齊 欣，孟慶成，余志祥

（1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2.西南石油大學土木工程學院，四川 成都 610054）

“新工科” 是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的一項重大發(fā)展戰(zhàn)略[1]。新工科強調(diào)積極應對變化，主動塑造世界，促進人才培養(yǎng)質(zhì)量全面提升[2]。工科人才培養(yǎng)與業(yè)態(tài)轉(zhuǎn)型方向以及工業(yè)未來的發(fā)展趨勢保持高度一致。日趨復雜的工程實景將更緊密地嵌入工程教育。新工科也是高校協(xié)同育人發(fā)展的必然趨勢[3]。結(jié)構(gòu)力學作為 “新工科” 的專業(yè)基礎類課程。一方面其本身的課程性質(zhì)與課程內(nèi)容與廣義的基礎課一脈相承，向前可追蹤到知識發(fā)展的源頭和源模型；課程以簡化后的力學模型為研究對象，通過對典型結(jié)構(gòu)的計算與分析，總結(jié)規(guī)律，由淺入深，向后可延伸到現(xiàn)代工程的各個領域，是人才培養(yǎng)體系中的重要載體和樞紐節(jié)點。近些年結(jié)合現(xiàn)代化的技術手段，對力學課程的教學模式進行了一系列探索和改革，例如孔位學等[4]提出了“四精” 教學模式，馮子明等[5]將基于問題的學習(PBL)教學法引進研究生力學課堂教學，李建華等[6]將雨課堂結(jié)合課堂教學等，在教學方法上取得了一系列的成果，并在一定程度上提升了結(jié)構(gòu)力學的教學效果。但目前基于工科專業(yè)實際需求銜接的理論與工程相結(jié)合的嵌入式創(chuàng)新，僅少數(shù)高校開展了探索性研究，例如孟瑋等[7]在結(jié)構(gòu)力學教學中引入工程教育模式CDIO教育理念，劉學文等[8]以拔尖工程人才培養(yǎng)為目標，對彈性力學課程進行了一系列的改革，馮翠云[9]探討了虛擬仿真技術與機械類課程的結(jié)合等。但有關結(jié)構(gòu)力學課程的創(chuàng)新較少，基于此本文以 “新工科” 建設為契機，融入新工科理念，堅持開放、發(fā)展、科學、靈活的原則，重構(gòu)結(jié)構(gòu)力學課程。

一、“新工科”背景下的學生能力需求

結(jié)構(gòu)力學課程的授課對象，以大學二年級的本科生為主，已經(jīng)具備了一定的數(shù)學物理基礎，以往的結(jié)構(gòu)力學課程重點強調(diào)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計算方法，能夠進行典型桿系結(jié)構(gòu)的分析和演算，強調(diào)的是個人的知識學習與應用能力，往往陷入了題海戰(zhàn)術，只有理論，與實際聯(lián)系能力較差。新工科的人才培養(yǎng)，對學生個人能力、團隊能力和全局意識三個方面均提出了要求，不僅是掌握所學的力學理論和計算方法，還要培養(yǎng)學生運用所學習的力學概念，能夠?qū)嶋H工程結(jié)構(gòu)進行簡化、分析、解決的能力。通過在課堂中引入工程背景，逐步對工程實際問題分解，培養(yǎng)了學生的思維判斷與分析能力。真實的工程的設計與實踐需要多人合作解決，涉及到表達與溝通和管理協(xié)作，從而培養(yǎng)了學生的團隊能力；另外，從跨學科的層面培養(yǎng)學生的力學思維，以土木工程為例，任一個工程問題都不是單一學科，關聯(lián)了材料學、地質(zhì)學和機械學科等，結(jié)合工程初步形成學生的全局意識。通過三個層面的不斷遞進，總體形成了新工科背景下學生所需要的能力圖譜（圖1）。

圖1 “新工科”背景下的能力圖譜

二、結(jié)構(gòu)力學課程的重構(gòu)

1.力學思維的重構(gòu)

力學是以數(shù)學為工具去解決工程中遇到的問題，是工程科學的基礎，也是連接理論與工程的橋梁。新工科建設培養(yǎng)的具備卓越工程素養(yǎng)的復合型人才，需要各項能力的全面升級。因此，側(cè)重于力學思維培養(yǎng)的教育就顯得尤為重要，根據(jù)力學思維的特點，可將知識點分解為簡單的數(shù)學、物理問題，簡化力學模型問題和綜合的工程實踐問題。其一可將整體教學中所涉及到的知識點進行梳理、分解，按照知識點的遞進特征和屬性，通過明確其數(shù)理基礎、力學模型和工程實踐的關系，首先建立起力學思維的框架。其二在課程設置中，開展有針對性的創(chuàng)新思維訓練，內(nèi)容設置上將結(jié)構(gòu)的力流、力的傳力路徑與結(jié)構(gòu)形式結(jié)合，通過不同的結(jié)構(gòu)布置，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體受力，結(jié)合實際結(jié)構(gòu)設計，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造意識。弱化定量的純粹計算環(huán)節(jié)，更注重結(jié)構(gòu)的定性分析。再有引入競賽進課堂的模式，鼓勵學生參與全國、省級、校級各類結(jié)構(gòu)設計大賽，通過結(jié)構(gòu)設計競賽激發(fā)學生的創(chuàng)新精神，同時直接將結(jié)構(gòu)設計大賽的題目引入課堂討論，鼓勵結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新嘗試，從而更好的掌握結(jié)構(gòu)體系和整體結(jié)構(gòu)受力的概念。其三可以引入力學學者的研究歷程，從問題的發(fā)現(xiàn)，方法的提出、解決的策略等方面，來探討力學思維的形成。

圖2 數(shù)學、力學工程銜接關系

圖3 創(chuàng)新思維的訓練

2.教學體系的重構(gòu)

一直以來，結(jié)構(gòu)力學的教學體系以幾何特征（靜定結(jié)構(gòu)、超靜定結(jié)構(gòu)） 為主線，以計算和分析為主體，進行詳細的闡述，以這種由淺入深、層層遞進的教學體系看似學生理解和接受比較容易，但由于知識點過多過細，導致學生專注于細節(jié)，而無法形成總體把握力學概念。教學體系重構(gòu)后，明確了核心知識、基礎知識、專業(yè)知識三個模塊。對應三個模塊將課程體系按照基本原理、技術環(huán)節(jié)和能力培養(yǎng)三個階段，學生通過在結(jié)構(gòu)力學中由淺入深的了解，到專業(yè)課中深層次的學習，實現(xiàn)接續(xù)性課程體系，達到 “新工科”人才培養(yǎng)的目的。新形態(tài)的課程體系中每一個公式、原理都蘊含著豐富的力學意義和力學思想，都是對數(shù)學原理的一種揭示，因此可以從自然規(guī)律、數(shù)學原理的角度去解釋，并結(jié)合具體的實例，從應用層面解讀。同時可以基于某一個大的框架題目下，讓學生自主設計問題并給出相應的解決策略，學生通過對問題的理解，然后質(zhì)疑、相互討論、交流與溝通得到解答。老師在該過程中主要起到引導作用。在課程體系的設置中，增加力學課程與其他專業(yè)課程的相關性的以及力學課程在未來的應用前景的講解，形成同時兼具廣度和深度的結(jié)構(gòu)力學課程體系（圖3），從而達到學生具有較強的求真創(chuàng)新精神，廣闊的國際視野，良好的團隊協(xié)作精神與有效的溝通交流能力。

圖3 教學體系的重構(gòu)

3.教學模式的重構(gòu)

傳統(tǒng)的教學模式，受困于灌輸色彩濃厚的講授法，學生和老師均進入倦怠期。一方面引入對分課堂[10]，將課堂有機的分割，保留傳統(tǒng)的講授式課堂教學的同時，加入討論式教學，二者之間合理地分配，重新設計教學內(nèi)容與教案，重視先教后學，權(quán)責對分，重新定義課堂和師生關系，使教學活動回歸到教與學雙主體的雙邊良性互動。在每一個知識點的初期教師擔任課堂教學過程的引導者，主要是統(tǒng)領全局，給學生建立起課程的整體框架和點出重點；在學生獨立消化學習階段，老師又擔負起內(nèi)化過程的評價者；討論課程，并不是學生的自由討論，而是老師整體把控討論過程，擔負著組織者和協(xié)調(diào)者的身份；而學生是也不僅是講授過程的接受者，同時也是知識的發(fā)現(xiàn)者和交流者。學生在教師的充分指導下，充分發(fā)揮自主課堂的潛力，激發(fā)學生自主學習的動力，使學生逐步走向自發(fā)、積極的學習。另一方面，引入企業(yè)講師進課堂的教學模式，打造校企合作課，每學期將2～3次課交給校外講師，從用人單位的需求角度，對結(jié)構(gòu)力學進行講解，彌補結(jié)構(gòu)力學課程理論與實際脫節(jié)的缺陷，從教學模式上實現(xiàn)校企聯(lián)合，協(xié)同育人。新工科教學模式亦可以結(jié)合雨課堂、超星學習通等現(xiàn)代化信息技術手段，引導課堂從注重老師的 “教” 向注重學生的 “學” 轉(zhuǎn)化，充分調(diào)動學生的學習積極性。

課外，充分發(fā)揮在線開放課程作用，結(jié)合優(yōu)質(zhì)在線開放課程資源、虛擬仿真實驗、BIM 技術，豐富學生學習的多樣性，將原本單一的教與學的方案，重構(gòu)為強化系統(tǒng)的自主學習的能力。目前我校已上線了四門結(jié)構(gòu)力學及相關在線開發(fā)課程，學生在課堂學習的同時，還需要完成慕課相關的在線學習、問答和討論。從而將教學內(nèi)容分解為課堂教學、學生自學、學生研討和學生參與課題幾部分構(gòu)成，每學期設置3～5 次的研討課，全方位培養(yǎng)學生的跨界整合能力和系統(tǒng)性思考能力，實現(xiàn)新工科背景下基礎課的改革。在結(jié)構(gòu)力學融合創(chuàng)新課程體系建設的應用中，強化師生深度互動與啟發(fā)式研究型教學模式，實現(xiàn)從原來的單向輸出、到一問一答、再到互動、質(zhì)疑甚至辯論逐級遞進關系模式的教學模式。在課堂中也邀請具有工程背景的專業(yè)課老師一同授課、以實體作為依托，以成果目標為導向，建立以課堂教學為中心、慕課，微課，研討課輔助為一體的多元化教學模式。

圖4 對分課堂

圖5 多元化教學模式

4.評價體系的重構(gòu)

以往的基于分數(shù)的單一評價模式，只有一個標準答案，越來越難激發(fā)學生創(chuàng)新，最終也只能導致學生迷戀分數(shù)，重構(gòu)評價體系勢在必行。首先作業(yè)的設置，應從個人能力的知識應用入手，通過與專業(yè)課老師進行深入探討，提出具有實際工程意義的題目，使學生能了解作業(yè)的工程背景，緊密聯(lián)系接續(xù)課程，從而學生能夠受到作業(yè)題目的啟發(fā)，結(jié)合逆向教學法，可以在課程之初，先行布置若干作業(yè)，以目標為導向，結(jié)合課堂學習和學生自主學習、查閱文獻，培養(yǎng)學生解決問題的能力。從課程的實踐中發(fā)現(xiàn)，隨著課程中設置的題目難度逐漸增加，學生學習興趣也逐漸激發(fā)，解決問題的實際能力隨之提高。除了力學基本訓練的相關作業(yè)，同時設置少部分沒有標準答案的開放性作業(yè)，鼓勵學生根據(jù)基本條件，自行設計結(jié)構(gòu)方案并分析計算，從而對創(chuàng)新能力進行評價。其次，從課程考核方式入手，突出過程性考核，并關注學生差異性的學習需求，作業(yè)批改以質(zhì)量和態(tài)度為導向，科學合理地設置成績等級。落實到結(jié)構(gòu)力學這門課程，可細化為：課堂綜合表現(xiàn)評價（包括出勤、作業(yè)、課堂互動）、課外集體協(xié)作評價（小組討論、匯報、完成情況）、工程結(jié)合能力評價（結(jié)合虛擬仿真平臺，在線開放課程討論的完成情況）、實踐創(chuàng)新能力評價（用力學知識對實際生活中的具體問題進行分析、一題多解、優(yōu)化設計等）、課程考核分數(shù)評價（測驗、考試） 這五部分構(gòu)成，考評的方法不僅包括老師打分，還包括小組內(nèi)部的互相打分。對幾方面綜合考評，最終得到每一個同學的成績，建立起更加科學合理的評價體系。

圖6 綜合成績評價體系

三、人文關懷與工程倫理

一直以來，結(jié)構(gòu)力學課程以力學公式、理論推導為主題，具有較強的工學特征，缺失了人文關懷與工程倫理的滲透。對于土木工程的學生，畢業(yè)后基本都要從事工程技術相關工作，堅守道德底線，發(fā)展健全人格，對于社會的發(fā)展具有重要意義。目前結(jié)構(gòu)力學課程對于工程倫理的引入大多采用倫理講授和典型案例分析，獨立成節(jié)，與教學內(nèi)容關聯(lián)較少。因此，課程中嘗試角色扮演，分別從項目發(fā)起者、工程具體設計者、工程使用者三個視角帶入，從不同角度審視自己、理解他人，引導學生從多視角理解自己工作意義,塑造未來工程師“關愛生命、尊重公平” 的可持續(xù)發(fā)展價值觀，達到優(yōu)化工程人才培養(yǎng)的目的。

將人文元素融入到課堂中，一方面有助于提升學生的整體素質(zhì)，同時可以在知識點的穿插中起到緩沖的作用。例如：在講授多跨梁一章時，可融入介紹茅以升修建錢塘江大橋的艱辛，如何在戰(zhàn)火紛飛年代，克服種種技術難題，修建—炸毀—重建的全過程，體現(xiàn)以人為本的人文精神；在講授動力學一章地震荷載時，介紹劉恢先在邢臺地震期間，不畏連續(xù)發(fā)生的多次破壞性地震，率領研究人員深入地震災區(qū)，采集了大量的珍貴數(shù)據(jù)資料，為抗震設計提供第一手的數(shù)據(jù)。在講授矩陣位移法一章時，可引入龍馭球編寫《有限元法概論》 查閱各種雜志，自主鉆研的故事。學習老一輩科學家們愛國、敬業(yè)、專注，勇攀高峰追求卓越的精神，啟發(fā)學生求是、求真、求業(yè)，引導正確的價值觀，將立德樹人融入到點滴教學。

四、結(jié)語

在新工科背景下，充分發(fā)揮理論到實踐的融合作用，以培養(yǎng)學生綜合應用能力作為課堂教學質(zhì)量的目標。從力學思維、教學體系、教學方法、課程評價三方面進行重構(gòu)，努力提高結(jié)構(gòu)力學的教學質(zhì)量，培養(yǎng)具有扎實力學功底的新工科人才，以適應新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，同時也為其他課程的新工科建設提供參考。