“结构力学”课程“四维一体”教学体系探索

李娟

[摘 要] 建筑结构形式和规模的不断发展以及计算机技术的进步对结构力学的教学提出了新的要求。地方普通高校應结合自身特点和学生需求，因地制宜地对结构力学教学方式进行探索和改进。本文提出的结构力学课程“四维一体”教学体系在单一课堂讲授的基础上进行更多维度的拓展和融合，促使师生深度交流，使学生课上课下投入更多的学习时间和思考，进一步提高学生学习和运用知识解决实际工程问题的能力并获得更好的学习感受。

[关键词] “四维一体”教学体系;结构力学;教学组织方式

[基金项目] 2019年度内蒙古科技大学教育教学改革研究重点项目（JY2019015）

[作者简介] 李 娟（1983—），女，内蒙古科技大学讲师，主要从事有限元模拟以及预制装配式结构研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）23-0318-02    [收稿日期] 2020-03-19

一、普通高校结构力学课程教学存在的问题

结构力学是土木工程等专业的核心课程，在各门专业课程的学习中起着承上启下的作用。课程理论性强，课程内容具有很强的逻辑性和关联性，与工程实践密切相关。随着建筑结构形式和规模的不断发展以及计算机技术的进步，经典结构力学正在向着概念结构力学和计算结构力学方向发展，本领域对土木工程专业毕业生的综合分析能力及计算能力的要求日益提高。这就要求结构力学课程这样的专业核心课应向着高阶性、创新性和挑战度的方向建设和发展[1-2]。

然而，目前普通高校的结构力学教学常常存在以下问题。

（1）课程内容更多的是讲授计算方法，重理论轻实践、重计算轻应用，没能很好地培养学生运用力学知识驾驭计算分析软件、解决实际复杂工程问题的能力和思维。

（2）现有结构力学课程的教学方法是将众多概念和计算方法以全程纯讲授的注入式教学方式教授给学生，学生被动听讲易感枯燥无趣，无法体验出力学和实际工程问题的联系，缺乏一定的时代性和互动性，没有激发学生的学习积极性和探究热情。

（3）目前结构力学课程的考核方式单一，采用小比重平时成绩加大比重闭卷考试成绩的考核方式，仍是一考定成绩。平时成绩以学生出勤以及作业情况为依据，不能有效反映学生在学习过程中的真实情况并做到过程控制。虽然近年慕课、线上教学得到大力提倡和推广，但鉴于结构力学课程的特点，线下教学仍应是结构力学授课的主要手段。尤其在一些地方普通高校，学生的知识基础不够扎实，学习和接受能力较弱，学生对使用线上教学和纯多媒体教学的方式表现出不适应，认为以上教学方式的授课速度太快、互动性不强，学生在跟不上讲课节奏及进度的同时，又不能有效自我约束利用课下时间进行预习和复习。由于学生的特点不同，在很多一流大学成功应用的线上教学、混合式教学改革经验对于地方普通高校未必适用[3]。

二、结构力学课程“四维一体”教学体系的构架和目标

为了使结构力学课程教学组织具有先进性、时代性，促使师生深度交流，使学生课上课下投入更多的时间去学习和思考，使学生在学习过程中能够进一步提高自身学习和运用知识解决实际工程问题的能力并获得更好的学习感受，在原有的课堂讲授基础上，增加“工程实例引入及分析、计算软件学习及使用、模型设计制作及加载”三个部分，形成“四维一体”教学体系。该体系在单一课堂讲授的基础上进行更多维度的拓展和融合。通过该体系的建设，使结构力学课程在原有挑战度的基础上增加更多的高阶性、创新性。结构力学课程“四维一体”教学体系中四个主要组成部分之前的相互联系、作用以及该体系与学生的能力培养目标之间的关系，是相辅相成、密不可分的。

三、结构力学课程“四维一体”教学体系的实施方法

1.工程实例引入及分析。在课堂讲授过程中，针对重点概念和重点知识点引入工程实践案例，使学生能够将力学知识与实际工程问题联系起来。结合综合分析思考题的布置，使学生自己运用力学概念、力学原理对工程问题进行分析，体验用力学知识分析和解决实际工程问题的乐趣，拉近力学与学生的距离。通过在课堂上用力学知识分析一些工程事故案例，引导学生重视自身能力及责任心的培养，发挥结构力学课程蕴含的思想引导作用。

2.计算软件的学习。将易于掌握的力学分析计算软件引入课程，提高学生对复杂结构的计算分析能力，同时让学生体验到“软件是工具，知识理论才是驾驭工具解决问题的基础”。在讲授结构力学的基本概念、基本计算原理和方法之后，利用辅导答疑时间指导学生学习使用结构力学求解器、SAP2000等计算分析软件，使学生掌握更为高效的计算分析工具，并能通过软件的计算结果直观的感受结构的内力分布情况，从而加强概念理解。此后，要求学生针对具体的计算题目分别用手算和软件计算两种方式进行求解分析，使学生体验到计算分析软件的高效和便利，同时通过对学生的错误操作和错误的模型构建进行分析讲解使学生体会到力学知识、理论的基础作用，不是能操作软件就可以得到正确的计算分析结果，力学知识和理论是驾驭计算分析软件解决实际工程问题的根本基础。

3.通过数字化力学模型理解基本概念、原理和方法。指导并要求学生通过软件建立数字化力学模型，并对模型进行荷载、约束的增加、拆减以及位置变换，观察模型的实际变化情况，从而深刻理解重要力学概念、原理和方法。在学生对模型的自行拆解和变化的基础上，引导学生观察现象并运用力学基本概念和原理解释现象，使学生对几何可变体系、几何不变体系、多余约束、必要约束、基本部分、附属部分等概念有直观的感受从而更为深刻的理解它们的含义。

4.模型设计制作及加载。以某一具体工程实际问题为背景，开展课程内全体学生参加的结构力学数字建模分析、实体模型设计制作、加载测试相结合的结构计算分析设计活动，提高学生运用所学知识和工具解决实际工程问题的能力。通过前期计算分析、中期设计制作以及加载现场讨论、分析、讲解模型加载中存在的问题和现象，使学生体验综合运用力学知识、计算分析工具解决实际工程问题的过程，感受到力学知识以及计算分析能力的重要作用，考查学生利用所学知识解决实际问题的能力，使学生理解结构力学在专业课程中承上启下的作用以及与其他课程的关系。