新工科背景下结构力学课程“线上+线下”教学模式的实践与探索

丁胜勇　崔先泽　陈露

关键词：结构力学;新工科;线上教学;理论与实践

为应对新一轮科技革命与产业变革引发的国际竞争新形势，2017年起教育部开始积极推进新工科建设，掀起了我国高等工程教育的质量革命。从狭义的角度来理解，新工科是指人工智能、大数据、工业互联网等新兴专业，但新工科作为一个系统工程，系统中各专业并不孤立存在，而是相互关联构成一个不可分割的整体，传统工科专业的升级与改造仍是新工科建设重要组成部分之一。结构力学是传统工科专业一门重要的专业基础课程，其任务是研究杆件结构的组成规律和受力性能，主要根据力学原理分析在外荷载和其他因素作用下结构的内力和变形，并要求学生通过结构力学课程的学习，能够具备一定运用相关计算方法解决工程实际问题的能力。结构力学向前对接学生数理基础，向后进行专业培养目标，在培养体系中起到承前启后的桥梁与纽带作用。由于结构力学本身具有理论和应用双重属性，对学生来讲，除了需要具有扎实的数理学基础，还要有一定的工程实践积累。受限于当前各种主客观因素，现行结构力学的教学多侧重于围绕理论知识进行课堂教学，在工程实践结合方面的力度却稍显不足，这显然与培养专业知识扎实、工程能力娴熟、创新意识较强的新工科人才的目标还存在一定差距。当前，信息技术和互联网的快速发展推动着传统行业革命性的变革，教育行业也不例外。以新工科建设为契机，融入新工科理念，探索适合的线上和线下结合的教学模式，对结构力学的课程教学进行丰富和完善，无疑对提高结构力学课程的教学质量和效果具有积极意义。

一、互联网信息技术在教学中的优势

在现代信息社会，互联网具有传递性、自由性、实时性、交换性、共享性、开放性等特点。随着科学技术的不断发展，信息化技术已渗透到社会的各个方面，在人们的学习和生活中发挥着不可替代的重要作用。

（一）互联网能够为教学提供更新更全的资源

互联网的重要功能是资源的共享和分享，利用这一功能学生都能方便地在网上获取课程视频、参考文献及开源的计算程序代码和软件等学习资源。同时，学生也能将好的学习方法、学习工具和学习资料分享给其他人，这极大扩充了学生获取知识的渠道，有利于强化学生的主体地位。

（二）互联网技术能够实现对学生的智慧管理

利用线上平台对学生的学习进行全过程管理和评价，包括课前预习评价和测评反馈、课堂实时检测评价和即时反馈、课后作业评价和跟踪反馈，实现即时、动态的学习诊断分析评价和信息反馈。教师能根据学生的学习情况及时采取对策，有利于发挥教师的主导作用。

（三）互联网技术能够打破时间和空间的局限

互联网技术最直接的教学手段是线上教学。基于网络环境的线上教学，打破了传统课堂教学在时间和空间上的限制，使教师与学生之间、学生与学生之间、教师与教师之间的交流变得更加灵活方便。通过强化学习的互动性，线上教学平台既方便了教师的教和学生的学，也促进了学生与学生之间、教师与教师之间的交流与合作。

二、结构力学课程线上与线下教学的比较

（一）结构力学课程教学中的线下教学

课堂教学中教师与学生“眼睛对眼睛”的交流，有利于教与学的互动。教师从学生的课堂反应中能及时了解学生的学习情绪、对教学内容理解的程度、出现的问题及症结等，易于及时采取相应的对策，发挥教师的主导性。传统教学方式可让教师从不同的角度去帮助学生解读一个概念或原理，既可很好地控制理论公式推导节奏的快慢，也可以边讲边绘图，抑扬顿挫、突出重点、因材施教。理论性强的知识通常晦涩难懂，这种面对面的传授，令学生的思维与教师同步，对提高学生的学习效果有着重要的作用，这是任何现代技术所无法代替的，可见理论性强的内容更适合采用传统的课堂教学。

（二）结构力学课程教学中的线上教学

结构力学课程的传授不应仅是理论知识的讲授，联系工程实践的教学可让学生有更直观的感受和体验，更受学生的欢迎。学生汲取知识的过程如果仅通过理论学习，没有针对性地实践，因为缺乏对工程实践的感性认识，学生对理论知识的认知多停留在识记的层次上，这些知识会随时间的推移而被遗忘。网络平台教育的功能是强大的，它的活力体现在形象、生动、逼真上。对于那些比较抽象、讲授起来冗长或难以用语言描述清楚的实践性内容，若化静态为动态、化抽象为形象，采用动态视频、动画、照片和声音等展示，有利于增加学生的感性认识。此外，利用丰富的网络教育资源，通过网络视频、仿真软件模拟展示工程实际问题，弥补课程或教材原有工程案例匮乏、陈旧的不足，激发学生的学习兴趣，提高工程实践力。实践性知识由于其内容宽泛、形式多样各异，更适合采用线上教学进行补充。

三、结构力学课程线上教学与线下教学的结合

结构力学课程的主要任务是引导学生从整个力学知识体系的角度，不断加深、丰富对力学概念的理解，进而初步具备结构分析的能力。流光溢彩的上层建筑不能缺少朴实无华的基础，只有力学基础概念的加强才更有利于力学综合能力的培养，可见结构力学课程仍需以传统课堂教学为主。当然，结构力学的教学不应仅立足于理论知识的传授，还应满足学生后续从事专业工作、新项目研究、开发和继续学习的要求。若仅依靠时间和空间都受限制课堂教学，想把结构力学课程学好学精，无论是对学生学，还是对教师教，都是一个极大的挑战。

三峡大学是一所省属院校，以水利土木类专业为特色专业，结构力学课程在学校水利土木类专业自2000年起已开设至今。长期以来，由于學校教学资源有限，结构力学课程普遍采用大班授课，采用传统的教学管理手段，教师往往难以准确掌握班级学生的学习情况。另外，由于结构力学实验装置庞大而昂贵，使得实验器材设备较少，器材人手不足，以多人为单位的小组实验也导致多数学生无法真正地参与实验。针对这些情况，单纯依照已有教学模式并扩大其规模并不合适，因为客观上，学生人数过多，设备器材缺少的现状难以短时间内扭转。通过利用线上教学对课堂教学提供辅助和进行补充，可显著提高结构力学课程的教学质量和效果。

（一）线上教学对理论教学的辅助

（1）利用线上平台将授课内容中涉及的数理知识难点在课前推送给学生，让学生在预习课程时做到有的放矢，从而提高课堂授课效率。例如，图乘法是通过公式推导将两个杆件弯矩乘积的积分转换为两个几何量乘积的形式，整个推导过程涉及的三个假设和静矩的概念对应着图乘法在实际应用时注意的各种情况。将静矩等知识难点提前推送给学生，有利于学生对图乘法的特点和技巧的理解。

（2）利用网上资源丰富课堂教学的教学资料，帮助课堂上讲清理论知识的来龙去脉，让学生明确力学知识背后的实际工程问题。例如，结构的位移计算可对结构进行刚度校核，通过引入实际生活中因结构刚度失效导致工程事故，让学生知道刚度校核的重要性，培养学生的工程安全责任意识。此外，拱坝、拱桥等设计涉及合理拱轴线的计算，厂房、平板桥等设计涉及连续多跨梁的计算，通过科普视频向学生普及一些典型工程的结构设计要点，让学生知道所学的力学知识将来有什么用，以增强学生的学习动机，来提高学生学习的积极性。

（3）通过线上平台对学生进行签到，加强对学生到课率的管理。同时，在授课过程中利用线上的随堂测验对学生的听课效果进行检测，实时掌握学生的课堂学习情况，及时更改教学方式、调整教学方案等。在课后针对学生课堂学习中的薄弱环节进行相应的知识补充，将与课程内容相关的课后作业推送给学生进行强化训练，鼓励学生之间通过线上平台对课程内容进行交流讨论、对课后作业进行互评。通过线上平台实现对学生学习的全过程智慧管理，全面提高学生培养质量。

（二）线上教学对实践教学的补充

（1）结构力学研究的对象主要是工程结构，这些工程结构的形式很多（包括梁、桁架、刚架、拱与组合结构等），它们的联结方式也各不相同。结构形式和组成的多样性使得结构力学解题方法灵活多样、技巧性强，对结构组成分析的不熟练常造成学生面对一个新的结构时不知从何下手。在学习几何组成分析这一章内容时，向学生推荐一些力学与土木工程相关的应用（游戏）。这些应用一般通过不断优化结构来保证设计的可行性来闯关，使学生在娱乐的同时，从实践中积累结构设计知识，加深对结构几何组成的认识。

（2）从工程实践的角度来看，结构力学能力的培养不应停留在对结构定量计算能力的培养，更为重要的是对结构定性分析能力的培养。结构定性分析能力需要学生对结构变形和内力等结果中发生的现象或出现的问题能够做出迅速科学判断。为提高学生的结构定性分析能力，利用线上平台搭建结构内力图题库，供学生练习和研究讨论。同时，每学期定时组织结构内力图竞赛，在竞赛中要求学生在短时间内完成大量结构内力图的绘制。通过内力图竞赛的常态化将结构定性分析的內容融入结构力学的教学过程之中。

（3）结构设计竞赛是学生实现力学理论知识向工程实践转化的重要平台。在结构设计竞赛中，学生根据结构所受荷载和边界条件的情况，对结构体系进行优化设计。在模型设计阶段，学生需要对结构的组成和形式进行不断调整，采用经典手算的办法耗时费力。伴随着计算机技术和数值计算方法的兴起，复杂结构的分析计算普遍采用计算机求解。在结构力学的教学中，补充上机试验内容，利用结构力学求解器或有限元分析软件等，演示结构分析的计算机求解过程，使学生了解结构力学计算方法最新发展趋势，扩展学生的知识面等。

（4）结构力学作为部分工科专业的公共基础课，结构力学的教师常常会面对不同专业的学生，受教师自身的知识结构、知识储备和拥有的教学资源的限制，对不同专业的学生进行差异化的专业性实践学习引导的要求是难以达到的。此外，结构力学课程教师与其他相关专业课教师之间缺乏沟通渠道，基本上各自为战，客观上进一步造成了理论与实践前后内容脱节、知识衔接困难。利用线上教学平台加强各课程教师之间的交流合作，让其他相关专业课教师提前参与到结构力学的教学过程，可促进教师之间的教学资源整合，减轻教师的教学负担，例如，不同专业的专业课教师可在学生学习结构力学课程时向其提供相应专业的工程实践案例，这样既可丰富结构力学课程本身的实践教学内容，又让学生提前接触到本专业的工程实践问题，提高专业课教师讲授专业课时的效率。

结语

新工科建设的提出，对结构力学的课程教学提出了新的要求。结构力学的教学除了要完成基本理论知识的传授，还应根据学校特色与定位，进一步培养学生的工程实践创新能力，为学生专业知识的学习打下坚实的基础。将线上教学作为一种辅助和补充手段，弥补传统课堂教学的短板，可更好地帮助学生完成从力学基础到专业应用的过渡。在后续的教学工作中，将利用线上教学对结构力学的教学做进一步的丰富和完善，继续对课程线上教学与线下教学的结合方式进行实践和探索，以期能够对结构力学课程教学改革的研究工作提供一些有益的参考和建议。

作者简介：丁胜勇（1987— ），男，博士，讲师，研究方向：结构力学课程教育教学研究。