摘?要：“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程在土木工程學(xué)科知識(shí)體系中起著承前啟后的關(guān)鍵作用。針對(duì)課程教學(xué)中主知識(shí)、輕育人的問題，秉承“學(xué)以致用、以用促學(xué)”的教學(xué)理念，構(gòu)建以工程問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式。通過熱點(diǎn)案例導(dǎo)入、挖掘結(jié)構(gòu)力學(xué)發(fā)展史與方法論、互動(dòng)與實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)實(shí)踐、學(xué)習(xí)通融合線上線下等措施，在理論教學(xué)中逐步滲透發(fā)現(xiàn)、分析和解決工程實(shí)際問題的思維和方法，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐的意識(shí)。以期在傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能力的培養(yǎng)和價(jià)值觀的引領(lǐng)。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué)；工程問題；教學(xué)設(shè)計(jì)；教學(xué)實(shí)施

中圖分類號(hào)：G641；TU311??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1?概述

“結(jié)構(gòu)力學(xué)”是面向土木工程學(xué)科大學(xué)二年級(jí)本科生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在土木工程學(xué)科知識(shí)體系中起著承前啟后的關(guān)鍵作用，它是基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程之間的一座橋梁，兼具嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚擉w系和明確的工程背景。長(zhǎng)久以來，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)存在著重計(jì)算簡(jiǎn)圖輕工程實(shí)際、主知識(shí)輕育人的現(xiàn)象。面對(duì)頻發(fā)的熱點(diǎn)工程案例，學(xué)生有心卻無力去實(shí)踐結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，教學(xué)側(cè)重理論推導(dǎo)和計(jì)算簡(jiǎn)圖的定量計(jì)算，缺乏實(shí)際工程問題的發(fā)現(xiàn)和定性分析，未真正做到理論與實(shí)踐并重。諸多學(xué)者直面課程教學(xué)的現(xiàn)狀問題，探討了不同方向的教學(xué)研究與改革［15］。

秉承“學(xué)以致用、以用促學(xué)”的教學(xué)理念，本文通過構(gòu)建以工程問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式，在理論教學(xué)中逐步滲透發(fā)現(xiàn)、分析和解決工程實(shí)際問題的思維和方法，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐的意識(shí)；借助超星學(xué)習(xí)通等線上平臺(tái)，融入師生、生生交流的互動(dòng)式多維實(shí)踐課堂，理論與實(shí)踐并舉，趣味與實(shí)效并重；在傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，注重能力的培養(yǎng)和價(jià)值觀的引領(lǐng)。

2?以工程問題為導(dǎo)向的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1?總體設(shè)計(jì)思路

將工程問題與啟發(fā)互動(dòng)式教學(xué)相結(jié)合，以工程問題作為學(xué)習(xí)的起點(diǎn)和知識(shí)選擇的依據(jù)，從“問題情境”“啟發(fā)講授”“師生交互”和“自學(xué)解惑”四個(gè)階段，構(gòu)建以工程問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式，如圖1所示。課程教學(xué)按照“識(shí)結(jié)構(gòu)→析結(jié)構(gòu)→解結(jié)構(gòu)→用結(jié)構(gòu)”的流程，圍繞“結(jié)構(gòu)”展開：課前由學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)和教學(xué)內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的工程問題（識(shí)結(jié)構(gòu)）；課中以工程問題開啟教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生分析隱含于工程問題背后的力學(xué)知識(shí)（析結(jié)構(gòu)）；師生通過案例分析、模型演示、趣味實(shí)驗(yàn)、翻轉(zhuǎn)課堂、分組討論等活動(dòng)共同提煉原理和方法（解結(jié)構(gòu)）；課后學(xué)生靈活運(yùn)用線上資源、力學(xué)實(shí)驗(yàn)、方法論歸納等方式對(duì)問題進(jìn)行實(shí)踐拓展（用結(jié)構(gòu)）。

2.2?實(shí)施路徑設(shè)計(jì)

以掌握力學(xué)知識(shí)為根本出發(fā)點(diǎn)，采用先案例和問題導(dǎo)入、后實(shí)踐和德育深化的教學(xué)方法，理論與實(shí)踐并舉，趣味與實(shí)效并重，讓學(xué)生循序漸進(jìn)地接受課堂教學(xué)，并以問題貫穿課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)際問題的能力。具體包括以下幾個(gè)方面：（1）結(jié)合力學(xué)發(fā)展史［6］、科學(xué)家精神及大師成長(zhǎng)故事、工程案例、國(guó)家重大工程建設(shè)成就以及學(xué)科前沿研究成果等，建立課程的案例素材庫，為“結(jié)構(gòu)力學(xué)”的課堂教學(xué)提供豐富的載體；（2）設(shè)置與課程內(nèi)容緊密相關(guān)的有意義的問題，教師以問導(dǎo)學(xué)，利用問題活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)掘隱含于問題背后的科學(xué)知識(shí)和德育思想；（3）積極運(yùn)用線上、線下豐富的教學(xué)資源，將抽象的、不易理解的理論通過圖片、動(dòng)畫、視頻、力學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)例等方式展示給學(xué)生；靈活設(shè)置案例研究、工程事故分析、模型演示、趣味實(shí)驗(yàn)、分組討論、翻轉(zhuǎn)課堂等多項(xiàng)課堂活動(dòng)，融入師生、生生交流的互動(dòng)教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)多維實(shí)踐課堂；（4）注意加強(qiáng)不同教學(xué)單元之間的聯(lián)系，整理和歸納結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法論［67］，使知識(shí)得以縱向展開和橫向貫通。

3?以工程問題為導(dǎo)向的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)實(shí)施路徑

本節(jié)以“結(jié)構(gòu)位移計(jì)算之變形體虛功原理”這一知識(shí)點(diǎn)為例，詳細(xì)介紹教學(xué)設(shè)計(jì)的具體實(shí)施。教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2所示，通過工程問題（廣州虎門大橋的晃動(dòng)事件和深圳賽格大廈搖晃事件）的導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)（位移計(jì)算的必要性）；采用問題引導(dǎo)、啟發(fā)互動(dòng)式講授、線上線下混合等教學(xué)方法，和學(xué)生共同分析問題，并尋找解決問題的思路（位移計(jì)算的思路：傳統(tǒng)的直接分析和虛功原理的間接求解）；提煉結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理和方法（基于變形體虛功原理的位移計(jì)算基本思路及公式），通過算例、力學(xué)實(shí)驗(yàn)、方法論歸納等提高課堂教學(xué)的實(shí)踐性，引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)思維，提高科學(xué)思維的能力。

3.1?熱點(diǎn)案例導(dǎo)入，理論聯(lián)系實(shí)踐

在課程導(dǎo)入部分，通過提問位移的基本概念和產(chǎn)生位移的原因來回顧前節(jié)內(nèi)容，以熱點(diǎn)工程案例引出本節(jié)內(nèi)容。舉例廣州虎門大橋的晃動(dòng)事件和深圳賽格大廈搖晃事件，由于產(chǎn)生過大位移而影響了正常使用。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算的同時(shí)，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度驗(yàn)算，即計(jì)算結(jié)構(gòu)位移，從而引出結(jié)構(gòu)位移計(jì)算的必要性。再舉例正處于大建設(shè)期間的合肥，隨處可見的高架橋采用雙懸臂施工，道出結(jié)構(gòu)位移計(jì)算的第二個(gè)目的，即滿足施工要求。以熱點(diǎn)工程實(shí)例引出課程內(nèi)容，也借此向?qū)W生闡述結(jié)構(gòu)工程師身上的重大責(zé)任，大型建筑結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生任何問題，都會(huì)產(chǎn)生財(cái)產(chǎn)損失，甚至是人員傷亡。秉承“以學(xué)促用，學(xué)以致用”的理念，引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐，培養(yǎng)正確的工程師職業(yè)道德觀和社會(huì)責(zé)任觀。

3.2?挖掘結(jié)構(gòu)力學(xué)方法論，變“強(qiáng)攻”為“智取”

“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程中很多方法都蘊(yùn)含著等效轉(zhuǎn)化的思想，具有對(duì)偶互補(bǔ)的特點(diǎn)。對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法論進(jìn)行整理與歸納，以期幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)多章節(jié)眾多方法之間的融會(huì)貫通，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)將未知問題轉(zhuǎn)化為已知問題的科學(xué)思維，并掌握同一問題的多種分析思路和方法?！敖Y(jié)構(gòu)力學(xué)”最主要的內(nèi)容就是求力和求位移，在傳統(tǒng)的直接分析方法中，利用平衡條件求力，利用幾何條件求位移。因結(jié)構(gòu)變形幾何條件的復(fù)雜性，利用幾何條件求位移是最直接，但并不是最方便的方法。通過超星學(xué)習(xí)通的線上討論，回憶影響線的兩種作法，靜力法是利用平衡條件求力，而機(jī)動(dòng)法是利用虛功原理，虛設(shè)位移求力，從而引導(dǎo)學(xué)生自行歸納出與之相對(duì)應(yīng)的虛設(shè)力求位移，合二為一即為基于虛功原理的間接求解方法。力系的平衡問題與位移的幾何協(xié)調(diào)問題是成對(duì)且呼應(yīng)的重要問題，而虛功原理恰恰是這兩個(gè)問題之間的橋梁和紐帶，其本質(zhì)是求解問題和范式的轉(zhuǎn)化，變“強(qiáng)攻”（結(jié)構(gòu)幾何條件復(fù)雜，直接求解位移不方便）為“智取”（借助虛功原理，虛設(shè)力求位移）。

3.3?知悉力學(xué)發(fā)展史，領(lǐng)悟科學(xué)家精神

在講授過程中，從力學(xué)發(fā)展史和科學(xué)家精神方面進(jìn)行挖掘延伸，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)際問題的科學(xué)思維，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)家傳承與創(chuàng)新同步的科學(xué)家精神，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)與價(jià)值引領(lǐng)。虛功原理是結(jié)構(gòu)位移計(jì)算的理論支撐，它的奠基人是著名的物理學(xué)家拉格朗日。在拉格朗日之前，著名的物理學(xué)家牛頓集前人工作之大成，建立了以力為基本概念的力學(xué)體系，而拉格朗日另辟蹊徑，在前人工作的基礎(chǔ)上建立了以能量為基本概念的力學(xué)體系。不論是牛頓還是拉格朗日，都是在前人工作的基礎(chǔ)上，建立經(jīng)典力學(xué)體系的兩條不同路徑，并通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C明而被世人廣泛認(rèn)可，這種理論傳承和創(chuàng)新同步的精神值得學(xué)習(xí)。“集百家之長(zhǎng)，走創(chuàng)新之路”正是需要引導(dǎo)學(xué)生去培養(yǎng)的科學(xué)觀和科學(xué)素養(yǎng)。

3.4?互動(dòng)與實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)實(shí)踐，學(xué)習(xí)通融合線上線下

通過示例計(jì)算和力學(xué)實(shí)驗(yàn)來提高課堂教學(xué)的實(shí)踐性。給出計(jì)算示例，請(qǐng)學(xué)生在分組討論后給出計(jì)算思路。設(shè)計(jì)學(xué)生能夠自己動(dòng)手的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，例如，在長(zhǎng)尺一端綁上重物，用手將尺的另一端固定在桌角，以模擬在自重和自由端受集中力下的懸臂梁，分別觀察尺子扁平和豎立兩種放置情況下的變形。借助超星學(xué)習(xí)通的討論，和學(xué)生共同歸納結(jié)構(gòu)力學(xué)方法論。結(jié)構(gòu)位移計(jì)算分為傳統(tǒng)的幾何條件求位移和基于虛功原理的虛設(shè)力求位移，兩種方法成對(duì)互補(bǔ)，呈對(duì)偶關(guān)系。與此同時(shí)，虛功原理的兩個(gè)應(yīng)用，虛位移原理和虛力原理也是對(duì)偶關(guān)系，如圖3所示，詞云分析表明學(xué)生已經(jīng)理解了等效轉(zhuǎn)化的思想和一一對(duì)應(yīng)的對(duì)偶關(guān)系，可以真正做到舉一知二，融會(huì)貫通［8］。

4?結(jié)論

作為土木工程學(xué)科中承前啟后的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”具有理論性與實(shí)踐性并重的特點(diǎn)。針對(duì)課程教學(xué)中主知識(shí)、輕育人的問題，秉承“學(xué)以致用、以用促學(xué)”的教學(xué)理念，構(gòu)建以工程問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式：

（1）靈活結(jié)合力學(xué)發(fā)展史與結(jié)構(gòu)力學(xué)方法論、科學(xué)家精神及大師事跡、熱點(diǎn)工程案例、國(guó)家重大工程建設(shè)成就以及學(xué)科前沿研究成果等，將與課程內(nèi)容相關(guān)的有意義的問題設(shè)置到具體的情景中，以問題引出目的和意義，以案例講解強(qiáng)化原理和方法，以力學(xué)史與方法論培養(yǎng)科學(xué)思維，以例題訓(xùn)練和力學(xué)實(shí)驗(yàn)提高課程實(shí)踐性，以工程應(yīng)用拓展專業(yè)常識(shí)。

（2）在教學(xué)實(shí)施中，采用問題引導(dǎo)、啟發(fā)教學(xué)、互動(dòng)討論、線上線下融合等多種教學(xué)方法和手段，構(gòu)建交流互動(dòng)的實(shí)踐課堂，輔以超星學(xué)習(xí)通等線上資源，對(duì)課前、課中、課后進(jìn)行有機(jī)銜接。以期能夠發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)與價(jià)值引領(lǐng)于一體的教學(xué)路徑。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：安徽建筑大學(xué)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（2021?jy09）；安徽建筑大學(xué)校級(jí)線上線下混合式課程（2022xsxx?02）；安徽建筑大學(xué)博士啟動(dòng)基金（2018QD50）；安徽省自然科學(xué)基金（2008085QA23）

作者簡(jiǎn)介：戴云彤（1990—?），女，安徽馬鞍山人，博士，安徽建筑大學(xué)講師，研究方向：結(jié)構(gòu)力學(xué)及光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)。