“双碳”背景下面向未来的结构力学课程教学改革
作者: 陈云 董金爽* 杜娟中图分类号:G642 文献标志码:A 文章编号:2096-000X(2025)12-0056-05
Abstract:Basedontheoptimizationandadjustmentoftheconstructionindustryunderthebackgroundofthe"double carbon"strategicgoal,thispaperexplorestheintegrationofthe"doublecarbon"conceptintothecourseconstructionof StructuralMechanics.ByanalyzingthecurentsituationofthecourseOFStructuralMechanics,itproposestointegratethe" doublecarbon”conceptintothecourseteaching.Fromtheaspectsofrestructuringcuriculumteachingobjectives,integrating curricum thinkingandpoitisintothe"two-carbon"strategyandcurrculumteachingreform,clasroomteachingfeaturing" applyingknowledgetopracticaluse,takingresponsibilty"and"lowarbongreen,crossntegration"isonstructedtobilize students‘autonomyandenthusiasm,cultivatenewengineringstudents’thinkingandresearchabilityonscientificproblems,and improvestudents‘engineringpracticeandapplicationlevel.Inordertocultivatestudentspatrioticfelingsandtheabilityto solvepracticalengineeringproblems,toachievethetraininggoalofcuivatetalentforthePartyandthecountrycontributingto the development and construction of the country and to assume social responsibilities.
Keyords:"dualcarbon"targets;StructuralMechanics;teachingobjectives;ideologicalandpoliticaleducationincourses; course construction
2020年,中国提出了“双碳"战略目标。要实现"双碳”战略目标,培养具有创新和实践能力的高素质“双碳”人才是基础。因此土木工程专业学生的培养也面临着新的机遇与挑战,应使学生对国家发展战略有更加深入的理解并具有更加扎实的基础科学素养。结构力学课程是土木工程专业的专业基础课,具有重要的工程实践指导意义。在结构力学课程的学习中,学生不只是简单地掌握基本概念,更需要融会贯通,具有解决实际应用问题的能力,并将“双碳”战略目标融人实际工程的设计中
当前,针对“双碳"战略目标下的结构力学课程改革尚未见报道。海南大学结构力学教学团队基于国家“双碳"战略目标背景,本文结合笔者多年讲授该课程的教学实践,剖析课程现状,思考“双碳”背景下课程内容及教学模式的改革措施,探讨新一代复合型"双碳”人才的创新培养模式。
一结构力学课程特点及课程现状
(1) 课程特点
结构力学是传统三大力学(理论力学、材料力学、结构力学)课程之一,其他两门为其先导课程,作为土木工程专业承前启后的专业基础课,其主要任务是研究各类结构的组成规律和受力性能,在各种作用下的内力和变形,动力性能与稳定性。该课程着重培养工程从业人员的工程素质,提供解决工程问题的基本方法和原理,为后续专业课程提供必需的基础知识和计算方法,是联系基础理论课和专业课的重要桥梁,在专业教学中具有极其重要的地位。
随着国家“双碳”战略的快速发展以及建筑行业布局的优化升级,结构力学课程教学亟需增设“双碳”相关知识内容,以及节能降碳新材料、新工艺、新技术在结构力学课程中应用的系统,以满足日益增长的培养学科交叉、具有“双碳”工程应用思维的新工科人才的迫切需求。
(二) 教学模式
以培养工程从业人员的工程素质和直接服务工程实际为目标的土木工程专业,以培养创新复合型高级工程技术人才为导向。结构力学课程以服务实际工程为特色,重视理论与工程实际应用的联系,但传统教学模式多以课堂教师讲授为主,实践内容较少,从而在“教师教、学生学"这种单纯输出型的以教师为中心的传统教学模式下,缺乏学生对教师输出内容的反馈,学生学习积极性和主观能动性不高-8。
在国家“双碳”战略目标的需求下,建筑行业新技术、新工艺不断发展,新材料、新产品不断涌现,显然这种灌输式的教学模式已经难以适应要求越来越高的创新性复合型“双碳”人才培养目标的需求。针对现有课程内容,如何突破现有教学模式的局限,通过多元化教学形式融入“双碳”目标,并提高学生学习的积极性及趣味性,实现学生从“要我学"转变为“我要学”,从而真正实现“双碳"专业人才培养目标。
二 课程教学改革具体措施
(一)重构课程教学目标
基于国家“双碳”战略目标,以服务国家“双碳"专业人才培养为需求,并结合土木工程专业培养目标及毕业要求,明确结构力学课程教学应达到的具体课程自标,以及与毕业要求的对应关系。针对结构力学课程特点及培养方案与毕业要求,课程自标设置如下。
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课程目标1:掌握平面结构体系机动分析及静定结构和超静定结构内力及位移计算的基本方法。
课程目标2:对于常见工程结构的设计计算,可用所学基本原理及计算方法准确运用至工程实际。
课程目标3:基于基本力学原理,对采用新材料、新工艺、新技术的实际工程问题能提出具体的解决方案,具有对计算结果进行校核及内力分布合理性判定的能力。
(二) 课程思政建设
结构力学课程内容与工程实际息息相关,是工科专业中较为重要的专业基础课。结构力学课程思政通过课程的教学实施,在讲授专业知识的同时,充分展现与之相关的国家重大工程、重大项目、重要精神,实现课程思政内容润物无声、潜移默化的育人效果-。党的二十大指出推进工业、建筑、交通等领域清洁低碳转型”,建筑行业绿色化、低碳化势在必行,责任重大。
如何将“双碳”战略目标与结构力学课程思政结合。基于结构力学课程特点,结合教育部《高等学校课程思政建设指导纲要》,可从以下三个方面开展课程思政融人。
1基于服务“双碳”战略自标,结构力学课程在应对行业优化调整,立足节能减排方面,其课程思政建设可从设计、实施及反馈三个阶段逐步实现,课程思政反馈又可指导其设计及实施,以形成有效的闭环,从而建立专业的学生培养制度和课程评价体系。
2学生通过结构力学课程学习系统地掌握结构力学基本知识,掌握平面结构受力特点,运用基本原理解决工程实际问题。引导学生对基本原理在实际工程中的应用及相关前沿问题开展探索思考,使学生能够正确地认识结构力学在建筑领域中的重要价值,让学生真正认识到掌握结构力学基本原理是设计和建造出更高质量、更安全、更可持续结构的重要保障,培养学生的大国工匠精神、职业精神及家国情怀等。
3)在授课过程中,教师可讲述我国著名的工程项目设计及建造过程,如港珠澳大桥、国家游泳中心(水立方)国家体育场(鸟巢)等,向学生介绍工匠精神、职业精神等是如何在这些项目中发挥作用的,以此培养学生不断践行发扬不怕苦、不怕累的土木作风、传承精益求精的工匠精神及良好的职业道德,从而激发学生学习的积极性和主动性,达到“为国育才、为党育人"的培养目标,为国家的发展和建设贡献力量,担当社会责任。
(三) 课程教学建设
结构力学作为土木工程专业的专业基础课,授课内容涉及力学、材料、环境等多个领域知识,具有多学科交叉的显著特点。
1)课程内容方面:针对结构力学课程存在的“双碳'教学内容不足、教学模式单一等问题,课程设计需面向“双碳"背景下建筑行业新材料、新工艺、新技术领域研究前沿,丰富课程内容,更加系统地介绍土木工程新材料、新工艺、新技术在“双碳”战略目标实现过程中发挥的作用等相关内容。
2)教学模式方面:改进优化课程教学模式,将绿色低碳、可持续发展理念融入课程教学,在传统授课的基础上增加新的教学环节,如基本理论如何与实际工程相结合的应用实践环节、带领学生在实际工程中进行情景教学环节、让学生将实际工程抽象为力学模型的自主学习环节等,为国家培养“双碳”人才打下坚实基础。具体课程改革内容系统阐述如下。
1智能化设计
随着建筑智能化的不断深入和推进,现代结构分析技术及数据分析工具,如人工智能、虚拟仿真、数值模拟等,在建筑行业得到了越来越广泛的应用,计算机辅助设计软件(AutoCAD)结构优化软件(ETABS、SAP2000)及数值模拟分析软件(ANSYS、ABAQUS)等软件工具,实现更高效、更精准的结构设计。具体实施可从以下两个方面展开。
1)课堂教学及实践环节中,引入虚拟仿真技术,与课堂多媒体系统相结合,运用软件自动分析与软件三维建模仿真效果,将复杂的结构受力分析与计算过程简化为可视化、形象化,让学生直观认识如何应用结构力学基本原理及计算方法分析计算实际工程结构的内力及变形等,将实际工程与结构力学基本原理建立联系,强化学生的专业知识与实践应用技能,实现课堂教学可视化、趣味化,提高学生学习的积极性,培养学生主动学习的能力。
2)增加有限元软件基本理论及基本操作的学习,对于较简单的工程结构(如桁架、刚架等),学生能建模并分析不同外界作用及改变结构边界条件时结构受力特点的变化规律,让学生对结构优化的概念有更为直观的认识,使抽象理论知识变得形象生动,从而让学生掌握在确保工程结构安全性及经济性的基础上,如何将结构力学基本原理及设计方法运用于实际结构,培养学生践行降能低碳理念,提升学生学习的积极性及自主性,为“双碳”人才培养奠定基础。
2绿色材料结构力学
随着节能减排及绿色低碳在建筑行业的不断推进,具有发展可持续性和应用可循环性的木结构和竹结构等绿色材料得到了越来越广泛的应用。当前,在“双碳"战略目标的不断推进下,木竹材的使用不仅能减轻对化石资源的依赖,还能为未来新材料、绿色能源、环境和生物医疗等领域发展提供新的支撑。因此,对于土木工程专业,木结构及竹结构的推广应用对于践行建筑低碳环保意义重大,在结构力学课程中可增设系统介绍该绿色材料结构设计的基本原理及方法,具体可从以下两方面展开。
1)结构力学课程课堂教学过程中,应增设和聚焦竹木等绿色建筑材料,紧扣“绿色发展、低碳建筑"的时代主旋律,紧跟学科方向前沿,融合相关领域最新科研成果,以结构力学基本原理及设计方法为载体,系统介绍竹木等绿色建筑材料的受力特点及结构设计,以及国内外竹木等绿色建筑的应用和发展等,潜移默化地让学生认识到绿色建筑材料的优势,自觉地践行“双碳”理念在建筑行业的实施,培养“双碳”人才。
2)近几年的结构设计大赛均以竹材为原材料,因此,在课程实践方面,可将相关力学相关竞赛引入实践教学环节,如大学生结构设计竞赛(国家级、省级、校级)力学竞赛(校级)等,鼓励学生积极参加,并可根据比赛结果获取相应的学分。在竞赛过程中,以分析实际工程的案例及基本设计概念为载体,探究该结构所蕴含的"双碳"理念,从整体上提升学生以竹木等绿色建筑材料建造结构模型的概念设计、方案优化和实践技巧,培养学生自主创新和实践能力及“双碳"理念。
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