小班化案例制课程教学方案设计——以结构力学课程为例

陈圣刚，张营营，鲁彩凤，吕恒林，姜 健

（中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116）

近年来，新工科、物联网、大数据、人工智能等新技术和新理论不断出现并应用于土木工程各行业领域中，促进了行业发展理念和工程技术的巨大变革，给土木工程专业的传统教学模式带来极大挑战。为了适应日新月异的形势，2016 年工程教育国际研讨会在北京召开，确定了国内工程教育与国际标准对接的原则，正式加入《华盛顿协议》，践行“学生中心、产出导向、持续改进”的核心理念，工程认证理念需要进一步根植于土木工程专业日常教学中[1-2]。2017 年以来，国务院、教育部等先后提出《关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见》《高校思想政治工作质量提升工程实施纲要》和《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》等精神文件，为高校人才培养提出了根本遵循，明确了“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人”是教育的根本问题，把立德树人的成效作为检验高校一切工作的根本标准[3-4]。新时代的高校教育被赋予了新的历史使命和要求，传统工科教育模式或者以知识点传授为根本要务的教学方法和思想已无法满足当今社会的发展需求，各高校紧锣密鼓开展各种新型教学模式的试验和探索，新的教学方法和教学理念层出不穷[5]。独具专业特色的案例制教学方法能够将工程认证理念和课程思政教育蕴含于实践应用的鲜活案例中[6]，以工程应用为背景，以解决实践中存在的复杂工程问题为学习目标，以课程知识内容为手段，提升学生工程技术、能力水平和创新意识，将大国工匠精神、工程伦理教育、攻坚克难和脚踏实地等民族精神穿插于问题探索过程中。为保证案例制教学的顺利开展和教学效果，小班化教学是必由之路。小班化教学是未来高校课堂教学的主要形式，也是教育部教学改革的强制要求，课堂教学小班化能够因材施教，打通学生和教师互动的壁垒，解放教师关注教学过程，优化学生学习条件。因此，小班化案例制教学（融合案例制）成为适应当代高校人才培养的先进教学模式之一，值得高校教师进行实践和探索[7-8]。

结构力学是土木工程专业的重要核心课程，承接了高等数学、理论力学、材料力学等自然科学课程，又为开启混凝土结构、钢结构等专业课程奠定基础。作为一门力学类基础课程，学生庞大的基数导致结构力学课程通常采用近百人的大班式课堂教学，然而该课程具有逻辑性强、理论抽象、内容繁多和学习难度大的特点，使得结构力学教学效果无法保证。结构力学的课堂教学存在很多问题亟待解决：①调查显示，超过80%的教学以大班式的课堂理论讲解为主，通过作业和考试的方式考核教学效果，教学及考核方式单一，专业实践缺失[9]；②课堂教学缺乏工程背景和应用实例，以简化的计算模型为对象，强化计算解题结果的精确度，轻原理和结果讨论分析，导致学生学习漫无目的，学无所用；③结构力学主流仍然实行大班教学，在有限的时间内，教师无法全面开展各种教学方法，无法关注每位同学的学习效果，教师与学生交流障碍，难以达到预期教学效果；④学习内容枯燥乏味，晦涩难懂，学生畏难怕苦，丧失学习积极性，“躺平”“及格万岁”等现象屡见不鲜[10]。

面对新时代课程教学实践改革的机遇和挑战，针对结构力学课程教学中存在的以上问题，中国矿业大学结构力学课程组积极开展教学改革。在线上线下混合式国家级一流本科课程建设的基础上[11]，以学生为中心，以学生能力和精神内涵为培养目标，从以下几个方面探索小班化案例制教学改革：①以工程案列为绳，理论与实践相结合进行教学内容设计，激发学生兴趣，调动学生积极性，学有所用；②以24 人组成小班化课堂，提高学生对课堂的影响，甚至主导课堂进程，加强学生与教师互动，让学生主动学习和思考；③关注学生精神世界，课程思政融入工程案例中，培养热爱国家、敬畏自然和生命、热爱生活及热爱自我的精神能力；④丰富课程考核评价标准，注重过程管理和反馈。

一 结构力学课程教学案例建设

案例库建设是结构力学小班化案例制教学的核心要素，具有工程背景的案例既要与时俱进，又要贴合课程教学内容；既要满足解决工程复杂问题的深度要求，又要深入浅出避免难度过大；既要培养学生的工程能力（理论能力、计算能力、数值分析能力），又要培养学生的精神能力，融入思政要素。本次小班化案例制教学实践将课程的主要内容分解为六部分：概论及计算简图；结构几何组成分析；静定结构（包括梁、刚架、拱、悬索结构及组合结构）内力计算；静定结构位移计算；超静定结构力法；超静定结构位移法等。每一部分内容围绕一个工程案例进行教学内容布置，解决案例中所提的问题，每个案例教学要达到工程能力和精神能力锻炼的教学目标。主要案例介绍如下。

第一部分（图1），以人物骨架简笔画绘制类比工程结构的计算简图，对深厚历史积淀的故宫内建筑进行结构简图绘制。一方面，第一次授课增加趣味性，提高学生的学习乐趣；另一方面，了解中国的历史文化，增强学生的文化自信。

图1 计算简图内容案例

第二部分（图2），以2020—2022 年来发生的结构倒塌事故为对象组织教学内容，分析结构的几何组成及倒塌过程中结构组成及静定性质变化，总结结构倒塌的原因。一方面，深化该部分内容的理解和应用；另一方面，从工程事故中吸取经验教训，事故原因中天灾因素使学生敬畏自然，培养人与自然和谐相处意识，人祸因素使学生提高工程伦理意识和法律意识，提高个人道德水平和社会责任感。

图2 结构组成成分分析探究结构倒塌

第三部分（图3），以不同桥梁结构的跨越能力评估为案例，将梁、拱、桁架、刚架和悬索等结构形式具象为常见的梁式桥、拱桥、桁架桥、钢构桥和悬索桥等，分别进行内力计算分析，一方面，利用其跨越能力的分析深入理解不同结构形式的受力特点、力学性能和计算方法；另一方面，了解新世纪中国桥梁建设的瞩目成就，建立学生的民族自豪感，坚定社会主义信念，激发学生的奋斗热情。

图3 不同桥梁结构跨越能力评估及对比

第四部分（图4），以单层工业厂房为对象，通过上层加建、发生意外火灾和地基发生不均匀沉降等工况分别校核荷载、温度和支座位移等因素引起的结构位移。一方面，教授学生静定结构位移计算方法，建立学生不同工况条件下结构性能分析的动态思维方式，以发展的眼光看待工程问题；另一方面，建立严格的职业操守意识，不可随意变更结构使用功能。

图4 静定结构不同工况下结构位移校核

第五部分（图5），判断常见工程结构在荷载作用下的危险截面并提出保障措施，要求手算并利用有限元软件校核结果。一方面，使学生熟练掌握力法计算原理，锻炼学生利用现代计算工具的能力，培养学生自主解决工程难题的成就感；另一方面，培养学生迎难而上、不怕困难、敢于挑战的科学精神。

图5 超静定结构危险截面判断（一）

第六部分（图6），与第五部分内容对比分析（位移法和力法灵活应用），判断超静定结构的危险截面；以小组方式，对复杂的实际结构采用多种有限元软件计算，并利用理论知识分析结构力学性能。利用一题多解，一方面，培养学生面对复杂工程问题，合理简化、灵活选用或者组合使用所学知识的能力；另一方面培养学生发散思维的能力，不满足于单一思路方法，强化精益求精，不断创新的精神；培养学生的团队意识和协作能力。

图6 超静定结构危险截面判断（二）

二 案例制教学设计及实施

中国矿业大学结构力学教研组开展了24 人教学班的小班化案例制教学实践，每4 人一组分为6 个教学组，教学过程中个体和团队任务相结合，保证教师对每名同学和每个教学组的全方位沟通。小班化案例制教学方案应紧扣各部分教学案例，充分利用本课程组的“线上和线下”教学资源，解除课堂知识点讲解对授课老师的束缚，增加设问、实践、报告等环节，以学生个体和小组协作相结合的方式开展课堂教学，提高学生的课堂参与度和兴趣，通过任务驱动学生完成自主学习，改变结构力学传统课堂教学枯燥乏味的知识讲授现状，同时对学生的知识架构、工程能力和精神属性进行塑造。小班化案例制教学方案促进了学生和教师全方位的思想碰撞。本节以第三部分静定梁式结构的内力计算教学方案设计为例，对案例制教学的设计内容和教学流程进行简要的介绍说明。本教学方案设计包括以下几个方面。

（一）案例描述及总体任务下达

教师提前一周通过MOOC 任务模式发布案例内容及任务要求，确定“不同形式桥梁结构的跨越能力评估及对比分析”案例主题，最终以分析报告的形式提交案例分析成果。案例描述使学生对工程问题有整体的了解和把握。

（二）课前准备

教师提前一周发布本节课堂的分任务和要求。首先，以MOOC 线上教学资源为媒体，学生需要完成单跨及多跨梁氏结构内力计算的教学内容；其次，收集目前在役的典型梁式桥梁结构，尽可能详实记录桥梁结构的信息，并以小组形式归纳汇总，形成PPT。

（三）课堂组织

课堂教学分以下步骤进行：①明确案例背景及整体的任务要求，对案例进行分任务拆解，分别按照梁式结构、拱结构、钢架结构、悬索结构和组合结构等形式拆分为五个分任务，以第一个分任务——梁式桥梁跨越能力评估展开本课堂内容；②随机抽选学生小组对梁式桥结构调研做汇报，其余小组做补充评价；③以讨论形式确定桥梁结构可能承受的荷载种类和形式；④以单跨静定梁为对象，重点讲解不同荷载作用下结构平衡方程和内力的求解，阐述荷载和内力的微分关系；⑤学生实践，以多跨静定梁为对象，实践应用所学内力计算方法，加深对荷载与内力微分关系的理解，总结内力图绘制技巧和经验，汇总于分析报告。

（四）习题训练

于MOOC 发布作业及训练题目，使学生熟练掌握手算原理；同时，选用合适的力学计算软件（SMSolver、SAP2000、PKPM、ANSYS 和ABAQUS 等）对题目进行建模计算，核对计算结果。

（五）分任务解答

通过“分析对象→外界条件（荷载等）→内力→性能评估”的分析模式，对静定梁式结构的跨度进行计算分析，确定梁的破坏标准，建立荷载与梁跨度关系式，评估结构的适用跨度并思考提高结构跨度可采取的措施。分任务分析及思考汇总于分析报告中。最终，形成梁式结构跨越能力评估报告小结。

本部分内容其他结构形式（拱结构、刚架结构、悬索结构和组合结构等）的桥梁跨越能力评价和分析授课方案及流程与上述一致，分别形成不同结构形式桥梁的跨越能力评估分析报告。通过分任务的学习探索，利用对比分析方法，学生对本案例的工程问题进行解答，总结不同结构抵抗外荷载的力学机理，总结个人在案例学习过程中知识、工程能力和精神提升方面的收获，形成最终的分析报告。

三 多元化考核方法

课程教学改革不仅仅是教学方法和教学思想的改革，容易被忽略的教学效果评价体系的改革同样至关重要，教学效果评价体系不仅能够反馈教学改革效果，而且也是保证教学改革措施顺利开展的指引棒[12]。小班化案例制教学必须改变传统以作业和期末考试为根本的考核标准，以全流程跟踪为原则的多元化考核方法的革新才能真正调动学生的活力，解决学生参与度低、无积极性的问题。过程化综合性考核采用多种考核方式，包括作业及课堂测验、案例调研及展示、课堂讨论、案例分析报告、结构设计竞赛复现和期末考试等方式展开，每个评价从教师评价和组间互评两个方面进行，最终的评价结果按照一定的权重对课程目标进行支撑，具体见表1。案例调研及展示、课堂讨论、案例分析报告跟随课堂内容教学，同步推进，时时考核评价，能够及时发现教学中的问题，弥补学生学习的缺陷和不足；作业及课堂测验、期末考试的权重适当降低，保留传统考核方式能避免学生因过大的考核方式变化引起的不适应；结构设计竞赛复现专题，以往届结构设计大赛的赛题为对象，学生可选取获奖作品或者自主设计，进行作品的力学性能计算评估，剖析结构高效承载的原因，整体把握结构力学知识在工程结构设计中的应用，以赛促学，以学促用。根据不同考核方式的适用性和特点，采用不同的权重对课程目标进行支撑，各考核方式支撑不同课程目标权重见表1。多元化考核方法在教学实践中仍需进一步探索：对多种考核方法的评价细节进行细化和优化；考核方式根据本校校情适用性改革；小班化案例制教学方法对教师提出了极高的要求，教学效果评价应将教师作为评价的另一方主体，纳入考核过程。

表1 课程目标达成情况支撑

四 结束语

本着力学知识“来源于工程，又服务于工程”的思想，以中国矿业大学国家级一流本科课程结构力学为例，开展小班化案例制教学改革，以满足新时代国家、社会对土木工程专业的育人要求。在中国矿业大学结构力学课程线上线下混合教学资源建设的基础上，对小班化案例制教学开展了以下三个部分的内容改革：建设了对应于结构力学教学内容的案例库；提出并实施了小班化案例制教学的课堂教学方案；构建了适用于案例制教学的教学效果多元化评价体系。小班化案例制教学方法成功应用于土木工程专业的日常教学中，提高了学生的学习热情和积极性，取得了较好的实践效果。