研究型教学方法在结构力学课程讲授中的应用

  关键词：结构力学；研究型教学；工程实际
 

  培养创新型优秀人才是我国高等教育的一项主要任务。近年来，为提高学生的创新意识和创新能力，各高等院校纷纷提出采用研究型教学的方式实现创新性人才的培养目标。研究型教学是一种基于研究探索的教学模式，在研究型教学中，教师通过优化课程结构、合理设置教学内容，能够将学习、研究和实践有机结合，从而能充分发挥学生的主体作用。在我国高等院校中，研究型教学的推进经历了3个阶段：研究型课堂的启动阶段、研究型课程的推进阶段、研究型人才培养方案的构建与实施阶段。结构力学是土木工程及相关专业的一门重要专业基础课，是联系基础力学课程与工程设计课程的纽带。结构力学知识掌握的熟练与否不仅关系到学生后续专业课程的学习效果，而且对其毕业后的工作也具有深远影响。随着计算机数值技术的飞速发展，结构力学课程的主要作用已由培养学生的定量计算求解能力转化为培养学生将力学概念与实际工程紧密结合，进而在概念分析的基础上进行合理结构创新的能力。因此，在结构力学课程教学中有必要采用研究型教学的方式，通过教师的合理设计和学生的主动探索，培养土木工程及相关专业学生的创新意识和创新能力，从而实现培养卓越的土木工程师和优秀技术人才的目标。

  结构力学课程主要讲授杆系的组成规律及静定、超静定杆系结构的内力、位移计算原理和方法。目前，各高校所使用的结构力学课程教材的主要内容一般包括：结构的几何构造分析、静定结构的内力分析、移动荷载和影响线、结构位移计算、力法、位移法、矩阵位移法、结构动力计算等。

  1.1 基本概念多

  从某种角度而言，结构力学课程可以看作是材料力学的拓展与延伸，因此在结构力学中仍会用到材料力学中的诸多概念，如约束(固定端支座、固定铰支座、活动铰支座)、内力(轴力、弯矩、剪力)、位移(线位移、角位移)、图乘法、多余约束、超静定、变形协调性等。此外，结构力学中又出现很多新的概念和专业术语，如几何构造特性(几何不变、几何可变、瞬变)、定向支承、瞬铰、计算自由度、结构(多跨梁、刚架、桁架、组合结构、拱结构)、移动荷载、影响线、力法、位移法、矩阵位移法等。

  1.2 计算方法多

  结构力学课程研究内容繁杂，针对不同问题、不同结构会采用不同的计算方法。结构力学具体计算方法可以分为如下几类：体系几何构造分析方法、静定结构内力计算方法、影响线分析方法、结构位移计算方法、超静定结构解法等。其中，体系几何构造需要根据杆系组成特点采用不同的规则进行分析，不同类型的杆系有不同的分析方法；静定结构内力分析需要分别针对静定多跨梁、刚架、桁架、组合结构和拱结构进行分析，每种结构因具有不同的几何特性和受力特性而具有不同的计算方法和求解技巧；影响线分析包括静力法和机动法；结构位移计算方法包括直接积分法和图乘法；超静定结构计算方法包括力法、位移法和矩阵位移法等。

  1.3 与工程联系紧密

  结构力学研究工程中杆系结构的力学问题，它来源于工程，又服务于工程，是力学类课程中与工程实际联系最为紧密的课程之一。结构力学知识不仅可以用来解答书本中的题目，而且与建筑结构设计及分析、建筑结构施工、结构的加固与改造等土木工程实践联系密切。因此，在结构力学教学过程中，如果能够将理论知识与实际工程问题结合，及时向学生介绍结构力学知识在实际工程中的应用，能充分调动学生的学习积极性，培养学生的工程意识和创新能力。

  研究型教学在教学目的、培养目标和教学方法等方面与传统教学存在显著区别：研究型教学以带领学生探索未知为教学目的，以培养学生创新能力为培养目标，在教学过程中通常采用课题驱动、启发研讨等教学方法。为实现研究型教学的培养目标，根据结构力学课程的特点，在结构力学课程研究型教学实施过程中应该做到以下几点。

  2.1 精心制定研究型教学教案

  制定详尽的研究型教学教案是在结构力学课程中顺利实施研究型教学的重要保障。研究型教学教案要突出以下几点。(1)授课教师结合结构力学课程各部分内容特点，确定在哪些知识点处采用启发式教学，在哪些知识点处可以应用讨论式、互动式教学，根据教师搜集整理的素材确定在哪些章节处引入工程破坏案例或科研成果案例进行分析。(2)采用研究型教学后，课堂教学内容要详略得当。对某些简单内容或非重点内容要进行适当整合，从而保证各种研究型教学手段能在有限的学时内顺利实施。(3)教师需要根据学生的专业特点和各章节的知识要点，精心设计一些能够刺激和引导学生思维的问题，搜集整理适合于结构力学教学的工程案例和科研成果案例，并根据需要将具体案例制作成多媒体课件，以便于能在课堂上向学生生动、具体的展示。

  2.2 采用启发式、研讨式教学法

  启发式、研讨式教学能充分发挥教师在教学中的主导作用和学生的主体作用，调动学生的学习积极性，激发学生的创造性思维[3]。采用启发式教学，教师可以在学生有了一定知识积累的基础上，对于不存在过大难度的知识点提出问题，启发学生思考。例如，在结构几何构造分析部分，可以探讨“瞬变体系是否具有应用价值”“几何不变体系、瞬变体系和计算自由度的关系”“链杆与刚片之间的联系与区别”等；在静定结构内力分析部分，可以探讨“为什么一般静定多跨梁的弯矩比一系列相应简支梁的弯矩小”“拱的内力与拱的高跨比的关系”等。然后，将授课班级学生分成若干小组，学生按小组自由讨论，在讨论过程中，教师针对学生讨论的核心问题进行启发，引导学生自己寻找答案。具体按“教师提出问题—学生自主思考—学生有初步认识—教师适时启发—学生举一反三”流程进行。采用研讨式教学，教师首先提出有一定研讨价值的课题，并组织学生围绕此课题进行研究探讨性学习，让学生最大限度地发挥学习的主观能动性。例如、在静定结构内力分析部分，可以探讨“结合不同静定结构(多跨梁、刚架、桁架、组合结构、三铰拱)的特点，探讨提高计算能力和解题速度的方法”，在影响线部分，可以探讨“绘制影响线的静力法和机动法的联系”等。实施研讨式教学按“教师提出课题—分组研究—集体讨论—完成报告—做出评价”的流程进行。在整个研讨过程中，学生处于主动地位，教师处于咨询、帮助、引导的地位。

  2.3 采用案例教学法

  结构力学是与工程联系十分紧密的一门专业基础课。因此学生在学习结构力学时，不仅要掌握书本上的理论知识，还有必要学习各种结构的工程背景。采用案例教学法，通过分析一些与结构相关的工程案例和相关科研成果，可以加深学生对所学知识的理解，提高学生的学习兴趣，培养学生的学以致用意识和主动认知能力。在具体实施时，一方面，可以将结构力学的具体计算和实际工程结构进行对照，例如在计算拱类结构时，可以和实际工程中的拱桥结构进行对照；在分析桁架结构时，可以与单层工业厂房的桁架屋顶等桁架体系进行对比分析。另一方面，教师可以对一些工程中的桥梁结构、房屋结构等出现的破坏案例以及相关教师所做的关于结构的科研项目进行分析，从而使学生具体体会工程结构的特点以及结构力学理论在解决实际问题时的作用。

  2.4 布置课外学习任务

  在高等教育阶段，教师已不应该是学生获取知识的唯一来源，高等教育应该培养学生具有从多种渠道获取知识的能力。研究型教学鼓励学生“在学习中研究，在研究中学习”，因此，在研究型教学过程中，教师有必要鼓励学生不要满足书本上的知识，而要研究和探索书本上没有的知识。在教学过程中，教师可以为学生提供基于课程教学内容而又略高于教学内容的资料以及获取资料的各种方法，鼓励学生利用课余时间独立寻求解决问题的方法。这样既锻炼了学生搜集资料、查阅文献的能力，又拓展了学生的知识面。

  2.5 改革考核方式

  研究型教学的考核方法主要考核学生的创新思维能力以及灵活运用基本概念、基本理论解决问题

的能力。结构力学课程研究型教学的考核内容可以包括以下几方面。(1)随堂测试。为了鼓励学生积极思维，积极参与课堂学习、课堂讨论，在每章内容结束后进行随堂测试。随堂测试时间根据本章内容的特点和难易程度确定。测试成绩计入期末总成绩。通过随堂测试可以考核学生对平时授课内容的掌握情况。(2)研讨论文。教师提前布置研讨题目，学生在利用课余时间完成研究任务后，提交相关研究论文，教师对研究论文进行评审，评审成绩计入期末总成绩。主要考核学生综合运用结构力学知识的能力。(3)综合测试，在课程结束后进行结构力学综合考核，综合考核能全面考查学生对结构力学知识的综合运用能力和对知识的掌握程度。

  研究型教学作为一种课程改革的国际共同发展趋势，以培养学习者主动探究和创新实践的精神为目的，这与我国高等教育的任务“培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才”是一致的。因此，采用研究型教学以培养创新型优秀人才是我国高等教育教学改革的必然选择之一。教学实践表明，在结构力学课程中采用研究型教学，可以提高学生的学习兴趣和学习主动性，使学生的团队意识不断增强，综合能力得到很大提高。

 

[1] 郑伦楚,徐晓军.论高校研究型教学的阶段性模式与深度推进策略[J].中国大学教学,2011(2):18-19,60.

[2] 龙驭球,包世华.结构力学教程[M].北京:高等教育出版社,2000.

[3] 杨 丽 , 温 恒 福 . 启 发 式 教 学 与 对 话 式 教 学 辨 析 . 教 育 探索,2011(2):51-53.