòu)力學的教學內(nèi)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(fā)展；同時立足國情和學情，將課堂重點教學與課后自學相結(jié)合、線上教學和線下教學相結(jié)合、教學模式的統(tǒng)一性和差異性相結(jié)合，助力力學學生提高綜合素養(yǎng)，進一步提升教學質(zhì)量。

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基金項目：機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室開放課題項目“石墨烯/PVDF復(fù)合材料力電特性理論研究”（SV2021-KF-08）；蘭州大學中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金“0-3型磁電復(fù)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(fù)合材料，電磁固體力學。