工程思维导向的“结构力学”教学方法与实践

管青海 付涛 周燕 薛江

[摘 要] 为适应新工科培养目标，提升学生力学素养，提高学生的结构创新和工程实践能力，针对“结构力学”传统教学课程内容缺乏时代特征、教学互动性及多样性等诸多问题，对“结构力学”课程的教学方法进行探讨。在有条件的基础上进行工程现场授课，形成与课堂授课互补的“第二课堂”;增加课上工程结构电算内容，组织课下工程结构竞赛活动;建立互联网知识共享平台，方便学生在线学习和师生及时沟通。教学结果表明，工程思维导向的教学设计，可以使学生建立结构力学概念的工程思维能力和发展工程思维直觉，并为后续专业课的学习打下坚实基础。

[关键词] 结构力学;工程思维;教学设计;结构电算

[基金项目] 2017年度天津城建大学教育教學改革与研究项目“基于工程思维培养的结构力学课程教学方法研究与实践”（JG-YBZ-1709）;2019年度山东省研究生教育质量提升计划项目“桥梁工程灾害预防与处置教学案例库建设”（SDYAL19110）;2020年度山东建筑大学博士科研基金“大跨人行悬索桥风致振动试验与理论研究”（X20082Z）

[作者简介] 管青海（1985—），男，山东诸城人，博士，山东建筑大学交通工程学院讲师，主要从事桥梁结构振动与控制研究;付 涛（1981—），男，山东潍坊人，博士，山东建筑大学交通工程学院副教授，主要从事桥梁抗震与防撞、装配式桥梁结构研究;周 燕（1979—），女，山东临沂人，博士，天津城建大学土木工程学院副教授，主要从事路面结构与材料研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）50-0133-04    [收稿日期] 2021-10-11

一、引言

“结构力学”是土木工程相关专业的必修课，在大多数工科专业课程体系中具有显著地位与重要作用。先修课程涵盖“高等数学”“理论力学”“材料力学”等理论性强的基础课程，同时“结构力学”课程又是“土力学与地基基础”“结构设计原理”“桥梁工程”等诸多专业课的基础。“结构力学”课程在整个工科课程体系中处于承上启下的核心地位，不但为专业理论课提供必需的基础理论知识，而且也为课程设计和毕业设计等教学实践课提供理论基础和计算方法。在新工科专业建设背景下[1]，将“结构力学”有效融入相关工科专业课程中，必须加强结构力学的工程思维能力培养。

二、“结构力学”课程传统教学存在的问题

从当前国内土木工程、道路桥梁与渡河工程，以及工程管理等专业的力学课程体系设置来看，“结构力学”课时被大幅削减，在实际教学计划中“结构力学”授课只能尽量保证经典力学部分，对上下游其他关联课程的衔接延伸讲解，以及工程思维的训练则无暇顾及，因此，打造贯通“结构力学”与专业课程的授课方式至关重要。

要求学生在有限课时内掌握大量信息并非一件易事，同时枯燥的力学知识又往往使学生缺乏学习兴趣，不利于培养学生的创新精神与工程思维。教学课时的缩减，使教师对授课大纲和讲解内容进行大幅度简化，很多欠缺工程专业背景的力学教师则会“重公式、轻概念”“重理论、轻工程”，不利于提高教学水平和授课质量，更难以培养学生的工程思维能力，造成理论化教学与应用能力培养割裂的困局，以及固定教学模式与创新意识、工程思维培养的矛盾。

由于“结构力学”课程特点的限制，“结构力学”授课上易于出现以下问题：（1）课程内容缺乏时代特征和灵活性;（2）教学过程缺乏互动性和针对性;（3）教学方法缺乏创新性和多样性。这些问题容易使学生对结构力学无法系统性掌握，难以建立工程思维能力，更难以形成工程思维直觉。

结构力学概念多，概念之间互联强，极易造成概念混淆，学生在“结构力学”课程的学习过程中往往存在以下问题：（1）缺乏学习兴趣，求知欲不足，学习主动性有待加强;（2）知识学习僵化，知识点难以融会贯通，只会做题不会分析;（3）学习缺乏批判性，面对公式死记硬背，对于典型例题生搬硬套。因此，需要教师创新教学方法，积极调动学生的学习主观能动性。

虽然，很多高校教师提出了一些针对“结构力学”课程的授课方法，获得了一些预期效果[2-5]。但是，无论是教学设计还是教学效果，“结构力学”课程教学仍存在很大挑战。鉴于“结构力学”课程教学当前存在的诸多问题，“结构力学”课程教学内容与教学方法上的改革势在必行。结合“结构力学”课程的实际特点，应建立一套具有可操作性的、基于工程思维能力培养的课程教学方法，并辅以丰富的教学资源，开发与行业发展及工程应用环节紧密相关的教学内容，培养学生的全局专业眼光和工程思维意识，强化学生综合运用力学知识解决实际问题的工程思维能力，培养具有现代工程理念的“卓越工程师”[6，7]，对于满足新时代社会经济发展具有重要的现实意义。

三、工程思维导向的“结构力学”教学设计

（一）教学设计路线

单一课堂教学已经不能满足当前教学工作的需要，因此，我们要从多种渠道、多种维度强化学生的工程思维，同时，多渠道、多维度也能够更好地结合时代特征与工程实际，使学生能够学有所用、学以致用。

工程思维导向的教学设计，要将传统课堂教学叠加课下教学，并补充线上教学，三种教学方式协调统一并相互促进，构成三位一体立体化教学体系。工程思维导向的“结构力学”教学设计总体路线结构如图1所示。

（二）教学设计方法

教学设计不拘泥于单一课堂教学、线上教学或者线上线下混合教学，而是将课堂教学、现场教学及线上教学三种方式有机融合。

1.课堂教学除了讲授大纲基本内容之外，还需要涉及工程结构电算部分。对于典型工程案例，结合力法和位移法进行结构电算，能使学生更好地理解与掌握结构力学的求解逻辑和理念。同时，工程案例解析要结合工程现场教学。

2.课下教学是课堂教学的有效延伸。课下教师可以组织学生参加各类结构竞赛，将结构竞赛设计成结构电算的形式，并纳入课程评价体系，能够极大地提高学生的学习热情。在有条件的基础上，工程现场教学将会起到事半功倍的效果，或者将“结构力学”与“认识实习”“生产实习”等实践课相结合，使实习过程成为“结构力学”指导下的理论联系实践过程。同时，要注意不能为了现场而现场，工程现场教学要充分联系课堂教学内容。

3.充分利用丰富的互联网线上教学平台。比如，国内外各大公开课、教学名师课堂、国家金课等高水平教学资源，或者B站等自媒体教学视频。线上获取教学资源的便利性，使学生具有更大的选择自由度和学习空间，另外，除了線上共享知识平台之外，建议开发互动性教学平台，建立与学生持续沟通、随时答疑的机制。

四、教学实践与效果检验

（一）教学实践

结合多年“结构力学”教学实践，以工程思维培养为导向，逐步摸索出课堂、现场及线上的三位一体教学体系。教学团队围绕道路桥梁与渡河工程、工程管理等专业进行了多轮次教学实践和研讨，将具体教学实践过程总结如下。

1.以不同结构受力特点为基础引申实际工程背景，培养学生的工程思维能力。目前，结构力学实际上是对结构计算简图的学习，是简化后的力学计算模型。学生在计算简图的学习过程中，容易对实际结构的力学认识不强，难以从实际工程中抽象出力学模型。在学习各种结构时，引申相应的工程背景，并适当结合工程现场教学，使学生提高理论联系实际的能力，从而培养工程思维能力。

2.增加电算教学内容，培养学生工程结构电算能力。在毕业设计及今后工作中，学生遇到的工程问题复杂多变，采用手算不切实际，多数要通过电算完成。增加学生电算能力培养的教学内容，开展相关内容的上机练习，能够利用结构力学求解器或者自编结构力学小程序，提高结构计算分析能力，并结合结构竞赛进行专项结构电算培训与指导。

3.增加以结构模型竞赛为依托的实践内容，使教学更贴近工程实践。结构模型竞赛是教学与工程实践较完美的结合，实现结构模型竞赛与“结构力学”课程教学的有效融合，并将竞赛纳入课程教学评价体系。定期举办结构模型竞赛，将所有学生进行分组，并鼓励学生积极参与。结构模型竞赛与结构电算相互反馈促进，深化对结构力学理论知识的认识，深刻理解各类力学结构的一般力学特性，并与工程结构建立直觉联系，提高分析工程问题的能力，提升工程实践能力，最终达到研究和创新能力的提高。

4.在有条件的基础上进行工程现场授课，形成与教室授课互补的“第二课堂”。除了在课堂教学环节之外，寻找典型工程结构进行现场教学。诸如天津永乐桥（天津之眼摩天轮）、天津海河桥（开启式钢架桥）、济南二仙桥（拱桥）、济南黄河大桥（斜拉桥）等，有目的地深入实际工程现场讲解相关知识，使学生能够更直观地发展工程思维，锻炼工程直觉。

5.建立互联网知识平台，方便学生在线学习和师生及时沟通。利用网络教学平台的交互式教学环境，发挥网络教学平台在课前预习、课堂讨论，以及课后知识巩固中的引导作用;利用线上资源学习相关结构工程设计案例及其施工视频;开发结构力学线上共享互动平台，教学团队在微信公众平台上开发运维结构力学主题微信公众号，并定期上传“结构力学”授课重点内容、工程思维能力培养专题、作业题讲解等内容，学生能够随时在公众号上完成课前的科学预习和课后的查漏补缺，师生建立长期有效互动，与教室课堂教学形成优势互补。

（二）效果检验

工程思维导向的教学设计可以充分利用启发式教学，在授课中加强工程思维培养环节，并结合实际结构工程进行现场讲解和结构电算教学，有利于学生养成结构力学思维意识，进一步有意识地使学生发展工程思维能力，锻炼工程直觉。

从多年教学经验及学生的反馈来看，工程思维导向的教学设计，课堂、现场及线上三位一体教学体系，能够显著提高“结构力学”教学质量，学生不仅仅在考试分数上得到提升，在工程应用能力上也得到了充分锻炼。

五、结语

在工程思维导向的教学设计中，各教学环节之间绝不是孤立存在的，需要相互串联与促进。三位一体教学过程要贯穿整个“结构力学”课程体系，甚至打破原有的教学设计顺序，从工程现场问题出发，反向寻求结构力学解决方法，从而实现学习过程的主动化。工程思维导向的教学设计，突出了学生的主体地位，有利于使学生建立结构力学概念的工程思维能力和工程思维直觉，有助于学生快速分析工程结构力学特点，为后续专业课的学习打下坚实基础。

参考文献

[1]林健.新工科人才培养质量通用标准研制[J].高等工程教育研究，2020（3）：5-16.

[2]潘旦光，丁民涛.结构力学抽象理论实物化教学方法研究[J].高等建筑教育，2018，27（2）：57-60.

[3]乔朋，李悦，马乾瑛.大学生结构设计竞赛对结构力学课程教学的启示[J].高等建筑教育，2019，28（5）：74-79.

[4]陈廷国，曲激婷，陈璨.结构力学课程混合式教学探索与实践[J].高等建筑教育，2020，29（1）：9-15.

[5]文永奎，刘保东，曹艳梅，等.基于程序编制的“结构力学”仿真案例教学实践[J].教育教学论坛，2021（36）：129-132.

[6]邓红星，孙凤英，张文会.基于现代工程理念的创新型人才培养[J].中国高等教育，2010（Z3）：73-74.

[7]林健.“卓越工程师教育培养计划”通用标准研制[J].高等工程教育研究，2010（4）：21-29.