理实结合的“目标结构分析基础”课程教学模式改革探析

朱宏伟 李邦杰 王顺宏 李亚雄

火箭军工程大学 陕西西安 710025

“目标结构分析基础”课程不仅具有很强的系统性和理论性，而且与工程实践紧密结合。该课程的教学目的是通过课程学习，学生能够掌握典型目标结构受力分析方法，解决典型目标结构打击和毁伤问题。但长期以来，该课程教学主要以理论教学为主，忽视了实践环节的教学内容。为贯彻“为战育人”的教学理念，把“教为战、学为战、练为战”真正落实到课堂中，有必要对现有教学模式进行改革，因此本文主要对“目标结构分析基础”课程理论和实践紧密结合的教学模式进行探讨。

1 “目标结构分析基础”课程教学存在的问题

“目标结构分析基础”是一门重要的专业基础课程，通过该课程学习，学生具备结构组成分析、结构受力分析、结构损伤分析等能力，能解决复杂战场环境中的工程实际问题，不仅为后续的毁伤评估、毁伤效应等课程的学习奠定了坚实的基础，而且对学生工程思维的培养具有重要作用。针对教学内容和教学目标，虽然在具体教学实施过程中进行了必要的修订和补充，但是依然存在几点问题。

一是“通”，教学内容和教学方法传统通用。在教学内容安排上主要涵盖了理论力学和结构力学的主要知识点，主要包括平面力系、结构几何组成分析、静定结构受力分析三大部分内容。在课程内容上，没有与具体典型结构分析相结合，未突出课程结构分析的特点和要求，与力学方向开设的“结构力学”课程教学内容区分度不高。首先，在教学方法上，依然采用了传统力学课程教学方法，对于非力学专业的学生而言，力学基础较为薄弱，部分概念原理比较晦涩难懂，学生掌握难度较大；其次，教学理论和实践环节脱节，学生难以利用所学理论知识解决实际问题。

二是“旧”，课程体系老旧。“目标结构分析基础”课程理论性很强，设计的学科多，力学基础要求高，注重不同学科之间的交叉运用。当今日益复杂的战场环境对学生的知识综合运用能力提出了更高的要求，而在传统的教学体系中，更加注重理论的完整性，忽视了理论和实践的关联性，教学内容实用性不足。另外，传统力学课程基本原理和概念抽象难懂，在教学过程中更注重知识体系的演绎和推导，这使学生对该课程产生畏惧和抵触心理，削弱了学习的主动性和积极性。因此，有必要重新修订课程教学体系，使理论和实践能更好地融合，提高学生解决实际工程问题的能力，实现人才的高质量培养。

三是“缺”，课程内容建设不全面，实践环节不足。“目标结构分析基础”培养目标是通过课程学习，学生能够学会利用典型目标结构受力分析方法，解决典型目标结构打击和毁伤问题。因此在教学内容建设中要以基本力学知识体系为基础，以典型结构分析为重点，结合实践环节培养学生的实际动手能力。但是在当前的教学内容中，仅仅包含了理论力学中静力学和结构力学中静定结构的内容，缺少对具体典型结构分析运用和结构损伤破坏原理等内容，导致学生对知识的运用停留在基本原理和概念的演绎和推导层面。此外，在学生专业的培养体系中，对本课程力学推导的要求不高，因此应当根据学生专业特点适当增加结构分析内容。在课程理论知识层面完善的同时，应重点培养学生的实践动手能力，目前课程实践环节仅是利用结构力学求解器求解基于计算简图的单跨静定梁、多跨静定梁、桁架等结构的内力分析。该实践环节仅仅停留在简单结构的计算简图层面，学生大多只是理解基本原理，实际结构受力、破坏特性无法直观地体现给学生。因此应当结合实际完善实践环节，充分缩小基本理论与工程实际的差距，培养学生的解决实际问题的能力。

四是“单”，考核方式单一。考核是检验学生学习情况的重要手段，当前以期末闭卷考试为主，平时作业为辅的考核方式存在一定的片面性。该考核方式仅反映了学生的平时课堂情况以及学生对基本原理的理解，无法真实反映学生解决实际工程问题的能力。因此，应当对当前考核方式进行修订，建设多样化的考核方式，更多地反映学生解决实际工程问题的能力。

2 创新教学模式

2.1 教学体系优化原则

教学体系的优化需要紧紧围绕教学目标要求，同时还要关注学生前期学习的知识储备，要具备较强的科学性、实用性、完整性和前瞻性。本课程授课对象为二年级学生，开课时间为第四学期，对于非力学专业的学生而言，开课前不具备良好的力学和结构分析知识，基础较为薄弱，因此在教学内容安排上，一方面应遵循基础性原则，既要继承经典的理论基础，也要与时俱进，拓展前沿理论知识，摒弃过于陈旧的理论知识，为学生夯实基本概念、原理、理论基础；另一方面应遵循针对性原则，紧紧围绕教学目标，有针对性地对某一类别(型)结构开展结构组成分析、受力分析、承载力分析、剩余承载力分析等，为学生贯通基本的结构分析思路；最后还应遵循实用性原则，从学生专业领域对本课程的需求以及学生未来职业发展需要两个方面出发，通过案例教学、实践操作的方式，提高学生对理论知识的理解和解决实际问题的能力。

2.2 优化教学体系

教学内容的建设不但要满足课程教学目标而且要满足学生今后的发展需求[1]。目前“目标结构分析基础”课程内容主要包括理论力学(静力学)、结构力学(静定结构)。依据课程教学目标，当前的课程内容已无法充分满足学生培养需求，因此还应增加材料力学(Ⅰ)、工程结构、基础实验等部分内容。在课时有限的前提下，这将导致课程内容大幅增加，因此为了让学生能充分理解基本力学概念原理，掌握典型结构分析方法，能够解决实际工程问题，就需要对课程体系进行科学的优化设计。在现有总学时不变的前提下，对课程体系采取如下改进措施。

2.2.1 夯实力学基础，以课程内容优化为前提

在课程建设中，对于结构分析主要以结构受力状态分析为主，而良好的力学知识储备是典型目标结构分析的基础。在教学内容中力学相关内容占比庞大，这将导致课堂占比较高，无法突出结构分析重点内容，因此在力学基础培养方面，依据课程培养需要，科学梳理课程力学部分内容安排，合并重复的知识点，删除学生已经掌握的知识点，摒弃陈旧和不必要的知识点，提高学生学习效率。理论力学内容主要以静力学为主；材料力学内容主要以轴向拉伸和压缩、剪切、扭转、弯曲、压杆稳定为主；结构力学内容主要以计算简图、几何组成、内力计算为主。此外，在课时有限的前提下，为了提高课堂使用效率，突出结构分析重点，可采取线上线下融合的教学模式，将理论力学、结构力学、材料力学教学内容采取线上学习的方式，在上课前，教师利用校园网在线学习平台发布学习资料和学习要求，学生预先自主学习，课堂上主要剖析在线学习遇到的重点、难点，并为学生构建基本的力学学习思路，使学生掌握基本力学概念原理和基本力学求解思路。

2.2.2 突出能力培养，以典型结构分析为抓手

结构分析是基本力学理论的延伸和应用，作为本课程的重点教学内容，一是可加深学生对基本理论和概念的理解和掌握；二是可提高学生分析解决基本典型目标结构问题的能力，课时占比较大，主要针对桥梁、混凝土结构、砌体结构、钢结构、单层厂房、多层与高层建筑结构等典型结构展开，因此拓展了材料力学和工程结构部分内容。工程结构内容主要以典型结构组成、受力特点、承载力、剩余承载力为主，使学生掌握运用基本力学方法分析典型结构的受力问题。

2.2.3 提升实践能力，以增设实践操作为帮手

实践教学在人才培养中占据着非常重要的作用，它和理论教学并不是附属关系，而是相互独立、相互依存、相互促进的同一教学体系的两个方面[2]。在实践操作中，引导学生将理论知识转化为实际操作能力，能加深学生对抽象、复杂理论的理解，而传统的教师讲授，学生按步骤完成实验和测试的实践方式不能激发学生的学习兴趣，不利于学生的自主探索，因此应当探索以学生为主导的新实践模式。根据课程内容特点，实践内容可分为两部分，第一部分为力学原理实验，该部分主要借助结构力学求解器、材料力学试验机等手段完成，可分为两个阶段，第一阶段培养学生的基本实践素质，第二阶段开设开放性试验，学生根据实践要求设计试验并自主分组完成；第二部分为结构分析实验，该部分实验主要借助霍普金森实验系统和有限元方法完成，也可完成两个阶段完成，第一阶段使学生了解冲击荷载下结构的破坏特性，并学会使用有限元工具，第二阶段开设任务性试验，学生根据教师给定的任务完成结构分析任务。此外，在教学过程中，可安排学生到桥梁、建筑等结构建造现场参观学习，有利于提高学生的学习积极性和兴趣，也有利于学生理解理论知识。

2.2.4 注重岗位任职能力培养，以军事应用为目标

“为战育人”是军校教学的基本要求。考虑到学生将来的任职需要、职业发展、学习兴趣等因素，在教学内容中拓展典型军事背景结构分析专题，一方面可使学生认识到本课程在军事应用中的地位和重要性，增强学生的学习兴趣和积极性；另一方面可培养学生学会运用所学知识解决实际军事问题的一般流程和方法。

2.3 改进教学方法

“目标结构分析基础”课程涉及知识面广，学生对工程结构及结构受力情况普遍缺乏认识，在学习过程中只是单纯以教师讲授、学生接受的学习形式为主，这容易导致学生的学习兴趣降低，接受程度低，对知识的理解只停留在理论记忆层面，直接影响教学质量。因此有必要突破传统的“注入式”“填鸭式”的教学模式，探索新的教学模式。

“目标结构分析基础”课程教学内容中，不仅公式和定理多，而且力学分析、公式推导等逻辑性很强。在教学过程中，可进行以下优化：(1)采用PPT、视频等多媒体和板书相结合的教学手段，提高教学效率，激发学生兴趣，板书推导复杂公式适合于学生的思维速度和习惯，有利于重难点的理解和掌握；(2)在课堂中设计“趣味性”的力学小实验(如单跨桥、多跨桥、典型结构搭建等)，可加深学生对基本力学原理的理解，感受到力学与结构之美和力学的趣味性，让学生由被动学习转变为主动学习；(3)依托互联网平台拓展学生课外学习和练习，可随时网上答疑，教学资源共享，师生快捷沟通，提高学生学习主动性；(4)本课程课时量少而内容多，在课时安排中更侧重于讲授，但学生必须通过大量的计算练习才能更好地掌握相关理论知识，所以辅导课是本课程教学中的作用是不可忽视的。因此，有必要适当安排辅导课，提高学生的解题能力；(5)结合现有实验平台，开发符合课程特点的虚拟仿真平台，学生可自主快速地构建不同的结构模型，直观地显示结构的组成特点和受力特性。该系统也可和实验室其他系统耦合，学生可全流程复现典型结构毁伤前后的组成变化、受力变化、承载力变化，不仅有利于学生理解概念原理，更有助于学生掌握结构分析方法及结构毁伤特点；(6)要健全教学反馈机制，如在线反馈、小组讨论、作业、考核、调研等，通过课前、课堂和课后反馈可以凸显教学过程中出现的问题，学生的学习动态和对所学知识的掌握和运用情况，帮助教师及时调整教学策略，提高教学水平。

3 工程实例牵引教学

“目标结构分析基础”课程在教学过程中通常将工程实例结构转化为力学模型或计算简图的形式，学生能够根据力学模型或者计算简图解答部分问题，但是大多数学生对工程实物认识不足，将工程实例转化为已掌握的计算简图或力学模型的形式难度较大，准确度较低。所以，在教学过程中，应当引入工程实例培养学生的工程思维。

3.1 典型工程案例为基础，提兴趣，拓能力

教师根据课程内容收集大量的工程案例及相关信息，明确案例的前因后果，并依据该工程案例提出新的类比案例问题让学生思考。在分析案例时，要从多维度、多角度引导启发学生参与其中，同时要融入前期所学理论知识，对于重点问题可分小组讨论，教师最后归纳分析结论，梳理分析流程，拓展前沿信息。

3.2 数值仿真为辅助，案例分析可视化

通常情况下，工程案例主要以图片或视频的方式进行展示，往往难以让学生准确地理解案例，虽然实验可以直观地展现结构的变形、破坏特性，但受限于场地、环境、资源等因素，不便于开展[3]。随着计算机技术以及有限元方法的快速发展，有限元技术的在结构领域的应用越来越广泛，越来越成熟，因此可以充分利用有限元技术复现工程案例，学生可以根据有限元模拟结果直观地查看结构完整的变形过程、构件的应力变化过程等，有助于学生深入理解和思考结构受力特点及失效破坏特性。鉴于有限元方法的便利性，还可开展各种不同工况下的数值仿真，对于同一工程案例，可延展分析不同工况下的结果，有助于学生创造性地开展实践活动。

由于课时量有限，有限元软件的学习主要通过教师引导学生在课外进行，以自学为主。在力学基础部分，如平面一般力系、结构受力分析、轴向拉压、平面弯曲等课堂教学时，也可融入有限元方法，向学生展示三维结构模型、应力场、变形场等。另外，还可以将手算练习结果和有限元软件仿真结果结合起来对比分析，强化学生对基本原理的理解和掌握，同时培养学生解决实际工程问题能力。

4 创新设计考核模式

考核是评价学生对课程内容掌握情况的手段之一，以往都是采用闭卷考试方式，学生只重理论而轻应用。因此，在课程考核方面要以教学目的和课程内容相契合，从多个层面优化考核方式：(1)卷面考核，占比50%；(2)案例分析大作业考核，学生依据案例要求自主设计完成大作业，占比20%；(3)实验操作考核20%；(4)日常课堂表现等，占比10%，在每个考核中制定详细的得分项和扣分项。多层次的考核方式既能促进学生日常学习的积极性，又能体现学生对知识的理解和掌握情况。

结语

本文主要从教学模式、工程案例、考核方式三个方面深入探讨了“目标结构分析基础”课程改革措施。紧紧围绕课程教学目标，通过采取科学优化教学体系、改进教学方法、增设实践内容、引入工程案例等手段，探析了“目标结构分析基础”课程理实结合的教学模式，旨在以学生为主体，激发学生的学习兴趣，培养学生工程思维和解决实际工程问题的能力。