面向力学专业的结构力学课程建设探索

摘  要：根据结构力学的课程特征，该文在结构力学课程教学中将传统中国文化和近年来我国取得的伟大成就与课堂教学相融合，解析基础知识、培养专业素养；从工程事故案例中引发思考，运用所学知识分析事故原因，认识学习结构力学的重要性。同时结合兰州大学力学专业的特色和定位，采取课堂教学与课后自学相结合、线上教学和线下教学相结合、统一性和差异性相结合的教学模式，对结构力学课程从教学内容和授课方式方面进行课程建设探索，以期提升结构力学教学效果及教学质量，以立德树人为导向，为新时代的高等教育添砖加瓦。

关键词：结构力学；力学专业；教学内容；授课方式；教学改革

中图分类号：G642         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）19-0095-05

Abstract： According to the course characteristics of structural mechanics， in the course teaching of Structural Mechanics， the traditional Chinese culture and the great achievements made by our country in recent years are integrated with classroom teaching. Based on the actual engineering structure， analyze basic knowledge and cultivate professional quality. In addition， we trigger thinking from engineering accident cases， use the knowledge learned to analyze the cause of the accident， and recognize the importance of studying Structural Mechanics. At the same time， combined with the characteristics and positioning of the mechanics major of Lanzhou University， a teaching mode combining classroom teaching and self-study after-school， online teaching and offline teaching， and unity and difference is adopted. The course construction of Structural Mechanics course is explored in terms of teaching content and teaching methods. It is expected to improve the teaching effect and teaching quality of Structural Mechanics. Meanwhile， contribute to strengthening morality education in the new era.

Keywords： Structural Mechanics; mechanics majors; teaching content; teaching methods; teaching reform

力學大师冯卡门指出，力学是用数学武装工程科学[1]。力学专业的学生不仅需要具备扎实的数学基础，还要拥有将实际工程问题凝练为科学合理的力学模型的能力[2-3]。结构力学是研究工程结构的学科，旨在通过严谨的数学方法和思维，将工程问题转化为力学模型，以期解决实际问题。结构力学课程在力学专业中起到了链接基础学科和应用学科的重要纽带作用[4]。通过结构力学课程的学习，能够帮助力学专业学生提高结构分析与计算能力，培育工程思维能力，形成工程思维习惯，为后续的课程学习、科学研究和工作奠定坚实的能力基础。

一  力学专业学生结构力学课程现状

结构力学是固体力学的一个分支，以杆件结构为主要研究对象，根据力学原理研究工程结构在外力和其他因素作用下的内力、位移、稳定性及结构优化问题[5]。结构力学课程内容环环相扣，理论性、逻辑性强，所涉及的计算方法种类繁多，课后习题对求解技巧要求高，整体理解掌握难度较大[6]。相较于土木工程专业的学生，面向力学专业学生的结构力学课程课时少、学分低（以兰州大学土木工程与力学学院为例，2021—2022学年结构力学课程在土木工程专业的学时为90，而在理论与应用力学专业的学时为54），且缺少必要的工程实践环节，外加未来就业方向的反向影响[7]，导致力学专业学生在课程思想重视程度、知识综合运用水平、工程思维能力培养等方面存在明显不足。

从教学模式来看，在目前教学改革大背景下，结构力学等专业课的课时被大幅压减[8]。为完成教学任务，结构力学课程建设大都倾向于优先完成经典理论部分的教学，压缩甚至忽略如何进行工程简化方面的传授，存在“重理论、轻工程”的现象。然而从力学专业学生的教学培养计划、专业课程安排和未来就业情况来看，结构力学课程的学习是力学专业学生培养工程思维的最佳窗口，旨为完成教学任务的应试教育明显无法完成这个使命。

从课程内容来看，结构力学的教学内容涵盖不同类型结构的几何构成、受力分析及变形分析，部分理论比较抽象，涉及繁冗的数学推导。在分析结构的内力时需要理论力学作基础，在计算结构的变形时必须以材料力学为铺垫，整个过程都需要用好高等数学工具，因此学好这门课程，学生必须能够将高等数学、理论力学、材料力学等理论性强的基础课程融会贯通[9]。所以，夯实数理基础是力学专业学生花费时间精力最多的部分，相比之下，如何在课程学习阶段系统培养自己的工程思维能力，学生则基本毫无考虑。

从学生角度来看，结构力学整体难度高且学习枯燥的课程特点，势必会导致学生产生强烈的畏难情绪，出现厌学、怕学的心态。对于学生来讲，假如失去了兴趣这个最好的老师，结构力学课程学习效果必定会大打折扣，甚至会对后续的专业课程学习产生影响，出现“多米诺骨牌式的塌方”[10]。而且从近些年来看，力学专业学生职业选择大都倾向于科研岗位和教学岗位，这就导致一些学生片面认为自己较工科学生对结构力学知识的运用率低，忽视了结构力学在力学专业中的地位作用，主观上降低了结构力学的重要性，课程学习满足于应对考试，不够端正的学习态度势必对课程知识综合掌握水平产生影响。

从教学任务来看，新时代高等教育的根本任务是立德树人，结构力学作为力学专业的一门重要课程，不仅专业性、理论性非常强，而且具有与实际联系紧密的应用型特点，所以结构力学课程建设不仅要落实在传道授业解惑的“树人”责任的基础上，还要主动融入思政元素，将马克思主义德育观、习近平教育思想纳入其中，承担起为学生“立德”的使命，通过寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，做到专业课与思政课同频共振、相互促进、协同育人。

针对结构力学课程特点，各高校教师展开了一系列研究探索，提出了诸多授课方式改革方案[11-15]。例如，王琳鸽等[11]所在的课题组通过自制录屏视频，对结构力学课程进行了教学改革，实现了教师的角色转换，激发了学生的学习兴趣。郑玉国[15]立足于教学、研究、教师、学生自身，提出一种“教→研→教”正向互动的教学路径，并以刚度分解法位移计算为例，阐述了采用该路径实施课堂教学的有效性。随着时代的发展，不同专业学生课程差异日趋明显，学生特点也各不相同，面向力学专业学生的结构力学课程建设，亟需结合力学专业学生特点，从教学内容和授课方式等方面进行改革，以期通过指向性强的精细化教学，培养理论功底好、应用能力强、道德品行端的力学专业学生，适应新时代背景下全员、全程、全方位育人的教育新格局[16]。

二  面向力学专业的结构力学课程建设探索

“为学须先立志。志既立，则学问可次第着力。立志不定，终不济事。”要成为社会主义建设者和接班人，必须树立正确的世界观、人生观、价值观，把实现个人价值同党和国家前途命运紧紧联系在一起[17]。本次课程探索将在传统教学的基础上，着力构建以知识链接、案例分析和思维训练为基本方法，教学模式贴合实际、思政内容贯穿其中的教学模式，通过生动有趣的方式将枯燥乏味的理论知识串联起来，将创新精神的培育和工程思维能力的培养融合其中，在激发学生学习兴趣、提高学习效果的同时，培养其爱国爱党爱校情怀。这样不仅有助于提高本门课程的教学效果，而且能为新时代大学生思想道德建设发挥积极作用。

（一）  教学内容的改革

1  从传统建筑文化中汲取智慧，夯实理论基础

中国古代建筑是中国传统文化的重要组成部分，是先辈留下的丰富多彩的建筑遗产，历经几千年沧桑变迁，在世界上形成了独特的建筑体系，是中华文明的综合反映[18]。介绍各种结构体系的中国古代建筑就是传授结构力学知识和弘扬中国传统文化的最好结合点。在讲授结构力学基本概念时，引入一些闻名于世的建筑实例，如在讲授拱结构时，通过介绍赵州桥的历史沿革和历次修缮情况，解析拱结构的基本组成、受力特点以及合理拱轴线设计等；在讲授对称结构时，以故宫、木塔、天坛等为例，分析对称结构的变形、受力特征，总结该类结构的内力计算特点；在讲授静定多跨梁时，将中国桥梁之父茅以升以及其主持修建的钱塘江大桥作为课程引入内容，让学生了解钱塘江大桥的建桥背景、结构特点、所承载的历史文化。以传统建筑为载体解析基础知识，以蕴含其中的历史文化为背景链接拓展知识，这样既能帮助学生构建知识框架，实现专业知识教学目标；又能让学生领略祖先智慧、了解祖国历史，不断提升民族自信、文化自信。

2  从现代建筑成就中感受魅力，培养专业素养

社会在发展，科技在不断创新，许多新型基建拔地而起，巍然屹立的背后是现代科技的支撑。比巴黎埃菲尔铁塔还高61米的世界第一输电铁塔[19]、能容纳十万人的奥运会主场馆鸟巢[20]、“凤凰展翅”的北京大兴国际机场航站楼[21]、全球首屈一指的港珠澳大桥[22]和10天建成的可容纳1 000张病床的火神山医院等[23]，这些基建项目高度、难度、速度的不断增加，完美彰显着现代建筑的发展水平与速度，展现着结构工程的魅力与光辉。关于其结构分类、计算简图的合理选取、几何构造分析、变形及受力分析、荷载作用下的位移计算及稳定性分析等问题都属于结构力学研究的范畴，将这些建筑案例融入到课程教学中，通过引导学生解构工程设计、剖析结构组成、构建力学模型，培养学生的科学思维习惯，训练学生的工程思维能力，激励学生执着于专业领域，勇于探索、积极创新，不断推进建筑行业向更高效、舒适、便利、环保的方向发展，以实际行动争做新时代中国奋起发展的践行者和开拓者。

3  从工程事故案例中引发思考，锤炼工匠精神

工程事故是等比例、同条件的实体实验，是多个因素叠加的结果。江苏省无锡市高架桥桥面侧翻、福建省泉州市酒店楼体坍塌、河南省某广播电视发射塔倒塌及广西玉林市5层楼承重墙被敲穿导致倒塌等等[24-26]，这些工程事故严重威胁人们的生命安全，造成重大社会经济损失，给人们的社会生活带来了严重后果。有些是因为认知不足、设计错误或设计缺陷造成；有些是沟通有误、操作不当，人为的不安全行为所导致。从力学角度分析事故原因，可以发现一些事故的成因与结构力学课程的知识点是契合的。例如，在建造加拿大魁北克大桥时，工程师Cooper等未经严密计算就擅自增加了桥梁主跨度，忽略了對桥梁重量的精确计算，在大桥即将竣工之际，由于桥梁自重过大使得大桥悬臂段的主弦杆受压失稳，最终导致建造了四年之久的大桥在15秒钟掉进了圣劳伦斯河，带走了75个人的生命[27]。在课堂上以这类建筑工程事故为案例，引导学生运用所学知识分析事故原因、总结事故教训，帮助学生认识到学习结构力学的重要性、培养工程思维能力的必要性、保持严谨科学态度的关键性，以及作为力学人肩上担负的责任与使命，激励学生自觉将历史使命感和社会责任感刻入骨髓、融入血脉，固化为世界观、人生观和价值观。

（二）  授课方式的改革

1  课堂重点教学与课后自学相结合

结构力学课程在兰州大学理论与应用力学专业的教学计划中设置为3学分（54学时），教学大纲共有八章，包含绪论、结构的几何构造分析、静定结构受力分析、影响线、静定结构位移计算的虚力法、力法、位移法、渐进法及其他算法简述。面对“课程内容多与课时少”的矛盾，可行的探索方向应是对教学内容的合理取舍与整合。教师必须合理规划每堂课的知识点，选取极有价值的重点、难点内容，围绕关键性问题进行精讲，达到教学目标。例如，在讲几何构造的铰结三角形规律时，虽然规律本身是简单浅显的，但规律的运用则变化无穷。将直接分析方法、不断扩大刚片法、去掉二元体法、去掉约束法进行精讲，并通过例题展示不同结构的刚片选取及联结方式的分析技巧。又如在讲力法的基本体系时，可采用不同基本体系求解同一超静定结构，讲透基本体系选取的基本原则和不唯一性，对比计算量，总结规律，从而培养学生用力法解超静定结构的灵活性与创新性。当然，在54学时内详细讲解所有内容是不现实的，也是不必要的。除了课堂精讲内容外，按照由浅入深循序渐进原则，明确部分章节的部分内容，由学生通过自学达到教学标准。例如，变形体的虚功原理、力法解两铰拱和无铰拱等，这些内容的课程教学目标不高，但是需要学生对这部分内容有所了解。教师可以引导学生在前序内容的基础上自学这部分内容，从而逐步培养学生的自学意识和能力，变让我学习为我要学习。此外，采取课堂提问、课后作业和考试测试方法，帮助学生检验学习效果、发现存在问题、优化自学方式。

2  线上教学和线下教学相结合

疫情影响下，传统的课堂教育受限，“互联网+教学”已成为大势所趋，线上教学已经成为教学的一部分。线上教学过程中，由于教师和学生不在同一空间，所以无法根据学情进行实时管理与调整。为了保障线上教学效果，教师需要将“课前预习、课中学习、课后复习”结合起来。通过建立课程学习微信群或QQ群，引导学生课前预习，同时布置一些参考资料，供学生课前学习。线上授课过程需要全程运用多媒体教学课件，教师在准备教学课件时，可以针对线上授课的特点，捕捉富有时代气息的教学内容来充实和丰富课堂教学，重组PPT内容，强调教学重点、解析教学难点。同时，适当增加三维图、动画，使课件图、文、声、像并茂，增强教学过程的趣味性，使一些枯燥乏味的知识点变得生动有趣，将抽象知识转变为形象内容，提高课程的吸引力。课后，教师可以借助QQ、微信、学习通等软件，实现不受时间和空间限制的教与学互动，与学生进行实时交流与指导，为学生的答疑解惑提供便利，帮助学生更好地理解和接受教学内容。图1展示了笔者在疫情期间线上教学时，采用网络平台发布课程安排、课后作业以及相关的资料上传，以保证线上授课的顺利进行。图2为笔者通过腾讯会议、QQ软件协助完成结构力学的线上教学。

3  教学模式的统一性和差异性相结合

通过课程授课方式的统一性与差异性保证学习效果。八章课程内容，有的注重理论（如静定结构的受力分析），有的注重方法（如机动法绘制连续梁的影响线）。课程教学整体采用问题分析、温故、知新、解题、小结的流程化方法（如图3所示），以保证课程整体学习成效；在讲授单节知识时，根据章节特点针对性采用启发式引导、互动教学、问题驱动、类比学习等教学方法，以便将章节内容讲清析透，助力学生理解掌握。通过学生培育方法的统一性和差异性提升学习效果。学生基础不同、态度不同，产生的学习效果就截然不同。高质量开展课堂集中授课，同时，在课堂中给学生创设自主探究空间，引导学生体验知识发生的过程，帮助学生理解每堂课的重点内容，保证班级的整体学习水平。针对学生学习水平，设计灵活的、有难度层次的作业任务，让所有学生都能在体会成功喜悦的同时有所突破，保持对学习的兴趣和信心。每个学生对问题的理解和掌握程度是不同的，兴奋点、疑难点也各不相同，因此教师可以针对学生的特殊性进行精准指导，个别化辅导，从而弥补班级授课制的缺陷，促进个体的充分发展。另外，遴选、鼓励优秀学生积极参加结构模型设计大赛、大学生创新创业等实践活动，引导其将课本中的知识灵活运用到专业相关的科研和实践活动中去，助力学有余力的学生提高综合素养，同时培养科研思维能力、动手操作能力和团队协作精神。

三  结束语

力学专业学生将来必定是活跃在各大科研院所、高等教育平台的主干力量，是建设富强民主文明和谐美丽中国的优质力量。结构力学作为助力培养力学专业学生工程思维的关键学科，课程设计必须紧跟新时代思想引领，以培养有担当、有责任、有抱负的年轻一代为己任。本文从教学内容和授课方式两个方面探寻面向力学专业学生的结构力学教学改革途径，结合力学学生特点和课程的实际，将诸多工程实际引入到课堂教学中，以期能优化结构力学的教学内容，提高学生的综合能力，增进学生的爱国情怀，促进学生的发展；同时立足国情和学情，将课堂重点教学与课后自学相结合、线上教学和线下教学相结合、教学模式的统一性和差异性相结合，助力力学学生提高综合素养，进一步提升教学质量。

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基金项目：机械结构强度与振动国家重点实验室开放课题项目“石墨烯/PVDF复合材料力电特性理论研究”（SV2021-KF-08）；兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金“0-3型磁电复合材料的磁电传感机理研究”（lzujbky-2022-19）

作者简介：张娟娟（1986-），女，汉族，甘肃兰州人，博士，副教授。研究方向为功能复合材料，电磁固体力学。