土木建筑专业结构力学教学改革策略浅析

前言：本站为你精心整理了土木建筑专业结构力学教学改革策略浅析范文，希望能为你的创作提供参考价值，我们的客服老师可以帮助你提供个性化的参考范文，欢迎咨询。

摘要：文章首先分析了土木建筑专业结构力学教学现状，然后提出了土木建筑专业结构力学教学改革策略，包括合理利用课堂教学和在线平台，提高整体教学质量；培养学生自主学习能力和实践操作能力；改变传统的教学模式和手段，强调引导、启发、互动的多样化教学。

关键词：结构力学教学；土木建筑专业；在线平台结构力学

作为土木建筑专业的专业必修课，是理论知识与工程实践相结合所形成的一门基础学科。该课程是理论力学与材料力学的延伸，是学习结构设计、结构抗震等其他专业课程的基础，在教学中起着沟通理论知识和工程实践的桥梁作用，其教学质量决定了后续相关专业课程的教学效果[1]，并直接影响学生解决实际工程问题能力的培养，因此重要性不言而喻。随着社会经济的高速发展，土木建筑专业结构力学教学改革应该落实细化在点滴操作上，加快改革步伐，将现实的教学障碍逐一打破，这样才能满足时代发展的需求[2]。

一、土木建筑专业结构力学教学现状

结构力学课程的内容可分为两个模块[3]。第一个模块为结构静力学部分，该部分内容是后续课程的基础，相对比较简单，主要包括结构几何组成分析、剪力弯矩的计算与作图、结构的位移、力法位移法计算与作图。结构静力学内容一般采用循序渐进方式进行教学：首先让学生对整个结构的几何状态进行判断分析，确定静定与非静定问题，然后学习各种简单静定结构的弯矩、剪力计算方法，并通过作图的方式直观体现出来，接着教学生怎么计算结构的位移，最后在前面课程打好基础的前提下，让学生学习静力学最难的部分———运用力法与位移法求解超静定结构。结构静力学部分主要研究工程结构在静载荷作用下的力学响应，目的是让学生直观了解工程结构的变形特征，并以此引申出结构优化的原理，这是结构力学其他分支学科的基础。第二个模块为结构动力学部分，该部分内容与静力学部分内容相比较为深奥，主要包括单自由度和多自由度的自由振动、简谐振动，相对比较抽象，所以学生理解和掌握该部分内容比较困难。结构动力学部分主要研究工程结构对动载荷的力学响应及位移变形。通过近年来对多所高校土木建筑专业教学反馈意见的总结和对学生考试情况的统计分析，笔者发现当前结构力学教学中普遍存在下列问题[4]。一是结构力学课时严重被压缩，不能满足课程教学所需的最短课时。课程结束时，大部分学生基本上只学完了结构静力学部分内容，对于动力学部分则只是浅尝辄止，没有进行全面彻底的学习，也就是说，结构动力学部分内容的学习都是大而化之。这不符合相应的培养计划，会使学生难以在有限的课时内掌握教学大纲要求的内容。而且由于结构力学逻辑性强，计算也比较复杂，学生需要一定的消化吸收时间，这样很容易使学习进度与教学进度出现脱节。二是往往只进行课堂理论教学，缺乏与工程实践的衔接。结构力学是一门理论性、应用性很强的学科，其理论知识被广泛应用于工程实践。但课程教学基本在课堂上完成，缺乏实践操作，这就导致学生在就业时会发现所学理论知识和工程实践变成了两条平行的轨道，相差甚远，最终只是获得了一个纸上谈兵的“空”学历。如此缺乏实践操作的课堂教学与知识转化为能力的要求不符，与社会发展对教学改革的需求不符。三是教学方式太过于传统，未能迎合时代潮流。据了解，大部分学校最新的结构力学培养方案基本沿袭了以往培养模式，即“教师课堂授课+布置课后作业+课堂出勤+实验考核+期末考试”的模式，通过上述形式考核学生对知识点的掌握程度和学习情况。新冠肺炎疫情发生以来，课程主要采用网上授课方式，课上教师大多数是以视频或图片的形式讲述知识点在工程中的应用。这导致接受能力及自律能力有限的学生只能被动地学习，疲于应付作业和考试。另外，现有培养方案是参照土木工程专业编制的，缺乏与交通工程专业及计算机软件相结合的创新意识，未能体现发展交叉学科的学习优势，导致学生学习的目的性不强，不清楚学习结构力学对自己有何用处，无法深入学习结构力学。同时，教材未能体现专业特色，与土木工程等专业学生所用教材完全一致。在教学模式方面，结构力学一直都以理论教学为主，教学方式较为单一。四是从结构力学的教学内容来看，欠缺复杂问题计算手段的深入探究。传统的结构力学教学在方向上没有太大问题，但是当采用结构求解器等现代计算手段计算实际工程问题时，学生感受不到真实的计算过程，往往不理解结果是怎么实现的，会觉得土木建筑专业很“低端”。当然，学生不能忽视在简化计算上的努力，如弯矩分配法等，但是更不能忽视近几十年来计算手段的发展，正是由于计算手段的改进，才可以如此轻松地完成复杂问题的求解。因此，结构力学课程教学应该把现代计算手段融入进来，让学生知道工程复杂结构问题求解到底是怎么实现的，这是课程教学内容的需要，是结构力学课程改革的需要，也是完善本科人才培养的需要。目前，大部分高校土木建筑专业结构力学改革[5]都会面临以上问题。我国正处于快速发展阶段，培养人才的重任主要落在各大高校身上。高校培养的人才主要分为应用型人才和研究型人才两种。其中，应用型人才的培养主要侧重于教会学生如何“用”。学生毕业后大部分从事基础建设行业，在建筑、桥梁和岩土等工程领域及相应的设计院、施工单位和知名企业等单位工作，为祖国建设交通强国奉献自己的力量，是土木工程行业的中坚力量。而研究型人才的培养主要侧重于告诉学生“为什么是这样”。学生毕业后有相当一部分会进入高校、研究所和企业研发部门等单位工作，主要从事学术研究、技术创新和产品研发等创造性工作，是创新型人才。目前，在土木建筑专业结构力学教学中存在如下问题：课程教学课时不足以支撑教学内容需求，致使学生理论基础不够牢固；理论教学缺乏与工程实践的结合，阻碍了学生把理论知识应用于工程实践的能力的培养，严重制约了应用型人才的培养；课程教学方式单一，与先进计算手段发展相脱节；等等。在新的历史发展阶段，为了培养国家需要的多层次、多类别高素质专业技术人才，以上结构力学教学中存在的问题都亟待解决，结构力学教学改革迫在眉睫。

二、土木建筑专业结构力学教学改革策略

为深入实施人才强国战略，并为国家人才强国建设培养高素质专业技术人才，解决结构力学教学中存在的普遍问题，本文提出了三种用于土木建筑专业结构力学教学改革的可行性策略。

（一）合理利用课堂教学和在线平台，提高整体教学质量

对于结构力学教学，教师可以根据学生的上课状态和线下作业反馈情况，有的放矢地调整教学内容，同时要借助在线平台，提高教学质量。结构力学主要分为两个模块：静力学和动力学。结构静力学部分主要包括体系的几何组成分析、静定结构的内力和位移计算、影响线、力法、位移法等。教师首先应该重视课程中的基本概念、原理和方法，同时突出重点，有所取舍，不断归纳总结解决问题的方法思路。现在已进入“互联网+”时代[6]，课程教学也应该紧跟时代步伐，积极开发利用线上平台，如开发结构力学微信小程序，让学生可以通过小程序动态练习绘制静定结构的内力图，计算桁架的内力，划分位移法和力法中的半结构等，这样既能提高学生对结构力学课程学习的积极性和参与度，也能巩固学生在课堂所学的内容，让学生的知识学习体系形成闭环。结构动力学是结构静力学的延伸且比较抽象，这阻碍了学生对新知识的接受。随着科学技术的发展，多媒体授课打破了以往课堂教学只有黑板和教材的局面。多媒体授课可以做到图文并茂、视频解说，能刺激学生视觉和听觉，把学生的积极性和兴趣调动起来，提高授课质量。例如，多自由度有阻尼振动问题比较抽象难懂，对此，教师可以借助多媒体解说大量工程实践图片，使这一问题变得直观形象，再组织学生分组讨论，从而加深学生对该问题的认识，进而提炼其中蕴含的理论知识。在课堂教学时间有限的情况下，如何通过“互联网+大数据”进行教改突围，提高教学质量，是学校和教育管理者需要思考的问题[7]。学校和教师可以借鉴已有的线上线下教育模式经验，根据不同专业特点，搭建基于PC端网页、手机端APP的在线教育应用框架，在更加熟练地应用在线学习工具的基础上，提高学生接受知识的能力，使其合理利用有限时间，提高学习效率。教师平时主要以课堂授课为主，同时在线上引进明星教师的网课等优质资源供学生补充学习。借助线上学习平台，构建更加完善的数据反馈机制，能有效提高教学质量。教师可以通过采集学生学习进程数据和错题统计分析，结合线上答疑情况，切实掌握学生总体学习情况；也可以借助后台数据全方位展现学生个体知识掌握情况，因材施教。

（二）培养学生自主学习能力和实践操作能力

教师除了讲解结构力学基本知识，也可以向学生传输结构力学前沿知识，为以往枯燥的结构力学授课注入活力，充分调动学生的好奇心和学习积极性，使理论知识和工程实践这两个原本并行的轨道合二为一，在实践教学中提高教学质量，同时还要对陈旧的教学内容进行更新换代，使其与社会发展接轨，满足国家高素质专业人才培养需求。目前，主要应用结构力学理论知识解决实际复杂工程问题的结构设计工作都是通过计算机来完成的。对于结构设计采用的矩阵位移法，教师可以通过对计算程序的讲解，使学生理解问题求解的过程，转抽象为具体。同时，教师可以向学生介绍现今应用较广泛的结构设计软件PKPM[8]及大型有限元分析软件ANSYS[9]，培养学生把教材中的例子及工程问题转化为计算机分析模型的能力。学生在编写程序、使用结构力学相关软件的过程中，能加强自主学习能力的培养，同时也能加深对结构力学理论知识的理解，这有助于提高学生解决实际工程问题的能力，为其将来参加工作奠定扎实基础。对于动手实践能力的培养，高校也可以通过举办力学建模大赛，让学生结合所学的理论知识和各种常见的土木工程材料，自己动手创作一个设计感强又符合力学原理的模型来实现。力学建模力求反映力学问题的科学性、趣味性与实践性。活动着重开阔学生的视野，培养其透过现象看本质的本领，并提升其将理论知识综合应用于实践的能力。因此，教师只有将理论和实践有效结合起来，才能相得益彰，收到事半功倍的效果，教学质量才会更佳。

（三）改变传统的教学模式和手段，强调引导、启发、互动的多样化教学

随着中国大学MOOC[10]及智慧树等的普及，网络上有太多的精品和优质课程资源，基于此，教师也要与时俱进地提高自己，学习这些优质资源里面的教学理念，进行教学模式与思想革新。第一，加强学习辅导，注重课后答疑。课后答疑是教学中的重要一环。结构力学课程中，学生人数相对较多，且对知识的掌握程度参差不齐，对此教师可以采用课后辅导的方式，帮助基础薄弱、对新知识接受能力较差的学生进行知识巩固。教师可以一周可以开设一节辅导课，把学生集中在一起，安排学习辅导，消除本周的疑虑与难点，从而方便学生后续的学习。答疑也是拉近师生关系的重要一步，基于此，教师可以很好地了解学生平时学习、课后作业完成的情况，还可以收集学生对课程教学的意见和要求，总结、发现普遍存在的问题，同时反思课堂教学的不足，进而不断改进教学工作。第二，树立多变幽默的讲课风格，突出个性。教师应运用风趣幽默的语言进行课堂教学，做到特色教学。例如，讲到结构分析中的附属结构时，教师可以用树干形容多跨静定梁的基本机构，用树枝形容附属结构，这样一来，多跨静定梁的基本部分和附属部分的受力关系就一目了然了，这种讲课风格既活跃了气氛，又使得枯燥的结构力学课堂多了几分生气。第三，当前教育必须适应新的改革模式，对教学评价体系进行变革。教师应借鉴相关的教育改革经验，根据本校的实际情况对已有的教育评价体系进行改革或优化。对于传统的教学考核模式“教师课堂授课+布置课后作业+课堂出勤+实验考核+期末考试”，教师应该对其进行改良，增添一些新的且具有区分度的考核方法，如采用分组交叉考核，考核内容分为口语加笔试。以学生为主体，以学情分析为主要目标，可以把教学评价过程初步划分为以下环节：预教学测试、考试评估、数据剖析、质量改进和融合实践。在学校的支持协助下，教师应把这种评估模式落实到每一个学科及每一个学生个体上，为学生综合素质的提升提供依据和保障。在基于学习过程数据进行学情分析的同时，学校可以借鉴“双师同步教学”，搭建双师教育平台，鼓励优秀教师、骨干教师通过网络对其他区域学生进行指导，促使本地学生都能享受优秀教师的精准辅导，驱动优势教育资源、服务流转。

三、结语

土木建筑专业结构力学是一门重要的技术基础课程，对其进行教学改革时，教师所有的思考与建议都要基于一个共同的出发点，即为了培养出国家需要的多层次、多类别高素质土木建筑专业技术人才。因此，在今后的教学工作中，教师只有明确培养目标，不断改进教学方法，与时俱进地更新教学内容，运用最新科技发展平台，不断提升自身能力本领，才能使培养出的学生肩负起时代赋予的重任。

作者:李浩 江聪 余昭刚 单位:华东交通大学土木建筑学院