从学生角度出发探索《结构力学》的教学改革

朱红光 房缘铖 易 成

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院 北京 100083）

0 引言

结构力学是土木工程及相关专业最主要的基础课之一，其教学目的是使学生了解各类结构体系的受力特点，掌握杆件体系内力与位移计算的基本原理，培养结构分析和计算的能力，并为以后学习有关专业课程进行各种结构设计及科学研究打下基础，因此结构力学在整个专业培养计划中占有重要地位。在学习过程中，由于课程内容多且难度逐章加大，大部分学生对结构力学的学习感觉到困难。本文走访调研了多届的结构力学学生，试图从学生学习的角度来分析传统教学中存在的问题，并针对这些问题进行了思考和探索。

1 几大经典力学课程间的重叠内容处理

单跨静定梁、静定刚架的内力图做法、简单桁架内力计算以及静定结构平衡问题的求解在理论力学、材料力学有过类似叙述和讲解，结构力学教学时可强调“温故而知新”，课堂上则简略带过；而矩阵位移法在后续的有限元课程中会详细讲述，在结构力学中略过不讲也不影响其他知识点的学习。这部分教学重点则放在相似内容的引申上，结构力学应站在体系的角度，以提问的方式将单杆扩展到杆件体系来引导学生思考多杆结构的力学求解问题，强化对结构力学基本概念、基本方法的认识。

2 教学手段的改进

教学的首要任务是为了让学生更好地掌握知识，因此应该尽可能地使用各种方式提高学生的学习效率。多媒体教学手段现在被广泛使用。与传统教学手段相比，多媒体教学可以为学生提供集图片、动画、文字和声音于一体的教学信息，但是教师容易成为课件播放员，学生则容易成为课件记录员，上课不听讲或跟不上课件放映节奏，只有课上对课件拍照，课后拷贝课件，形成消极的学习态度与方法。而传统的板书虽在单位时间内所传递的信息量远不如多媒体，但是能帮助学生掌握知识的脉络，生成知识的体系。因此应尽可能将两者结合使用，在重点知识的讲解上，应以多媒体形象直观的提出问题，引导学生思考讨论；结合板书进行关键内容的推导计算，以强化学生对知识的掌握。最大程度的发挥二者的优势，更好地为教学效率。

3 启发式教学与创新意识培养

现在教学中的一个突出问题是相当部分学生过分关注成绩，学习过程中重视机械训练解题技巧而忽视了自身能力的培养。而这却是课程教学甚至整个高等教育的主旨，当下大热的卓越工程师计划，其核心也是创新能力的培养。我们高校的另一个重要工作：科学研究，其功能就是发展创新，因此可以参考科学研究的模式为课程教学找到解决思路。

科学研究可以归纳为八个步骤：提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释和结论、反思与评价、表达与交流。而启发式教学是为了培养学生独立地发现真理、获取知识的能力，以上的步骤为启发式教学提供了很好的模板。对于结构力学的一些基本思想，它们的产生必然经历了若干的过程。它们是怎么提出的？以前的科学家是如何处理的？这些问题现在又发展到什么阶段了？通过对这些科学史的知识能加深学生对一门学科的理解，也能培养学生自己解决问题的能力。同时还可以结合具体工程案例来开展结构力学的启发式教学。比如从赵州桥等实际工程让学生去了解拱结构；从输电塔，桁架桥梁去体会桁架结构的特点；从高层建筑的巨型结构让学生感受框架结构的妙处，以及如何将实际工程简化到结构力学中的计算模型、计算简图（如图1所示）。进一步地，可以引入一些趣味性的问题。结构力学是一门趣味性较强同时对思维要求较高的学科，通过对一些趣味性问题的探索能够提升思维能力，加深对结构力学的了解。像这样，对每一个知识点有了细致入微的了解，从而使得力学知识的大厦建立得更加稳固，学生的能力获得全面的发展。

图1：从实际的高层建筑简化到结构力学的计算简图

4 信息技术高速发展下的新启示

随着信息技术的发展，结构力学的教学在新时代下有了新的内涵。对学生来说，可以通过网络资源聆听不同教师的讲解。不仅可以就不懂得知识点找不同的讲解以期获得理解，而且可以广泛学习不同教师对结构力学的独特理解，形成自己的知识体系。

另一方面，雨课堂之类的软件为课堂教学提供了新的手段：教师可以推送课件到学生手机，学生可以反馈该页是否听懂；还可以推送题目给学生，要求现场作答，软件实时反馈给教师以作答情况。以此教师能实时掌握学生的学习效果，彻底改变了以往呆板的教学方式，极大地提高了教学效率。

此外由于电子计算机和计算技术的飞速发展，极大方便了结构力学各类问题的求解，但是模型建立的合理性和结果检验成为了突出问题。解决这一问题需要清晰的力学概念和基本知识。具体的说，通过对结构传力特点和路径的分析来判断计算简图或者简化模型的合理性；并在计算结果出来以前能够在脑海里形成一个粗略的结果（这个结果并不精确），比如能知道主要特征和上下限，能反映大体的轮廓。对结构力学的问题，就是要形成诸如对于结构变形或位移的感性认识，以及典型结构受力特征，以便和数值计算结果对照。这就需要在教学时注重这方面分析能力的培养。第一步是要建立基本的结构概念并熟悉典型结构变形特征，训练对结构变形的想象能力；第二步基于结构内力与变形之间的相似性（如图2所示），通过想象结构变形来辅助结构内力计算、验证结构内力图的正确性，并不断分析和总结结构的受力特征和传力路径；第三步要进行不同结构之间的对比，校正、提高自身的分析能力。能力的培养是长期的过程，各种相关的练习应贯穿课程始终。

图2：超静定结构弯矩与变形的相似性

5 表达能力的提高

表达能力分为两方面，一方面是书面表达，另一方面是语言表达。

图纸是工程师的语言。在结构力学中，一张清晰的计算简图或内力图往往比一大堆运算更能传达出准确的解题信息。这方面能力的培养主要通过作业来实现，所以对作业的要求必然是图表清晰、条理清楚、逻辑性强、简单明了，以培养严谨科学的工作态度。但是作业的实施效果依赖于学生的重视程度，因此应适当增加作业在考核成绩中的占比，激励并提高学生认真完成作业的热情；另外，作业训练的效果必须通过考核来检验，教师对作业的亲自并认真批改必不可少，只有教师自身对作业重视才能引起学生对作业的重视。为避免人数多带来的批改任务过重的问题，结构力学适宜采用小班教学。

对于语言表达而言，在结构力学的教学中可通过课堂提问，锻炼和培养学生的语言表达能力。课堂提问给学生增加了一定的压力，这种压力是有益的。使学生在课堂上不能懈怠，打起精神参与到课堂教学中。若学生能用语言准确地回答教师提出的问题，说明他已掌握了相关的知识。

6 结语

结构力学是土木工程大类专业的一门重要专业基础课，在培养土木工程大类专业复合型人才教学计划体系中起着承上启下的重要作用。如何通过结构力学的教学，让学生真正掌握结构力学的知识，为进一步学习专业课及今后的实际工作打下良好的力学基础，这并非是教师单方面的事情，学生也应在其中出谋划策。本文依托调研的情况从学生学习的角度出发列举了几方面的思考和探索建议，希望对结构力学教学改革有所启发。