“结构力学”课程教学改革探索与实践

［摘 要］ “结构力学”是土木工程专业的主干专业基础课。该课程的教学质量对学生学习后续专业课和培养任职能力具有非常重要的作用。针对课程理论性强、难度大的特点，以提高课堂教学效果、培养高素质优秀工程科技人才为目标，在教学过程中，教师采用先进的教学方法，借助求解器加强实践教学，实施“三阶段、多元化”的考核模式。经过一系列的教学改革探索，取得了良好的教学效果。

［关键词］ 结构力学；教学方法；实践教学；课程考核

［作者简介］ 康 婷（1977—），女，陕西佳县人，工学博士，空军工程大学航空工程学院副教授，主要从事结构工程研究。

［中图分类号］ G642.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）11-0081-04 ［收稿日期］ 2022-04-12

引言

“结构力学”是土木工程专业的主干专业基础课，是联系基础理论课和专业课的一座桥梁。该课程的教学质量对学生后续专业课的学习和毕业后参加工程结构设计具有举足轻重的作用。该课程理论性较强，难度较大，属于典型的理论性课程［1］。部分学生往往不了解该课程在工程实际中的应用价值，觉得理论太抽象，学习态度不积极，难以获得满意的教学效果。为了提高教学质量，教研组在教学方法、教学手段和考核方式等方面不断改革尝试。经过多年实践，结合多年的“结构力学”课程教学经验，笔者谈谈在理论知识教学、实践教学、课程考核等环节的一些做法。

一、采用先进的教学方法，改善课堂教学效果

要提高教学质量，改善课堂教学效果是非常重要的一环［2］。课堂教学是学校教育教学工作的重要环节，是教师对学生进行思想教育、传授知识、培养能力的主要途径，是教学工作的集中表现。因此，采取适当的教学方法和手段，增强课堂教学的生动性、趣味性，优化课堂环境，活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣和求知欲，变“要我学”为“我想学、我要学”，对提高教学质量、培养优秀人才，具有非常重要的作用。在教学过程中，根据不同的教学内容，宜采取不同的教学方法。

（一）注重理论联系实际，调动学生的学习积极性

理论课教学要注重理论联系实际，只讲理论，不联系实际，易使学员感到所学内容太过抽象、空洞乏味，难以理解，提不起学习兴趣，使课堂气氛呆板，得不到良好的教学效果［3-4］。因此，在教学过程中，应将理论与实际相结合，将理论落到实处。联系实际也并非简单地“举例子”，应结合工程实际，提出问题，引导学生讨论，引出其中蕴含的理论知识，激发学生探索未知领域的兴趣，提高学习的积极性。

在教学中如何做到理论联系实际呢？教师首先要了解实际、掌握实际。这就要求教师在备课上下功夫，平时多收集一些与课程内容密切相关的工程案例、力学现象等素材。

在教学过程中，运用收集的相关工程事故案例，引导学生用所学理论知识分析事故发生的原因，强化对所学理论知识重要性的认知。例如，讲解“三铰拱特点：水平推力要求大而牢固的基础”时，为了加强学生对这一知识点的理解，强化学生认知水平推力对拱结构的重要性，教师收集了“凤凰大桥”坍塌事故案例。惨烈的坍塌现场照片以及重大的施工人员生命、财产损失，给学生以强烈的心理冲击，使学生对这一知识有了深刻的理解，同时体会到该课程在今后实际工作中的重要性，明确了学好这门课是解决工程实际问题、避免工程事故发生的基本要求，调动了学生的主观能动性，激发了学生的学习兴趣，同时也培养了学生对工程建设的职业责任感。

引入新课时，注重以实际工程为背景提出问题，讨论问题的解决方法，引出教学内容，让学生明确自己所学的知识并非空中楼阁，将抽象的原理具体化、工程化，调动学习积极性，培养解决问题的主人翁意识和责任意识。比如，在讲解《影响线》这一章的内容时，首先提出“工业厂房中吊车桥架沿吊车梁运行时，吊车梁设计时控制截面如何确定”的问题，由此引出“影响线”这一教学内容。借助问题，教师将抽象的理论知识与工程实际相结合，将理论落到了实处，使学生明白了理论知识来源于工程实践，最后又要回到工程实践中去。理论知识不再是高不可攀、抽象而枯燥乏味的，因此学生不会有畏难心理。

收集介绍课程发展历程及相关趣事的内容，既可以活跃课堂气氛，又能吸引学生的注意力，调动学生的学习热情。比如，在学习“静定梁内力计算”这一内容时，教师介绍1638年伽利略最早开始研究梁，直到1705年伯努利提出平截面假定后才得出基本正确的结论，其间经过将近70年先辈科学巨匠的不懈探索，使学生体会到看似简单的力学原理所历经的艰难发展过程，学习先辈持之以恒的探索精神。根据梁的受力特点“截面上下边缘应力较大而靠近中性轴附近应力很小”，发展出现“工”字形截面梁，进而出现桁架，使学生恍然大悟，原来梁并不简单，明确了梁是现代结构之源，“梁”的重要性不言自明，对“梁”有了全新认识。这极大地调动了学生学习的积极性，培养了学生的探索精神。

讲解理论知识时，恰当地联系实际，可以激发学生的学习兴趣，使抽象的理论知识具体化、生动化，调动学生的学习热情，活跃课堂气氛，获得良好的课堂教学效果。

（二）以问题为牵引，注重启发式教学

如何调动学生的学习热情，一个非常有效的教学方法就是多问［5-6］。以问题为“绳”，牵引学生主动思考，积极讨论，激发学生的求知欲，培养学生的探索精神。至于问什么、怎么问，这需要教师熟悉教学内容，精心设计，合理安排。比如在讲解一些新概念、新方法时，教师可以不直接给出答案，而是先提出问题，引导学生思考讨论并给出不同的解决方案，再分析探讨各方案的优缺点，由此引出要讲授的内容，培养学员分析问题、解决问题的能力。又如讲“结点法”求桁架内力时，不同学生取出了不同的结点隔离体，有的结点包含两个未知力杆，有的包含三个，有的更多，经过分析讨论，终于明白“桁架内力计算宜从结点单杆开始”，由此引出节点单杆的概念，使学员深刻理解“结点单杆的概念及意义”等问题。学生通过自己的努力解决了未知的问题，获得了极大的满足感，学习热情高涨，收到良好的教学效果。

（三）注重精讲多练，强化习题讨论

多做练习题巩固所学知识，是学习理论课的重要环节。学生不做一定数量的习题，就很难对基本概念和方法有深入的理解，也很难提高计算能力。凡是要求学生熟练掌握的内容宜“精讲多练”，最好安排专题讨论课进行巩固，让学生参与到课堂中来，鼓励学生相互讨论，创造轻松愉快的课堂气氛，使大家畅所欲言，调动学生的学习积极性。讨论题目要精心选择，要具有代表性，最好选择那些容易产生歧义、对概念要求精准理解的题目。“多练”也不是“贪多求快”，简单重复练习，有的题目含有多种解法，要“精练”。比如，用图乘法计算结构的位移时，同一个弯矩图可能有不同的分解方法，每种分解方法对应弯矩图叠加原理的不同应用。通过一题多解，既强调了图乘法的应用规律技巧，又深化了对弯矩图分段叠加法的理解。讨论完后，引导学生总结经验、规律，要有所升华。只有理解原理、多加练习，不断总结经验技巧，才能达到“熟练”的目的。

（四）基本概念对比讨论，力求精准理解

在理论课教学过程中，应注重核心基础知识、基本概念的精准理解，打牢基础，教师的“启”才能使学生有所“发”，积极参加课堂讨论。“结构力学”涉及的很多基本概念、基本原理在前期力学课程中已学过，但部分学生的理解并不透彻，如对于“应力与应变的关系”“有应力是否就一定会产生应变”等诸如此类问题，还有结构的变形、位移、梁的挠度等基本概念。这些基础知识鲜有教材集中介绍，学生对每个孤立的概念好像都知道，但其中的具体差别及相互关系又说不上来。讲解《位移计算》这一章时，首先要引入这几个基本概念，引导学生回顾讨论，彻底弄清楚基本概念的含义，做到精准理解。在此基础上，引入位移的分类及各类位移的计算特点，使教学内容条理清楚、一目了然。

（五）纲举目张，厘清思路

一门课程的内容有很多，在教学中要抓住指导全书的基本思路、贯穿全书的主线，这就是“纲”，各章、节的知识点是“目”，有目有纲，纲举目张，做到条理清楚、重点突出。结构力学概念多、方法多，学习起来容易给人一种零散的感觉，使学生“只见树木，不见森林”，因此，教师开课前应交代清楚“结构力学”的“纲”。结构力学的研究对象是工程中常见的各类结构（梁、刚架、桁架、组合结构以及拱结构），包括静定结构和超静定结构；研究方法主要有静力法和能量法；研究涉及的外荷载包括实际工程中的常见荷载：荷载、温度、基础移动以及动力荷载等。结构力学主要研究工程中的常见结构在各种外荷载作用下的内力和位移的计算原理及方法，为结构刚度设计和强度设计提供理论依据。这就是“结构力学”的“纲”。开课时交代清楚“纲”，能够让学生开阔视野，了解结构力学在工程实际中的地位、作用，然后由“纲”到“目”逐渐展开教学。“结构力学”的“纲”是树干，每次课实际上都是在添加枝叶。每次课前，要先介绍本次教学内容在整个“纲”中的位置，使学生及时了解学习进度，领会学习任务，明确零散知识之间的相互联系，明确所学知识对于解决实际工程问题的意义，对学习内容、学习进度做到心中有数，体会到“一览众山小”的学习乐趣。只有这样，才能使学生的学习进得去、出得来，做到融会贯通。

二、借助结构力学计算分析软件，加强实践教学

现代工程结构的强度、刚度设计以及校核等工作均由计算机完成。为了培养学生应用所学理论知识分析问题、解决实际问题的能力，使学生毕业后尽快融入工作岗位，教师在教学中应重视实践教学环节。结构力学教材中研究的各类结构实为计算简图，是实际工程问题经过高度抽象化而得来的力学计算模型。为了便于通过手算介绍基本原理和基本方法，因此选取的结构相对比较简单，与实际工程有一定差距。“结构力学求解器”是结构计算分析软件，可以计算分析那些手算难以进行的大型复杂结构，是实践教学的良师益友。它可以连续同步显示结构建模的过程，也可以显示、输出结构的内力、位移等计算结果，是数值试验的良好平台，形象直观，方便好用。比如，以某一地下洞库为例，引导学生利用结构力学求解器分析拱结构内力与矢跨比的关系、轴向变形对内力的影响等问题。还可以我们周围的教学楼为例，研究多层钢架结构“强梁弱柱”“强柱弱梁”的受力特点有什么不同，了解“强柱弱梁”抗震设计要求的基本原理。在“结构力学”教学过程中，借助结构力学求解器，加强实践教学，有助于培养学生分析问题、解决问题以及上机实践的能力。

三、实施“三阶段、多元化”考核，科学评价学习效果

课程考核是检验课堂教学效果、激发学生学习内驱力、督促学生对所学知识进行复习巩固的重要途径［7］。“结构力学”课程学时量大，教学内容多，系统性很强，如果学生没有很好地掌握前面的内容，将直接影响后续内容的学习。而且，教学内容直接或者间接涉及大量工程实践问题，期末的一次性闭卷考试往往难以客观反映教员的教学效果和学生的学习效果，也不便于督促学员及时复习巩固。因此，“结构力学”的考核宜采取“三阶段、多元化”的考核方式。

“结构力学”的教学内容主要包括三部分：静定结构部分（第一章～第五章）、超静定结构部分（第六章～第九章）及专题分析（动力分析、稳定分析、极限荷载）。其中，静定结构部分是学习超静定结构的基础，对后续内容的学习具有决定性的作用。超静定结构部分更接近于工程实际，是结构力学的主要研究对象。为了及时了解学生的学习效果，发现学习中存在的问题，督促学生复习巩固，“结构力学”的考核分三个阶段进行：静定结构阶段、超静定结构阶段、期末考核。其中，静定结构阶段测验主要考核学生对静定结构内力、位移计算的基本原理和基本方法的掌握程度，督促学生及时复习巩固，为后面学习超静定结构打下扎实的基础，占整个考核成绩的10%；超静定结构阶段测验主要考核学员针对不同超静定结构选择合适的方法进行内力计算的能力，占整个考核成绩的10%；期末闭卷考试主要考核学员对所有教学内容的掌握情况，占整个考核成绩的60%。三阶段的考核方式有助于培养学生注重过程、稳扎稳打的良好学习习惯，纠正平时敷衍了事、考试突击的“临时抱佛脚”心理，为后续专业课的学习打下扎实的力学基础。