“新工科”背景下结构力学课程重构与探索

齐 欣，孟庆成，余志祥

（1.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031；2.西南石油大学土木工程学院，四川 成都 610054）

“新工科” 是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的一项重大发展战略[1]。新工科强调积极应对变化，主动塑造世界，促进人才培养质量全面提升[2]。工科人才培养与业态转型方向以及工业未来的发展趋势保持高度一致。日趋复杂的工程实景将更紧密地嵌入工程教育。新工科也是高校协同育人发展的必然趋势[3]。结构力学作为 “新工科” 的专业基础类课程。一方面其本身的课程性质与课程内容与广义的基础课一脉相承，向前可追踪到知识发展的源头和源模型；课程以简化后的力学模型为研究对象，通过对典型结构的计算与分析，总结规律，由浅入深，向后可延伸到现代工程的各个领域，是人才培养体系中的重要载体和枢纽节点。近些年结合现代化的技术手段，对力学课程的教学模式进行了一系列探索和改革，例如孔位学等[4]提出了“四精” 教学模式，冯子明等[5]将基于问题的学习(PBL)教学法引进研究生力学课堂教学，李建华等[6]将雨课堂结合课堂教学等，在教学方法上取得了一系列的成果，并在一定程度上提升了结构力学的教学效果。但目前基于工科专业实际需求衔接的理论与工程相结合的嵌入式创新，仅少数高校开展了探索性研究，例如孟玮等[7]在结构力学教学中引入工程教育模式CDIO教育理念，刘学文等[8]以拔尖工程人才培养为目标，对弹性力学课程进行了一系列的改革，冯翠云[9]探讨了虚拟仿真技术与机械类课程的结合等。但有关结构力学课程的创新较少，基于此本文以 “新工科” 建设为契机，融入新工科理念，坚持开放、发展、科学、灵活的原则，重构结构力学课程。

一、“新工科”背景下的学生能力需求

结构力学课程的授课对象，以大学二年级的本科生为主，已经具备了一定的数学物理基础，以往的结构力学课程重点强调结构的内力和位移计算方法，能够进行典型杆系结构的分析和演算，强调的是个人的知识学习与应用能力，往往陷入了题海战术，只有理论，与实际联系能力较差。新工科的人才培养，对学生个人能力、团队能力和全局意识三个方面均提出了要求，不仅是掌握所学的力学理论和计算方法，还要培养学生运用所学习的力学概念，能够对实际工程结构进行简化、分析、解决的能力。通过在课堂中引入工程背景，逐步对工程实际问题分解，培养了学生的思维判断与分析能力。真实的工程的设计与实践需要多人合作解决，涉及到表达与沟通和管理协作，从而培养了学生的团队能力；另外，从跨学科的层面培养学生的力学思维，以土木工程为例，任一个工程问题都不是单一学科，关联了材料学、地质学和机械学科等，结合工程初步形成学生的全局意识。通过三个层面的不断递进，总体形成了新工科背景下学生所需要的能力图谱（图1）。

图1 “新工科”背景下的能力图谱

二、结构力学课程的重构

1.力学思维的重构

力学是以数学为工具去解决工程中遇到的问题，是工程科学的基础，也是连接理论与工程的桥梁。新工科建设培养的具备卓越工程素养的复合型人才，需要各项能力的全面升级。因此，侧重于力学思维培养的教育就显得尤为重要，根据力学思维的特点，可将知识点分解为简单的数学、物理问题，简化力学模型问题和综合的工程实践问题。其一可将整体教学中所涉及到的知识点进行梳理、分解，按照知识点的递进特征和属性，通过明确其数理基础、力学模型和工程实践的关系，首先建立起力学思维的框架。其二在课程设置中，开展有针对性的创新思维训练，内容设置上将结构的力流、力的传力路径与结构形式结合，通过不同的结构布置，实现结构的整体受力，结合实际结构设计，培养学生的创新创造意识。弱化定量的纯粹计算环节，更注重结构的定性分析。再有引入竞赛进课堂的模式，鼓励学生参与全国、省级、校级各类结构设计大赛，通过结构设计竞赛激发学生的创新精神，同时直接将结构设计大赛的题目引入课堂讨论，鼓励结构的创新尝试，从而更好的掌握结构体系和整体结构受力的概念。其三可以引入力学学者的研究历程，从问题的发现，方法的提出、解决的策略等方面，来探讨力学思维的形成。

图2 数学、力学工程衔接关系

图3 创新思维的训练

2.教学体系的重构

一直以来，结构力学的教学体系以几何特征（静定结构、超静定结构） 为主线，以计算和分析为主体，进行详细的阐述，以这种由浅入深、层层递进的教学体系看似学生理解和接受比较容易，但由于知识点过多过细，导致学生专注于细节，而无法形成总体把握力学概念。教学体系重构后，明确了核心知识、基础知识、专业知识三个模块。对应三个模块将课程体系按照基本原理、技术环节和能力培养三个阶段，学生通过在结构力学中由浅入深的了解，到专业课中深层次的学习，实现接续性课程体系，达到 “新工科”人才培养的目的。新形态的课程体系中每一个公式、原理都蕴含着丰富的力学意义和力学思想，都是对数学原理的一种揭示，因此可以从自然规律、数学原理的角度去解释，并结合具体的实例，从应用层面解读。同时可以基于某一个大的框架题目下，让学生自主设计问题并给出相应的解决策略，学生通过对问题的理解，然后质疑、相互讨论、交流与沟通得到解答。老师在该过程中主要起到引导作用。在课程体系的设置中，增加力学课程与其他专业课程的相关性的以及力学课程在未来的应用前景的讲解，形成同时兼具广度和深度的结构力学课程体系（图3），从而达到学生具有较强的求真创新精神，广阔的国际视野，良好的团队协作精神与有效的沟通交流能力。

图3 教学体系的重构

3.教学模式的重构

传统的教学模式，受困于灌输色彩浓厚的讲授法，学生和老师均进入倦怠期。一方面引入对分课堂[10]，将课堂有机的分割，保留传统的讲授式课堂教学的同时，加入讨论式教学，二者之间合理地分配，重新设计教学内容与教案，重视先教后学，权责对分，重新定义课堂和师生关系，使教学活动回归到教与学双主体的双边良性互动。在每一个知识点的初期教师担任课堂教学过程的引导者，主要是统领全局，给学生建立起课程的整体框架和点出重点；在学生独立消化学习阶段，老师又担负起内化过程的评价者；讨论课程，并不是学生的自由讨论，而是老师整体把控讨论过程，担负着组织者和协调者的身份；而学生是也不仅是讲授过程的接受者，同时也是知识的发现者和交流者。学生在教师的充分指导下，充分发挥自主课堂的潜力，激发学生自主学习的动力，使学生逐步走向自发、积极的学习。另一方面，引入企业讲师进课堂的教学模式，打造校企合作课，每学期将2～3次课交给校外讲师，从用人单位的需求角度，对结构力学进行讲解，弥补结构力学课程理论与实际脱节的缺陷，从教学模式上实现校企联合，协同育人。新工科教学模式亦可以结合雨课堂、超星学习通等现代化信息技术手段，引导课堂从注重老师的 “教” 向注重学生的 “学” 转化，充分调动学生的学习积极性。

课外，充分发挥在线开放课程作用，结合优质在线开放课程资源、虚拟仿真实验、BIM 技术，丰富学生学习的多样性，将原本单一的教与学的方案，重构为强化系统的自主学习的能力。目前我校已上线了四门结构力学及相关在线开发课程，学生在课堂学习的同时，还需要完成慕课相关的在线学习、问答和讨论。从而将教学内容分解为课堂教学、学生自学、学生研讨和学生参与课题几部分构成，每学期设置3～5 次的研讨课，全方位培养学生的跨界整合能力和系统性思考能力，实现新工科背景下基础课的改革。在结构力学融合创新课程体系建设的应用中，强化师生深度互动与启发式研究型教学模式，实现从原来的单向输出、到一问一答、再到互动、质疑甚至辩论逐级递进关系模式的教学模式。在课堂中也邀请具有工程背景的专业课老师一同授课、以实体作为依托，以成果目标为导向，建立以课堂教学为中心、慕课，微课，研讨课辅助为一体的多元化教学模式。

图4 对分课堂

图5 多元化教学模式

4.评价体系的重构

以往的基于分数的单一评价模式，只有一个标准答案，越来越难激发学生创新，最终也只能导致学生迷恋分数，重构评价体系势在必行。首先作业的设置，应从个人能力的知识应用入手，通过与专业课老师进行深入探讨，提出具有实际工程意义的题目，使学生能了解作业的工程背景，紧密联系接续课程，从而学生能够受到作业题目的启发，结合逆向教学法，可以在课程之初，先行布置若干作业，以目标为导向，结合课堂学习和学生自主学习、查阅文献，培养学生解决问题的能力。从课程的实践中发现，随着课程中设置的题目难度逐渐增加，学生学习兴趣也逐渐激发，解决问题的实际能力随之提高。除了力学基本训练的相关作业，同时设置少部分没有标准答案的开放性作业，鼓励学生根据基本条件，自行设计结构方案并分析计算，从而对创新能力进行评价。其次，从课程考核方式入手，突出过程性考核，并关注学生差异性的学习需求，作业批改以质量和态度为导向，科学合理地设置成绩等级。落实到结构力学这门课程，可细化为：课堂综合表现评价（包括出勤、作业、课堂互动）、课外集体协作评价（小组讨论、汇报、完成情况）、工程结合能力评价（结合虚拟仿真平台，在线开放课程讨论的完成情况）、实践创新能力评价（用力学知识对实际生活中的具体问题进行分析、一题多解、优化设计等）、课程考核分数评价（测验、考试） 这五部分构成，考评的方法不仅包括老师打分，还包括小组内部的互相打分。对几方面综合考评，最终得到每一个同学的成绩，建立起更加科学合理的评价体系。

图6 综合成绩评价体系

三、人文关怀与工程伦理

一直以来，结构力学课程以力学公式、理论推导为主题，具有较强的工学特征，缺失了人文关怀与工程伦理的渗透。对于土木工程的学生，毕业后基本都要从事工程技术相关工作，坚守道德底线，发展健全人格，对于社会的发展具有重要意义。目前结构力学课程对于工程伦理的引入大多采用伦理讲授和典型案例分析，独立成节，与教学内容关联较少。因此，课程中尝试角色扮演，分别从项目发起者、工程具体设计者、工程使用者三个视角带入，从不同角度审视自己、理解他人，引导学生从多视角理解自己工作意义,塑造未来工程师“关爱生命、尊重公平” 的可持续发展价值观，达到优化工程人才培养的目的。

将人文元素融入到课堂中，一方面有助于提升学生的整体素质，同时可以在知识点的穿插中起到缓冲的作用。例如：在讲授多跨梁一章时，可融入介绍茅以升修建钱塘江大桥的艰辛，如何在战火纷飞年代，克服种种技术难题，修建—炸毁—重建的全过程，体现以人为本的人文精神；在讲授动力学一章地震荷载时，介绍刘恢先在邢台地震期间，不畏连续发生的多次破坏性地震，率领研究人员深入地震灾区，采集了大量的珍贵数据资料，为抗震设计提供第一手的数据。在讲授矩阵位移法一章时，可引入龙驭球编写《有限元法概论》 查阅各种杂志，自主钻研的故事。学习老一辈科学家们爱国、敬业、专注，勇攀高峰追求卓越的精神，启发学生求是、求真、求业，引导正确的价值观，将立德树人融入到点滴教学。

四、结语

在新工科背景下，充分发挥理论到实践的融合作用，以培养学生综合应用能力作为课堂教学质量的目标。从力学思维、教学体系、教学方法、课程评价三方面进行重构，努力提高结构力学的教学质量，培养具有扎实力学功底的新工科人才，以适应新一轮科技革命和产业变革，同时也为其他课程的新工科建设提供参考。