土木工程力学类课程体系与教学方法的研究与实践

李书进 厉见芬 高瑞霞

(常州工学院土木建筑工程学院，江苏 常州 213002)

0 引言

力学类课程是土木工程专业的技术基础课，是解决工程问题的基础。［1］但是，传统的力学课程教学存在2种倾向:一是侧重理论讲述而缺乏工程实例的支撑，理论教学与工程实践相脱节;二是在部分任课教师中存在重专业而轻基础的现象，造成力学类课程的教学逐渐被弱化。其结果导致教学效果不佳，学生难以学以致用。有关力学类课程的教学改革［2－3］报导很多，但有的研究过于追求各门力学课程自身的完善。以课程为中心的教学对知识的相互渗透和衔接不够，割裂了力学知识体系的整体性和综合性。有的则过于重视力学类课程的理论性、系统性，与后续专业课程的结合度不够，不能突出应用型本科的培养目标。

本文按照新时期培养应用型土木工程专业人才知识、素质、能力结构的要求，以培养学生对力学原理的“工程应用能力”为主线，构建和优化力学类课程的课程体系和教学内容，并对教学方法和教学手段等进行了全方位的教学改革。通过教学研究和教学实践，激发了学生的学习兴趣，提升了总体教学质量，为土木工程专业的学生综合运用力学原理解决工程问题奠定了良好的专业基础。

1 构建土木工程力学类课程体系，优化整合教学内容

1.1 设置力学类课程模块，构建“模块化、专题式”的课程体系

按照力学类课程内容的关联程度将力学类课程设置为基础模块、工程基础模块和专业模块。基础模块包括3门基础力学课程，其内容又分成基础部分和专题部分。基础部分讲授力学基本概念和基本原理，专题部分具体讲授工程应用。专题部分是后续课程的重要专业基础，可根据学生专业方向不同取舍教学专题。交通土建方向的专题主要有影响线及其工程应用、无铰拱的计算等;建筑工程方向的专题主要有多次超静定框架体系的求解、无剪力分配法、塑性铰等。工程基础模块主要讲授较复杂的力学概念和原理，以及并用其解决工程设计中的技术问题。专业模块重点解决力学计算、求解与数值模拟，包括“工程结构抗震”、“结构实验”和“预应力混凝土构件”等课程。土木工程专业力学类课程教学模块如表1所示。

表1 土木工程专业力学类课程的教学模块

由于各专业模块涵盖课程较多，表1中仅列出了各模块中的部分核心专业课程。划分3大模块并选择不同专题开展教学，对课程内容和授课形式等方面进行必要的调整，以保证力学课程体系的科学性和完整性。统筹各模块教学内容的取舍，充分发挥模块组合效应，以满足不同专业方向人才培养的需要。

1.2 基于土木工程专业对能力培养的要求，优化整合力学教学内容

土木工程专业要求学生不仅要具备扎实的力学理论知识，还应具备相应的建模能力、分析能力、计算能力、判断能力和解决工程实际问题的能力。本专业各门力学基础课程(基础模块)对学生能力培养的要求见表2。

表2 土木工程专业力学基础课程对学生能力培养的要求

虽然土木工程专业的3门力学基础课程侧重点不同，但内容上却有较强的联系和交叉。在教学内容的选取上，应基于本专业对学生力学能力培养的要求而统筹编排，避免过于追求各门力学课程本身的系统性和完整性。对于相同或相近的教学内容予以优化重组，整合后的“理论力学”课程主要涵盖静力学、动力学基本原理;“材料力学”课程主要涵盖构件的强度、变形和稳定理论;“结构力学”课程主要涵盖杆系结构内力与变形计算。“理论力学”课程中的虚功原理与“结构力学”课程中单位力法作为精讲内容，“材料力学”课程则只需稍加阐述。对于土木工程专业来说，运动学和杆件扭转等内容与后续课程关联性不强，可适当删减。

此外，还应理顺力学类课程和后续专业课程的衔接关系，避免内容上的重复或知识点的缺位。将“土木工程材料”、“混凝土结构原理”和“钢结构”等课程有关材料力学性能的内容，以及“钢结构”课程中截面几何性质部分均调整到“材料力学”课程中，将基础力学课程中连接件计算、实际压杆稳定计算等专业内容调整到“钢结构”课程中;精讲结构动力计算部分，为后续“工程结构抗震”课程的教学做好铺垫。

2 以培养“工程应用能力”为主线的力学类课程教学实践

教学活动应始终围绕培养学生对力学原理的“工程应用能力”这一主线，注重结合工程背景讲授力学原理，避免单纯从理论角度灌输力学知识，给传统教学方式添加“活化剂”，充分调动学生学习的积极性。

2.1 运用工程案例培养学生的抽象思维能力

结合工程实例讲授基本力学概念，引导学生对实际工程结构进行抽象思维，再加以概括提炼，去伪存真、由表及里地抽象出其中的力学要素，最终引出力学概念。运用图片、影像等多种媒介展示具体工程案例，将工程结构的实际约束抽象为理想约束而得到力学计算模型。如，钢屋架的焊接、木屋架的榫接以及现浇钢筋混凝土屋架，当弯矩和剪力较小时，常简化为光滑圆柱铰，杆件简化为链杆，屋架则抽象为理想桁架。以实际工程案例讲解刚架、排架和桁架的概念，可以所在教学楼为钢筋混凝土刚架结构，教室门窗过梁可简化成简支梁等为例。

2.2 锻炼学生对力学原理的综合应用能力

力学类课程教学既要让学生掌握系统的力学知识，更要做到学以致用。如，讲授斜梁内力图后，可让学生对楼梯进行分析计算;讲完排架的内力计算后，可让学生对单层厂房排架结构进行分析计算。补充讲解设计、施工环节中常见的受力分析不清、传力途径混乱，结构抗力不足等问题。在认识实习和施工实习时，引导学生思考构件运输、堆放、吊装、组装过程中涉及到的力学问题，使力学类课程教学发挥承前启后、理论指导实践的作用。

2.3 力学类课程教学充分考虑执业考试的需求

目前，土建行业各类执业注册考试基本都含有力学内容，而且所占分值比例较高。考虑到这一实际需求，授课内容尽可能覆盖执业注册考试大纲的范围，加大相关题目的练习。这也要求授课教师应具有丰富的工程经验，且在当地建筑行业具有一定社会影响，成为培养较强岗位适应能力卓越工程师的教师。

3 创设趣味性、探究式教学新方法，锻炼学生的开放性思维

3.1 趣味性教学新方法的创设与运用

兴趣是学习的最好老师，浓厚的学习兴趣更容易诱发学生学习的主动性和积极性。将抽象晦涩的力学概念讲述以学生喜闻乐见的方式进行，通过蕴含力学原理的事例，增加课堂的趣味性。征引古今中外的力学趣闻和史话，如，汉代郑玄对胡克定律的贡献，宋代《营造法式》关于木梁高宽比的认识等;讨论如何培育抗倒伏水稻、竹子为何长成中空截面等看似与力学无关的问题，让学生加深对欧拉公式和压杆稳定的理解;将渐进法中力矩分配和传递过程喻为“按劳分配”、“礼尚往来”等故事化情景，创造寓教于乐的良好课堂气氛，有助于激发学生学习的内在动力和智慧潜能的发挥，从而达到预期的教学效果。

3.2 探究式教学新方法的创设与运用

针对“以问题为起点，以结论为终点”的封闭式教学过程的弊端，创设一种以案例和问题为核心的情境，激发学生探究问题的兴趣，培养学生的研究能力。探究式教学法以学生的积极参与为前提，强调师生互动，是一种“问题—探究—结论—问题—探究”的开放式教学过程。从熟悉的现象和工程实际问题入手，广泛联想引出力学命题，给学生思考的空间，展开讨论并加以引导，将朦胧的感性认识升华到科学严谨的理论。如，关于叠加法绘制伸臂梁M图，先让学生对比分析简支梁和伸臂梁的区别，进而分析“高架桥横梁为何采用伸臂梁的形式”在这种教学过程中，充分利用学生的求知欲，使其始终处于主动学习状态，潜移默化地提高了学生分析问题、解决问题的能力，锻炼了开放性思维。

4 结语

模块化、专题式的土木工程力学类课程体系，可充分发挥模块组合效应，符合不同专业方向人才培养的需要。以培养学生对力学原理的“工程应用能力”为主线，注重结合工程背景，灵活运用案例进行课程教学，为学生学好后续专业课程奠定坚实的力学基础。创设的趣味性、探究式的新型教学方法，激活用力学概念进行结构设计的创新思维潜质，将传统的封闭式教学过程转变为开放式的教学过程。

［1］邱继生，文艳芳，熊光红.土木工程力学类课程系统性及创新性实践与研究［J］.陕西教育:高教版，2009(9):40－41.

［2］杨博，孙海涛，杨柳，等.工程化教育背景下土木工程专业力学课程体系改革的探讨［J］.教育与教学研究，2010(5):63－64，83.

［3］马崇武，徐有基，秦怀泉.土木工程专业力学课程改革的研究与实践［J］.高教论坛，2007(2):112－113.