基于“4+1”模式的应用型高校结构力学课程教学改革与研究

杨 阳，胡爱萍，王进玺

(1.陇东学院 土木工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.甘肃省高校黄土工程性质及工程应用省级重点实验室，甘肃 庆阳 745000)

自19世纪中叶，结构力学开始成为一门独立的学科。20世纪中叶，电子计算机和有限元法的问世使得大型结构的复杂计算成为可能，从而将结构力学的研究和应用水平提到了一个新的高度。结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科，探讨各类经典结构的特性及相关计算的实现，相关定义、概念和知识点较多，抽象性强[1-2]。近年来，随着社会不断发展进步，它作为土木工程专业学生必修的一门专业核心基础课，对于其他专业课程的学习起到承前启后的重要作用，同时也是土木工程专业后续混凝土结构设计、钢结构设计等专业课程和课程设计、毕业设计等实践课程的基础，在土木工程各专业的学习中均占有重要的地位[3-5]。

1 课程现状及存在问题

传统结构力学课程教学过程中存在以下问题[6]：(1)课程内容繁琐、零乱，概念抽象,针对理论内容的抽象讲解更容易使学生产生学习误区，让内容变得更加晦涩难懂；(2)应用能力要求在不断提高，但课时量不断减少；(3)传统教学方式单一。传统结构力学教学仍停留在教师课堂讲授、学生被动接受知识、即以教师为主体的“填鸭式”状态，引入新型教学模式，注重力学知识体系的强化，引导学生从知识体系的高度来认识、理解、归纳各种力学概念、理论与方法，加强力学概念和培养综合分析能力，并在这个过程中培养学生的创新意识和初步的科研能力，便显得尤为迫切。

2 课程教学改革探索与研究

针对结构力学课程教学中存在的问题和不足，本课程改革主要从以下几方面进行：

2.1 激发学生的学习兴趣

兴趣是最好的老师。结构力学课程的学习关键在于要激发学生学习结构力学的兴趣，提高自身的主动性，充分发挥学生的主观能动性，对于结构力学的学习由“未知—感性的认识—浓厚的兴趣”，从而可以改进学习方法，提高学习效率，并且具备应用结构力学知识分析问题和解决问题的能力。例如：开课前给学生介绍参考书《趣味结构力学》[7]，该书包括结构力学基本部分(几何组成分析、静定结构内力计算、结构位移计算、力法、位移法和力矩分配法、影响线)的内容，也涉及结构力学的专题部分(动力分析、稳定、极限荷载)的部分内容。通过丰富的例题及工程实例，在阐明结构力学基本概念和原理的基础上，揭示了课程的趣味性，旨在激发学生学习结构力学的兴趣。另外加强对历年来结构设计大赛获奖的情况宣讲，让学生对结构力学知识的应用成果有直接的认识，从而增强他们对结构力学等课程的感性认识和学习兴趣。

2.2 改革教学模式

传统的教学手段主要以教师讲授为主，不能充分地发挥学生的主观能动性。因此，在传统结构力学课程教学改革研究的基础上，首次提出在“慕课+翻转课堂”的基础教学中融入结构电算和结构模型设计的“4+1”教学模式，应用信息化教学手段，建立结构力学课程学习平台，通过任务驱动、课堂翻转、案例教学、有限元分析与图像展示、现场实践，促使学生实现了从“被动、依赖、统一、虚拟与认同”的传统学习方式向“主动、独立、独特、体验与问题”的现代学习方式转变，真正做到了以学生为主导的教学模式。

2.3 优化教学内容

针对结构力学教学内容繁琐和概念抽象的情况[8]，可以根据学情，注重教学内容逻辑性和科学性的同时对相关内容的先后顺序进行灵活调整，突出重点，分散难点，穿插对结构力学学习方法的讲解，引导学生归纳知识点，合理安排教学内容，在满足基本教学要求的前提下取得最好的教学效果。例如：在力学结构第2章结构的几何组成分析中[8]，介绍了两种方法：(1)几何不变无多余约束的平面杆件杆系的几何组成规则；(2)体系的计算自由度。这两种方法都能判定结构体系的组成情况，计算自由度法更直观、更容易被学生接受。为了让学生更加容易理解，可以对两种方法的教学内容做先后次序的调整，先介绍体系的计算自由度法，后介绍几何不变无多余约束的平面杆件杆系的几何组成规则，以便于学生更好地掌握结构的几何组成分析。

2.4 加强结构力学实践应用

应用型本科教学重点是要强化学生的动手能力和应用能力，让学生真正做到学以致用。因此，将结构模型制作引入结构力学课程教学环节中，通过结构力学知识的学习可以指导学生制作各种结构模型，反之，也可用结构模型验证各种结构力学概念，将抽象的力学概念转化为实际的力学结构模型。例如：牵头成立了大学生结构设计协会，组织学生利用竹材制作简支梁等简易结构模型以及框架核心筒、大跨度网架和电力输电塔等复杂结构模型并进行加载试验，为学生架起由“力学理论”到“实际结构”的桥梁，可加强结构力学实践应用，培养学生的实践应用能力。

2.5 提高科技创新能力

创新人才的培养是现代高等教育最重要、最明确的目标。在结构力学学习过程中，结合有限元软件强大的计算分析和图像展示功能，应用力学原理对结构模型进行计算分析，不仅提高了学生的学习兴趣，而且使结构力学课程中静定结构内力计算、结构位移计算、矩阵位移法等教学内容可以得到更好的展示，并且依托于大学生结构设计竞赛的平台，在立足于解决实际问题的基础上，激发和培养学生的创新思维，提高学生的科技创新能力，使学生可以实现对力学知识的应用，参与各种创新性研究项目，发挥课程的辐射作用，全面推动创新人才培养。近三年来依托于大学生结构设计竞赛，组织学生积极参与，认真实践并不断改革创新，参加省赛的6组学生先后获得甘肃省结构设计大赛二等奖1项，三等奖4项，优秀奖1项，并且积极参与到教师的创新性项目和大学生创新创业项目中，使学生的科技创新能力有很大的提高。

2.6 改革考核方式

土木工程专业依据学校的“应用型”的办学定位和专业特色，要求学生毕业后具有：(1)坚实的土木工程学科基本理论知识和基本应用能力；(2)具备系统解决土木工程领域较为复杂工程问题的能力及创新创业实践能力；(3)具有一定的国际视野、团队协作精神和沟通管理能力。结构力学课程作为土木工程专业的核心课程和支撑课程，必须与专业培养目标相一致。以往课程考试一直采用闭卷考试，考试题型有选择题、填空题、判断题、计算题和分析题等。学生卷面不及格率较高，力学实践应用能力较差，不能完全反映学生的真实学习情况。因此，对传统以考试为主的考核方法进行改革势在必行。改革考核方式迫在本着“应用型和实践型”的原则，应该加强日常管理，考核过程中应考虑学生日常表现(5%)、课堂表现(5%)、章节测试(10%)、期末考试(40%)、有限元分析能力(10%)、模型制作能力(10%)和力学实践应用能力(20%)等进行综合评定，后期课程改革过程中也可根据改革效果，逐步大力提高课程成绩评定中有限元分析能力、模型制作能力、力学实践应用能力等综合实践能力所占权重比例，最终达到60%左右，全面提高学生的综合素质和培养质量，真正意义上体现“应用型和实践型”的原则。

3 结语

基于“4+1”模式的应用型高校结构力学课程教学，以结构力学教学为中心，基于目前在全球得到快速发展的慕课教育技术平台，同时引入国外翻转课堂的教学方法，使结构力学电算、结构模型设计实践与结构力学课程学习相结合，提出了任务驱动、课堂翻转、案例教学、有限元分析与图像展示、现场实践等教学改革研究，从教学内容体系规划和教学方法等方面改革，加强对土木工程专业结构力学课程的建设，旨在提高学生学习的主体性、趣味性和参与度，形成了“知识—训练—实践”良性循环的新型结构力学课程教学模式，从而提高土木工程专业学生面向工程实际的力学分析与计算能力。