基于混合式教学与课程思政教育的结构力学课程教学设计

江守燕 金蓉 杨海霞 孙立国

摘  要：结构力学课程方法抽象、系统性强，是学生心目中十分难学的一门专业基础课，为更好地实现课堂教学成效，该门课程在多年教学实践中努力探索创新教育模式，强化教学过程中的概念分析、知识能力转化、能力提升，以期为培养新时代“厚基础、宽口径、高素质”的复合型创新人才服务。通过利用现代化教学手段，实行线上线下混合式课堂教学、多角度开展课程思政教育、理论教学紧密联系工程实际和教师科研成果、实时地开展实践教学等方式，改革课程考核方法，激发学生的创新潜能。经过多年的改革、创新与实践，结构力学课程教学取得显著的教学成效。

关键词：结构力学；混合式教学；课程思政；教学设计；教学成效

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）33-0102-04

Abstract： Structural Mechanics is an abstract and systematic course， which is very difficult for students to learn. In order to achieve better classroom teaching effects， we have made great efforts to explore innovative educational models in many years of teaching practice. We strengthen conceptual analysis， knowledge and ability transformation， and ability improvement in the teaching process， with a view to serving the training of "thick foundation， wide caliber， and high-quality" compound innovative talents in the new era. By using modern teaching methods， implementing online and offline blending classroom teaching， carrying out ideological and political education from multiple perspectives， closely linking theoretical teaching with engineering practice and teachers' scientific research achievements， conducting practical teaching in real time， and reforming the curriculum assessment methods， we well motivated students' innovative potential. After years of reform， innovation and practice， the teaching of Structural Mechanics has achieved remarkable results.

Keywords： structural mechanics; blending learning; curriculum ideology and politics; teaching design; teaching effectiveness

结构力学课程是力学、水利水电工程、土木工程等专业本科生的重要学科基础课程，本课程的任务是在学习理论力学和材料力学等课程的基础上进一步掌握平面杆件结构分析计算的基本概念、基本原理和基本方法，了解各类结构的力学性能，为学习有关专业课程以及进行结构设计和科学研究打好力学基础，培养学生结构分析与计算等方面的能力[1]。

然而，在结构力学的学习过程中，学生普遍感受到方法抽象、方法系统性强，是学生心目中十分难学的一门专业基础课，对于静定结构的内力分析和位移计算，学生通过反复训练基本可以掌握，而求解超静定结构的力法和位移法是本门课程的重点，尤其位移法既是重点也是难点，而且方法最抽象，位移法基本系可以说是“无中生有”，学生很难理解，且在平时学习过程中，学生侧重于做题、计算，不太善于结构分析。

因此，如何打破本门课程在学生心目中的屏障，消除学生对结构力学课程学习的恐惧心理，通过课堂教学使得学生能够在课程基本概念、基本原理以及手算能力等方面驾轻就熟，引导学生善于进行结构分析。为了更好地实现课堂教学成效，本门课程在多年教学实践过程中努力探索创新的教育模式，强化教学过程中的概念分析、知识能力转化、能力提升[2]，以期为培养新时代“厚基础、宽口径、高素质”的复合型创新人才服务。

一  结构力学总体教学设计

课程教学设计的总体思路是利用现代化教学手段，实行线上线下混合式课堂教学、多角度开展课程思政教育、理论教学紧密联系工程实际和教师科研成果、实时地开展实践教学等方式及改革课程考核方法，激发学生的创新潜能。

（一）  开展线上、线下混合式教学，提升学生的学习主体性

在过去的教学模式中，学生往往被动地接受知识，缺乏参与意识，显然不符合培养具有批判性思维及創新能力新型人才的需求，必须探索有效的新型教学模式，提升学生的学习主体性[3-6]。为了使学生由被动思考过渡到主动思考，再提升到独立思考，课程采用翻转课堂、问题驱动教学法（PBL）等适合于线上线下混合式教学的教学方法，实现线上和线下教学的相互融合贯通[7-8]，提升学生的学习主体性。

1  MOOC+翻转课堂的混合式教学

MOOC+翻转课堂的混合式教学，要求学生首先在课外通过在线课程自主学习，然后在课堂上成为主讲人，反转了师生角色，更加强调学生在学习中的互动性与参与性，以及课堂的研究性学习。在过去几学期的实践过程中，选取“温度改变时超静定结构内力计算”“力法计算超静定拱”等知识点作为学生翻转的内容，具体要求是：学生全员参与，分组完成自主学习，在课下制作PPT并录制视频，小组成员之间分工协作，然后，在课堂上讲解，教师进行组织协调、点评和查漏补缺。通过制作PPT—录视频—讲解一连串的训练，学生可对知识点理解得更加透彻，也锻炼了学生相互之間的协作能力以及口头表达能力。

2  MOOC+PBL的混合式教学

MOOC+PBL的混合式教学，是一种基于问题的教学方式，要求学生首先基于在线课程完成知识学习和基础知识建构，然后在课堂上以小组的形式完成问题讨论。这种教学模式对学生的学习主动性和思维能力提出了很高的要求，同时也对教师设计问题的能力提出了更高的要求。

第一层次是根据基本概念、原理设置的问题，着重考察学生在线课程的学习效果，同时也对在线课程学习的内容起到巩固加深的作用，比如在讲解“等截面直杆转角位移方程”这一节时，课下要求同学进行在线课程学习，课堂主要采用研讨的方式，讨论的几个基本概念问题包括：①在单跨超静定梁中，杆端位移与杆端内力的正负号是如何规定的？②什么是形常数与载常数？③谈谈对转角位移方程的认识？

第二层次是基本概念、原理讲解过程中延伸的问题，如在讲解“等截面直杆转角位移方程”这一节时，要求同学讨论如图1所示单跨梁在固定端A处发生顺时针方向的角位移φA时，由此引起铰支座B处的角位移φB为多少？课堂讨论的时候，有的同学根据位移计算的知识可以算出结果，但设置这一问题的目的在于考查学生对知识的掌握和运用，除了利用位移计算公式外，还可以根据两端固定梁的杆端内力公式直接推导得到。在讲解位移法时，讨论位移法基本未知量的确定，如图2所示，要求学生分析探讨φ1、φ2和Δ3是否均应作为位移法基本未知量，并说明理由，考查学生对独立的结点位移的理解，在前面讨论了图1所示的问题后，部分学生能够很容易进行知识联想。

第三层次着重考查学生理论联系实际的能力。结构力学例题很多，要求学生对例题的计算结果进行分析探讨，并联系工程实际，比如讲解超静定结构在支座移动时内力计算的例题时，引导学生思考弯矩与哪些物理量相关以及有何关系，并反思如何解决相应的工程问题，说明超静定结构中地基处理的重要性及沉降缝的设置等问题。

图1  单跨梁

图2  位移法基本未知量的确定

（二）  多角度开展课程思政教育，实现知识传授和精神引领的统一

将思想政治教育内容与专业知识技能教育内容有机融合[9]，达到知识传授和精神引领的统一，对学生进行爱国主义教育、职业道德教育、社会责任教育和科学精神教育。

1  引入中国古代文明的代表性建筑物结构和当代中国的重大工程结构

以中国古代文明的代表性建筑物结构和当代中国的重大工程结构为背景和实例，从专业的角度展示中国古代历史上的文明智慧、当代中国的巨大建设成就，以及对世界工程建设的杰出贡献，激发学生爱国主义热情和民族自豪感、自信心，如拱结构中以赵州桥和锦屏拱坝为代表、桁架结构以南京长江大桥为代表、刚架结构以港珠澳通道海底沉管为代表等。再比如，在力法基本原理的讲解中，以山西的悬空寺为例（图3），悬空寺在建成多年以后后世在楼阁的下方增设了数十根纤细的柱子，在一般情况下这些柱子并不起作用，但在楼阁的楼面荷载达到一定程度的时候这些柱子又为楼阁的安全性和稳定性增设了一份保险，阐述由静定结构过渡到超静定结构的工程背景，也以此例来展示我国古代劳动人民的智慧和工匠精神。

2  融入结构力学发展史

在结构力学课程教学中融入结构力学的发展历史，让学生了解结构力学中一些重要方法和原理的发展历程，了解结构力学学者解决工程问题的初心和科学方法不断发展和完善的过程。比如，图乘法是Vereshagin于1925年提出的，他当时为莫斯科铁路运输学院的学生；力法的发展与两位伟大的科学家麦克斯韦和莫尔的贡献密不可分，1864年，麦克斯韦提出了求解超静定桁架位移的单位荷载法，给出了力法的雏形；直到1874年，莫尔系统地整理了Maxwell的方法，给出了规范的形式，也就是力法，所以力法也被称为麦克斯韦-莫尔法。位移法的发展也经过很多科学家的努力，1826年，纳维首先提出了位移法的思想，用于求解超静定桁架的内力；1880年，德国人曼德拉最早提出次弯矩法，用于求解桁架的次弯曲应力；1892年，莫尔对次弯矩法进行了完善，并逐渐为人所知；19世纪末20世纪初的时候，钢筋混凝土材料得到广泛使用，用钢筋混凝土材料做成的刚架刚结点刚性很大，超静定次数高，弯矩效应变得非常显著，反而轴力引起的结点位移很小，所以，在20世纪初的时候，就提出了转角位移法，用于求解刚架结构的内力，转角位移法实际上就是位移法的一种，位移法也是现代计算力学分析方法有限元法的基础。

3  布置与课程思政相关的课程论文主题

以课程论文的形式，要求学生阅读较多的文献资料，搜索和工程结构事故相关的素材，了解工程结构事故发生的概况、结构事故产生的原因、责任划分以及从中得到的启示和经验教训，以增强他们作为一名结构工程师的责任感和使命感。

（三）  契合学校特色发展，将课堂教学与实际工程紧密结合

河海大学是一所以水利为特色的高等院校，课堂教学过程中，契合学校特色发展，教学内容中融入中国古代文明的代表性水工建筑物结构和当代中国的重大水利工程结构，如三峡大坝、赵州桥、港珠澳大桥等，此外，也将教师科研过程中涉及的重大工程项目（重力坝、拱坝、渡槽和水池等）穿插进相应的教学内容当中，使得教学内容能够与时俱进。比如：在学习拱结构计算时，以我国著名的赵州桥为例，作为世界上保存最完整的古代单孔敞肩石拱桥，此外，也以教师科研实践中的浆砌石拱渡槽为例，下面的拱圈也可以简化成超静定拱，如图4所示，在学习温度荷载下超静定结构的内力计算时，引导学生思考为何我国一些重大的重力坝、拱坝等水工结构工程（小湾拱坝、三峡重力坝）施工时要分块浇筑并设置横缝？

通过将理论教学与实际工程紧密联系，培养学生解决实际问题和理论联系实际的能力，以及灵活应用所学知识发现、分析和解决工程中实际问题的能力，通过启发学生对实际工程的设计提出改进意见和建议，激发学生的创新潜能。

（四）  自制课堂教学演示教具，探索有效的实践教学方法

课堂演示易于调动学生的积极性，同时增强学生的动手能力及理论联系实际的能力[10-13]，化课堂理论教学中抽象的支座形式和杆件结构为可观、可动的实际结构。在教学过程中，自研并加工了结构变形的演示教具，如图5所示，可直观地展示结构力学中固定支座、滑移支座、铰支座等不同支座类型对杆件结构的位移和转角的限制作用，加深学生对支座特性的理解，该教具还可辅助演示位移法基本原理，让学生理解“刚臂”的功能，再现刚臂的“放松”和“锁住”效果，通过动手实践，加深了学生对位移法基本原理的理解。解决了“结构”力学学习中，不见“结构”的问题。

（五）  “多元融合”的课程考核方式，强调过程性考核

课程评价体系是学生学习的风向标，具有指挥棒作用。课程考核评价体系的构建以培养学生独立思考能力、知识运用能力及创新思维能力为目标，充分体现了“以学生为中心”的理念，注重学习过程，进行多元化考核，包含视频学习、课程论文、线下讨论、课后作业和线下期末考试等多个评价维度。根据各个维度对于不同的知识点的重要性以及对能力素质的反映度，确定各个维度的权重。具体考核方式包括在线课前学习（5%）+课堂学习讨论、课程论文及课后反馈表现（35%）+课程考试（60%）。

二  结束语

经过半个世纪的建设，尤其是改革开放40多年来的改革、创新与实践，河海大学结构力学课程取得了一大批具有较大影响力的创新成果，培养了一批动手能力强、创新意识高的学生。河海大学结构力学于2019年获批首批国家级一流线上课程，并于2021年获批首批省级线上线下混合式一流课程。目前，线上课程资源已经进行了约10多个学期的教学，每学期选课人数逾千人，受众面非常广泛。

在今后的结构力学课程教学中，将继续充分利用已有的线上教学资源，探索混合式教学的有效途径。在已有的教学实践中一方面总结成功的经验，另一方面也要总结当前混合式教学中存在的问题，通过学生反馈、教师自我总结等方式不断提升混合式教学质量，提升课堂教学成效和人才培养质量。

参考文献：

[1] 杨海霞，蔡新.结构力学[M].北京：高等教育出版社，2022.

[2] 杨海霞，张旭明，姜冬菊，等.结构力学学习指导：概念和能力训练[M].北京：高等教育出版社，2017.

[3] 曲激婷，陈廷国，黄丽华，等.结构力学课程建设及混合式教学研究[J].教育现代化，2019，6（17）：77-79.

[4] 封焱杰，付旭，刘晓立，等.基于结构设计竞赛的应用型本科院校土木类专业力学课程体系的CDIO教学改革实践[J].教育现代化，2019，6（A4）：62-65.

[5] 朱军，陈思阳，蒲兴龙，等.地方院校结构力学课堂重构教学模式研究[J].教育现代化，2020，7（51）：68-71，83.

[6] 郑玉国.“教→研→教”正向互动促进结构力学课程教学效果[J].高教学刊，2022（24）：94-98.

[7] 吳发红，朱华.“后疫情”时期结构力学课程线上-线下的融合教学探索[J].大学物理实验，2020，33（4）：133-135.

[8] 孟庆成，齐欣，李翠娟.基于雨课堂的混合式教学在结构力学中的应用与探索[J].大学教育，2020（11）：67-71.

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[11] 曲激婷，陈廷国，黄丽华.结构力学实验促理论的教学方法探索与实践[J].教育教学论坛，2018（43）：146-147.

[12] 王磊，蔺新艳，张文明，等.课堂演示实验在结构力学教学中的应用[J].力学与实践，2019，41（6）：709-714.

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