小班化案例制课程教学方案设计

摘  要：为适应新时代土木工程专业新技术和新理论的发展，满足工程认证标准和课程思政新形势的要求，以中国矿业大学国家级一流本科课程结构力学为例，探索小班化案例制教学方法，展示适用于结构力学教学内容的工程案例库建设，阐述小班化案例制课堂教学设计及实施方案，探索多元的教学效果过程化考核方法。小班化案例制教学方法能够改善传统大班式授课方法存在的问题，提高学生的学习兴趣和课堂参与度，使学生自主形成结构分析知识体系，培养学生工程问题发现、分析和解决的能力，提高学生的爱国意识、道德水平和精神层次。结构力学课程的小班化案例制教学方法改革能够为土木工程专业课程教学改革提供参考。

关键词：小班化；案例制教学；结构力学；工程认证；课程思政

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）24-0107-05

Abstract： In order to adapt to the development of new technologies and new theories in the fields of civil engineering， to meet the new requirements from engineering certification standards and curriculum ideology and politics， the engineering-projects-based teaching method in the form of small class was proposed. The national first-class undergraduate course "Structural Mechanics" in China University of Mining and Technology was taken as an example. The construction of engineering projects， design of teaching scheme and diversified valuation methods for process teaching effect were illustrated. Solving the problems existing in the traditional teaching approaches in the form of large class， the exploration is expected to improve students' learning interest and participating enthusiasm， to enable students to form their own knowledge system for structural analysis， to enhance students' ability to discover， analyze and solve engineering problems， to improve students' patriotic awareness， moral level and spiritual level. The efforts may provide valuable reference for the teaching reform in civil engineering courses.

Keywords： small class; engineering-projects-based teaching; Structural Mechanics; engineering certification; curriculum ideology and politics

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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