理论力学工程案例教学论文

摘要：“卓越计划”是促进中国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。岩石力学作为典型的跨行业通用课程是一门应用性和实践性很强的应用基础学科，在目前的教学过程中存在轻视基础概念、标准混乱陈旧、忽视工程能力培养的问题，难以达到“卓越计划”的培养要求。下面是小编精心推荐的《理论力学工程案例教学论文 (精选3篇)》的文章，希望能够很好的帮助到大家，谢谢大家对小编的支持和鼓励。

理论力学工程案例教学论文 篇1：

工程案例教学在理论力学教学中的应用

摘要：理论力学逻辑严谨、公式推导演绎较多，学生学习理解存在一定难度。根据理论力学的这一特点，本文提出将工程案例引入到理论教学中，这样既能使理论力学教学更生动，又能提高学生解决工程实际问题的能力。教学实践证明这一方法确实能收到较好的效果。

关键词：理论力学;公式推导;工程案例教学

一、引言

理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。这门课程研究的内容是速度远小于光速的宏观物体的机械运动，它以伽利略和牛顿总结的基本定律为基础，属于古典力学范畴。经过长期的实践证明，一般工程中所遇到的大量动力学问题，用古典力学来解决，既方便又能够保证足够的精确性。力学是从物理学中分离出来的，与“数、理、化、天、地、生”并列为七大基础学科。物理学是研究一切自然现象的科学，而研究物质运动是力学的定义。因此，力学从物理学中分离出来已是很长一个时期了。理论力学与电动力学、统计力学、量子力学在力学界称为四大力学。理论力学是牛顿力学，即所谓经典力学，现代力学包括经典力学、量子力学和相对论力学。力学是一门应用性极强的基础学科，又是一门理论性很强的技术基础课。[1]

国际理论与应用力学学会把力学分成基础力学和应用力学。上世纪30年代苏联建立了突出基础力学教育的教育体系。同时期，欧美建立了强调应用力学教育的教育体系。我国力学教育在解放后的十年间，受苏联力学教育体系的影响比較大，多数高等学校使用的理论力学教材都是从俄文翻译过来的。70年代末，欧美的理论力学教材进入我国高等教育界。直到80年代，理论力学还以120学时作为四年制机械类等专业课程的设置原则。

1980年5月，在南京召开高等学校工科力学教材编审委员扩大会，通过了教育部委托西北工业大学等高校提出的120学时机械类专业试用的“理论力学教学大纲”。二十多年来，随着高等教育教学体制改革的深化，理论力学课程在教学内容、教学方法、教学手段、教学思想和观念上都发生了很大变化。现在我院为机械类设置的理论力学课程只有70学时，而教学基本要求与20年前的差别不大。由于学时急剧减少，迫使教师采用多媒体现代化教学手段，增大信息量，强化知识点，通过精讲多练，使学生能够比较牢固地掌握理论力学的基本知识。建设理论力学精品课程的要求正是在这样的教学改革背景下应运而生的。

理论力学是理工科院校的一门重要技术基础课。但对许多理工科学校的学生来讲，学习理论力学并不是一个轻松的过程。普遍反映“课堂能听懂，一做作业就无从下手”，甚至有人将之称为“头疼力学、烦人力学”。究其原因，主要还是由于很多学生对于理论力学的基本概念、基本理论和分析方法等总是处于一种似懂非懂的状态，没有对所学内容进行深刻理解。理论力学的学习具有很强的逻辑性，前后章节的关系环环相扣。前面章节没学好，后面章节自然就学不好，越到后面越是紧密联系前面章节的知识点。再者，理论力学的定理、公式往往是“非构造性”的，不能用简单代公式的方法来计算，而是必须要有分析的过程，没有清晰的概念就无从下手[2]。可以说，对理论力学问题的求解非常锻炼人的宏观把握能力。因此，迫切需要对现行的理论力学教学方法及内容进行改革。基于此，工程案例教学方法应用而生。

二、工程案例教学

伴随着扩招，生源质量也有所下降，显得参差不齐。上同一门课，有些学生学习能力比较强，课堂不能满足需求，显得“吃不饱”;另外有些学生又不能跟上课堂教学的进度，学习比较吃力。因此，理论力学课堂改革就显得很有必要。学生学习新知识，第一印象——感性认识是很重要的。只有通过感性认识抓住学生的好奇心，才能有兴趣把相关的内容学习好，甚至于通过自学来满足自身对知识的渴望。而通过工程案例教学不但可以激发学习基础较差的学生的积极性，还可以通过大量工程案例的引入满足学有余力的学生对课堂外知识的渴求。工程案例的教学主要通过以下几个方面来实现。

1.工程案例的整理及提炼。和力学相关的案例可以说是随处可见，小到日常生活，大到航空航天。怎样选择合适的工程案例就显得比较关键。好的工程案例既能引导学生快速理解工程背景，又能提炼工程当中的力学原理，达到实践和理论有机结合的效果。因此，工程案例的收集整理就很有必要了。比如理论力学当中的力矩问题，就可以用常见的吊车起吊重物来举例说明：某事故现场，吊车起吊出事的卡车，结果卡车没吊上来，吊车反而由于起吊位置选择的不合适而翻倒了。这个实例可以很好的说明力矩，通过这个实例学生也能快速的将力矩理论与工程实际结合起来。又比如裂纹和断裂，这两个概念相对而言比较抽象。只有比较专业的课程才会谈到与裂纹有关的断裂问题。裂纹和断裂也可以通过生活当中的实例来说明：乘坐公交车应该是很多人都有过的生活经历，而公交车的安全锤就可以很好的说明裂纹和断裂。公交车上的红色安全锤是为了在紧急情况下让乘客逃生用的。当公交车出现紧急情况时，乘客只需要用安全锤敲击钢化玻璃的四个角。由于安全锤锤头很尖，接触面积小，手握安全锤大约用两千克的力就可以砸开玻璃的边角。对钢化玻璃而言，一点点的开裂就意味着玻璃内部的应力分布受到了破坏，从而在瞬间产生无数蜘蛛网状裂纹，此时只需用锤子轻轻的再砸几下就能将整面玻璃砸开。用这个实例不但可以讲清楚裂纹和断裂，还可以阐明应力和应力集中，可以将学生的理论学习与实践紧密相连。

2.工程案例的讲授。有了好的工程案例，还需要有好的教师在合适的章节恰如其分的引入。这就对教师的综合素质提出了较高的要求[3]。毋庸讳言，力学尤其是基础力学，上课教师的数量偏少，质量也略显不足。针对很多二本院校，基础力学的上课学生比较多，教师的教学任务相对较重，这也使得很多教师没法精心研究工程案例在教学当中的运用。另外，有些高校的基础力学教师并非“科班”出身，这也使得教师自身对有些课程的理解还不是特别深刻，当然也就不能更好的促进课堂教学的完善和发展。

三、工程案例教学的实践

从工程实践以及日常生活当中整理提炼了大量典型的工程案例，通过教学经验丰富的教师进行课堂教学，能否达到预期的效果，这也是一个很现实的问题。为了验证工程案例教学的实际教学效果，本文选择机电一体化及车辆工程两个专业进行对比。机电一体化4个班进行工程案例教学，而车辆工程3个班采用常规教学。经过一个学期的学习，从平时的课堂问答到期末考试都反映出，工程案例教学要优于常规教学。采用工程案例教学的机电一体化班最高分比车辆班高出10分，最低分高出15分，平均分高出12分。

四、结语

基础力学特别是理论力学课程的工程案例教学是一项长期、艱巨的任务，需要投入大量的人力、物力和时间。学生通过案例教学的学习可以快速地掌握理论知识在实际工程中的运用，从而更好的将理论与实践结合起来。案例教学还可以培养、训练学生从工程实践中抽象力学模型继而求解优化工程问题的能力，因此从该意义上来说，工程案例教学的作用可以说丝毫不亚于数学建模的功效[4]。再者，工程案例教学还可以培养学生动手和动脑的能力。比如讲到桁架部分，通过桁架桥梁的案例讲解，激发学生的学习兴趣。人们常说“兴趣是最好的老师”，一旦学生对桁架充满兴趣，就会在课堂外富有兴趣的动手制木制桁架，还会通过传感器等来测量桁架中的杆件是否为二力杆等。这样一来，学生对桁架的理解就会相当深刻。另外，工程案例教学还可以促进计算机软件如MATLAB、ANSYS等在教学中的应用。通过工程案例教学还可以培养学生的社会责任感，从学习阶段开始就以严谨的态度对待工程实际。最后，工程案例教学也可以提高教师的综合素质，丰富教师的课堂教学素材，使原本相对枯燥的课堂教学一下变得丰富有趣起来[5]。

工程案例教学使得师生都能很好的将理论与实践结合起来，实现课堂教学的最初目的：从实践中来，到实践中去。

参考文献：

[1]闵磊.《理论力学》课程教学的探讨[J].现代企业教育，2014，(10)：119.

[2]杨卫.案例式教学：固体力学的前沿应用[J].力学课程报告论坛，2007：3-5.

[3]陈红明.理论力学教学过程中的问题及对策分析[J].中国科教创新导刊，2014，(4)：66.

[4]王瑾.工程力学课程新型教学法的探讨与实践[J].力学课程报告论坛，2009：164-166.

[5]李梅.基于工程案例研究的材料力学教学探索[J].绍兴文理学院学报，2013，(9)：100-103.

作者：张应迁 付磊 文华斌 李良 罗云蓉

理论力学工程案例教学论文 篇2：

面向“卓越计划”的岩石力学课程教学改革探讨

摘要：“卓越计划”是促进中国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。岩石力学作为典型的跨行业通用课程是一门应用性和实践性很强的应用基础学科，在目前的教学过程中存在轻视基础概念、标准混乱陈旧、忽视工程能力培养的问题，难以达到“卓越计划”的培养要求。从土木工程专业教学实践出发，提出了教学内容模块化，合理选择培养标准;强化基本概念理解，培养创新能力;深入工程现场，提升工程能力的教学改革方案，收到了良好的教学效果。

关键词：卓越计划;岩石力学;教学改革;矿山建设

“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020年)》的重大改革项目，也是促进中国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措，科学时报[1]将“卓越计划”启动列为2010年中国高等教育十件大事之一。该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量的各类型工程技术人才。“卓越计划”具有三大培养特点：一是行业企业深度参与培养过程;二是学校按通用标准和行业标准培养工程人才;三是强化培养学生的工程能力和创新能力。

针对“卓越计划”的总体要求，面向卓越工程师的培养，许多从事工程教育的专家进行了深入探讨。林健[2]从课程体系的价值取向、课程体系的结构形式、课程体系的整合与重组等方面为“卓越计划”参与高校专业课程体系和教学内容改革提供了借鉴和参考。张文生等[3]围绕“回归工程”教育理念，论述了本科“卓越计划”的四个主要问题：制定专门性培养方案、改革培养模式、培养青年教师工程教育能力、建立健全保障体系，以期培养更多优秀的工程技术人才。王家臣等[4]根据卓越工程师的要求，从战略角度对科学培养采矿人才进行了深入思考。

一、 岩石力学课程的特点

岩石力学是一门应用性和实践性很强的应用基础学科，是采矿工程、水利水电工程、交通/铁道工程、工民建工程和石油工程等众多学科的专业基础课，属于典型的跨学科、跨行业的通用课程。虽然中国推行了跨行业的统一标准，如GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》、GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》等，但是由于借鉴前苏联的高等教育体制，目前还存在许多行业背景鲜明的规范在广泛应用，如GB/T 16414—2008《煤矿科技术语岩石力学》、DL/T 5368—2007《水电水利工程岩石试验规程》和JTG E 41—2005《公路工程岩石试验规程》 等。

为了提高教学质量，不同行业内的岩石力学课程教师从行业特色角度对课程教学改革进行了有益的尝试，比如采矿工程[5]、石油工程[6]、地下建筑工程[7]和海洋工程[8]等，都取得了很好的成效。此外，还有学者从模块化教学[9]、案例教学[10]、研究型教学[11]以及数值方法辅助教学[12]等方面进行了岩石力学课程的教学改革实践。遗憾的是，对岩石力学这门跨行业、特点鲜明的应用基础学科，目前还未见针对“卓越计划”培养特点的教学改革研究成果。

作为“卓越计划”试点高校的中国矿业大学经过长期发展和建设已形成了以工科为主、矿业为特色、多学科协调发展的基本格局，对中国煤炭能源行业发展发挥着不可替代的引领和支撑作用。岩石力学是学校土木工程、采矿工程及地质工程等专业本科生专业基础课程，为后续如矿山建设工程、采矿学及矿山压力与岩层控制等煤炭行业背景鲜明的专业课程提供岩石力学基础知识，地位尤其显著。

在上述背景下，如何在有限的教学时间内按通用标准和煤矿行业标准培养工程人才，强化学生的工程能力和创新能力已成为摆在教育工作者面前的一道难题。笔者结合自己的教学实践，初步探讨面向“卓越计划”的岩石力学教学改革思路，期望能够抛砖引玉，对其他涉及岩石力学的行业类院校起到启迪作用。

二 、岩石力学课程教学中存在的问题

(一)课程安排顺序及学时不合理

广义上讲，岩石力学应是力学与地质学相结合的交叉学科，更侧重于固体力学与岩石地质学的结合，具体地说，岩石力学是在弹塑性力学、土力学及工程地质学的基础上发展起来的。岩石力学的很多概念、理论和公式由土力学和工程地质学借鉴而来，但是目前高校经常将土力学、工程地质学与岩石力学同时开课，给教师讲授课带来诸多不便。

为了研究工程环境下岩体的力学性态，岩石力学需要涉及诸如材料力学、弹塑性力学、断裂损伤力学、裂隙渗流力学及流变力学等复杂深奥的力学内容;岩石力学的研究对象是地球千百万年来复杂地质作用而形成的各类岩体，岩石学、工程地质学、水文地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科的内容在教材中不断出现;岩体工程涉及地基工程、边坡工程和地下工程等具体工程形式，各种新施工技术和方法层出不穷。由此可见，岩石力学课程的内容丰富而繁杂，然而随着通识教育课程的增加，各专业课程课时被大幅削减，岩石力学课时由80学时精简为如今的32 学时， “满堂灌”现象成为普遍，学生对该课程内容的掌握和应用难度较大，学习积极性难以调动。

(二) 基本概念模糊，难以培养创新性思维

基本知识的深刻理解，是创新思维形成的力量之源。一些教师在课堂教学中对基本概念强调不够，分析不透，着重于公式推导、施工工艺或科研项目介绍等细枝末节的讲解，本末倒置，背离了岩石力学课程设置的初衷。重点概念比如地应力、流变、强度理论、应变软化现象、剪胀、尺度效应、围岩支护工作作用原理等内容应该重点分析。此外，由于岩石力学部分内容与材料力学、土力学内容相近(如强度理论、剪胀、三轴试验、二次应力和附加应力等)，如果不进行相关内容的分析对比，学生容易产生疲倦心理，导致思想上的不重视。

(三)标准选择混乱陈旧

如前所述，由于岩石力学是多个专业的专业基础课，每个工程领域都有各自的行业术语、标准、规范和教材。但是如果教师在岩石力学基础知识和工程应用方面的讲解都遵照本行业的规范和术语，将会造成学生知识面过窄，不利于国家通用标准的推广和学生就业;若完全脱离行业工程背景，则教学过程难免出现学非所用、理论脱离实际。如何达到“按通用标准和行业标准培养工程人才”的目标值得思考。随着工程技术的发展，很多新理论、新技术和新方法蓬勃发展，国家相关部门也会适时推出新的标准和规范，比如深部资源开采带来的“三高一扰动”、软岩大变形和冲击地压灾害频发等问题。但是由于教材的更新速度较慢，如果授课教师不能及时跟踪行业发展动态，将会导致课程知识体系陈旧无用。

(四)忽视工程能力的培养

实践是工程教育培养的关键环节，岩石力学是一门应用性很强的工程学科，然而受授课时间、资金、场地和工程条件等因素制约，目前的教学方式主要以书本知识传授为主，强调科学基础，试图传授更多的理论知识，理论与工程实践脱节严重，忽略了工程的系统性及其实践特征。“重理论、轻实践，重课堂、轻课外”的教学模式导致学生动手能力差、工程能力弱化，对于岩石力学课程中诸如地应力测量方法、监控量测、松动圈测试、超前地质预报和地下工程支护技术等工程现场的常规问题无法直观体验，不适应企业要求。这种现状不符合岩石力学服务于工程的课程特点，难以激发学生学习的积极性和创造性。

三、面向“卓越计划”的教学改革思路及实施路线

学校土木工程专业分为矿山建设工程、城市地下工程、工民建工程和交通土建工程四个方向，所有方向都开设岩石力学课程。依据专业实际情况，以矿山建设工程方向为重点，具体就面向“卓越计划”的岩石力学课程教学改革思路及实施路线进行深入探讨。

(一)教学内容模块化，合理选择培养标准

为了达到“学校按通用标准和行业标准培养工程人才”的要求，在教学内容安排上不能 “一刀切”。首先将教学内容模块化，根据不同培养方向调整培养方案。

(1)“前置基础”模块4学时，包括岩石力学课程中涉及的材料力学、弹性力学、工程地质学和土力学等前置学科的基础知识，根据各方向前置课程的授课内容确定合理的知识点。比如，弹性力学课程不在工民建方向的培养计划之内，对该方向应该加大弹性力学的权重。

(2)“岩石力学基础知识”模块20学时，包括“岩石组构及其物理性质”“岩块变形与强度”“弱面变形和强度”“岩体变形和强度”以及“原岩应力”等5部分，是各专业方向按共同标准和要求学习的内容。模块内容中岩块室内物理性质(如含水率、耐崩解性等)、强度和变形试验、岩体原位变形、强度和声波速度试验以及原岩应力测试等内容，应严格按照通用的国家标准GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》来讲授。

(3)“工程应用”模块8学时，根据专业方向的不同，选择各方向重要的工程应用及案例进行讲解。岩体分级是各方向都应该着重讲授的内容，应该以通用标准GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》为主，并辅以各方向的分级标准。如矿山建设工程方向的普氏分级标准、交通土建工程方向的 JTG D70-2004《公路隧道设计规范》和Q分类等。对于具体工程形式而言，矿山建设工程方向和城市地下工程方向以岩体地下工程为主，工民建工程方向以岩石基础工程为主，而交通土建工程方向则以边坡工程和地下工程并重。各方向还应对工程实践中常见的灾害机理作介绍，比如深部矿山工程中的软岩大变形、煤与瓦斯突出、冲击地压和底板透水等。

(二)强化基本概念理解，培养创新能力

概念和原理是创新的基础，只有掌握概念、清晰原理，才能举一反三而后应用自如。因此，在授课过程中，教师应多措并举，把基本概念讲清楚，讲透彻，让学生深入理解。

(1)刚性试验机是20世纪70年代岩石力学的重要进展，对其机理进行严谨的理论推导，对于初次接触的学生难以激发学习兴趣。为了解释柔性结构比刚性结构易于储存变形能的特点，笔者以弹簧和圆钢柱的压缩为例，让学生很快就明白柔性试验机压缩蓄能的快速释放是使脆性岩样产生爆裂的根本原因。

(2)室内岩样力学试验是课程的重要内容，书面讲解试验步骤较为枯燥，效率低下，但若先上试验课，一缺乏必要的准备知识，二受试验条件所限，难以让每个学生都参与其中，必然导致教学效果较差。由于视觉化的知识能够在短时间内留下深刻的印象，因此，可采用拍摄试验全过程的方法，包括声波速度测试、单轴压缩试验、单轴抗压强度试验、直接剪切试验、角模压剪试验、巴西劈裂试验和点荷载试验等，在每个试验讲解前播放视频，然后书面讲解试验机理和数据处理程序，最后通过试验课直观体验，巩固教学效果。

(3)原岩应力是地下工程围岩变形、破坏的根本源动力，在岩体工程具有举足轻重的地位，并由此带来“先加载，后开挖”、次生应力、开挖扰动和围岩等一系列岩体工程特有的概念。对于从理论力学、材料力学、弹性力学和结构力学一路学过来的学生而言，理解这些概念并非易事。笔者选择理想试验的方式来形象化该概念，具体来讲，就是将地层简化为弹簧-质点系统。该系统在重力作用下平衡后，弹簧发生压缩变形，系统内存在“原岩应力”，此时“开挖”去除一部分质点，必然带来“应力重分布”和“开挖扰动”。

(三)深入工程现场，提升工程能力

为达到“行业企业深度参与培养过程，强化培养工程能力”的培养目标，学校土木工程专业矿山建设工程方向实行“卓越计划”培养方案，学生企业实训学时达到36周，有充足的时间在煤矿现场进行实践学习。在学院层面与永煤集团车集煤矿、城郊煤矿签订了本科生合作培养协议，建立了现场实践教学基地。

在这种良好的前提下，可在课堂教学(32学时)之外，将部分课堂教学内容与学院在煤矿现场的科研项目有机结合，相互配合，是一种高效集约的授课模式，既可以加深学生对理论知识的认识，又能提高学生的动手能力。如课堂内的“岩体声波速度测试”与现场巷道松动圈测试，“原岩应力测试”与现场常用的空心包体法测试，“古典地压理论”与支护结构地压实测方法等。在教学过程中应该在确保安全的前提下，采用小班精细化教学模式以适应现场的恶劣条件。

聘请富有工程经验的工程师与授课教师进行交流合作。选择科学的授课方法、制定合理的授课内容是一种有效的培养方式，既可以使学生尽快适应企业要求，又能对青年教师起到帮助作用。比如：参观软岩大变形实例，加深学生对岩石流变的认识;观摩支护施工流程，掌握新奥法施工的原则;通过“沿空留/掘巷”“应力转移维护巷道”等工程措施的学习，深刻理解开挖引起原岩应力重分布机理在现场的应用。

四、结语

工程教育必须“回归工程”， 在“卓越计划”下的岩石力学课程教学改革，要以培养学生的工程实践能力和创新能力为目标，注重行业背景，优化教学内容，丰富教学手段，重视基础概念与机理，深入工程现场，加强实践环节，激发学生兴趣，切实提高教学质量，培养行业需要的优秀工程人才。

参考文献：

[1]陆琦，孙琛辉. 2010中国高等教育十件大事[N].科学时报，2010-12-7(B1大学周刊).

[2]林健. 面向“卓越工程师”培养的课程体系和教学内容改革 [J]. 高等工程教育研究，2011(5)：1-9.

[3] 张文生，宋克茹.“回归工程”教育理念下实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J]. 西北工业大学学报：社会科学版，2011， 31(1)：77-79.

[4]王家臣，钱鸣高.卓越工程师人才培养的战略思考—科学采矿人才培养[J]. 煤炭高等教育，2011， 29(5)：1-4.

[5]徐营，万志军，柏建彪，等. “矿山岩体力学”课程的教学改革研究[J]. 煤炭高等教育，2013， 31(3)：122-125.

[6]李玮，刘永建，殷代印，等. 石油工程中“岩石力学”课程的教学改革研究[J].科学促进发展，2010(S1)：179.

[7]左昌群，孙金山，罗学东. 面向土木工程专业地下建筑方向的《岩体力学》课程教学改革[J].教育教学论坛，2013，35：49-50.

[8]张广清. 海洋工程《岩石力学》的研讨式教学[J].教育教学论坛，2014(13)：83-84.

[9]王渭明.《岩石力学》教学改革与回顾[J]. 教育教学论坛，2011(14)：221-222.

[10]王迎超，耿凡，张成林. 岩石力学课程的现状与案例教改思路探讨[J]. 高等建筑教育，2013，22(6) ：51-55.

[11]唐海. 研究型教学在岩体力学课程教学中的应用[J].当代教育论坛：综合版，2010(3)： 99-100.

[12]李连崇，梁正召，马天辉，等. 高性能计算技术在岩石力学课程教学中的应用[J]. 高等建筑教育，2010，19(1)：126-130.

作者：蔚立元 张强 杨圣奇

理论力学工程案例教学论文 篇3：

工程思维导向的“结构力学”教学方法与实践

[摘 要] 为适应新工科培养目标，提升学生力学素养，提高学生的结构创新和工程实践能力，针对“结构力学”传统教学课程内容缺乏时代特征、教学互动性及多样性等诸多问题，对“结构力学”课程的教学方法进行探讨。在有条件的基础上进行工程现场授课，形成与课堂授课互补的“第二课堂”;增加课上工程结构电算内容，组织课下工程结构竞赛活动;建立互联网知识共享平台，方便学生在线学习和师生及时沟通。教学结果表明，工程思维导向的教学设计，可以使学生建立结构力学概念的工程思维能力和发展工程思维直觉，并为后续专业课的学习打下坚实基础。

[关键词] 结构力学;工程思维;教学设计;结构电算

[基金项目] 2017年度天津城建大学教育教學改革与研究项目“基于工程思维培养的结构力学课程教学方法研究与实践”(JG-YBZ-1709);2019年度山东省研究生教育质量提升计划项目“桥梁工程灾害预防与处置教学案例库建设”(SDYAL19110);2020年度山东建筑大学博士科研基金“大跨人行悬索桥风致振动试验与理论研究”(X20082Z)

[作者简介] 管青海(1985—)，男，山东诸城人，博士，山东建筑大学交通工程学院讲师，主要从事桥梁结构振动与控制研究;付 涛(1981—)，男，山东潍坊人，博士，山东建筑大学交通工程学院副教授，主要从事桥梁抗震与防撞、装配式桥梁结构研究;周 燕(1979—)，女，山东临沂人，博士，天津城建大学土木工程学院副教授，主要从事路面结构与材料研究。

一、引言

“结构力学”是土木工程相关专业的必修课，在大多数工科专业课程体系中具有显著地位与重要作用。先修课程涵盖“高等数学”“理论力学”“材料力学”等理论性强的基础课程，同时“结构力学”课程又是“土力学与地基基础”“结构设计原理”“桥梁工程”等诸多专业课的基础。“结构力学”课程在整个工科课程体系中处于承上启下的核心地位，不但为专业理论课提供必需的基础理论知识，而且也为课程设计和毕业设计等教学实践课提供理论基础和计算方法。在新工科专业建设背景下[1]，将“结构力学”有效融入相关工科专业课程中，必须加强结构力学的工程思维能力培养。

二、“结构力学”课程传统教学存在的问题

从当前国内土木工程、道路桥梁与渡河工程，以及工程管理等专业的力学课程体系设置来看，“结构力学”课时被大幅削减，在实际教学计划中“结构力学”授课只能尽量保证经典力学部分，对上下游其他关联课程的衔接延伸讲解，以及工程思维的训练则无暇顾及，因此，打造贯通“结构力学”与专业课程的授课方式至关重要。

要求学生在有限课时内掌握大量信息并非一件易事，同时枯燥的力学知识又往往使学生缺乏学习兴趣，不利于培养学生的创新精神与工程思维。教学课时的缩减，使教师对授课大纲和讲解内容进行大幅度简化，很多欠缺工程专业背景的力学教师则会“重公式、轻概念”“重理论、轻工程”，不利于提高教学水平和授课质量，更难以培养学生的工程思维能力，造成理论化教学与应用能力培养割裂的困局，以及固定教学模式与创新意识、工程思维培养的矛盾。

由于“结构力学”课程特点的限制，“结构力学”授课上易于出现以下问题：(1)课程内容缺乏时代特征和灵活性;(2)教学过程缺乏互动性和针对性;(3)教学方法缺乏创新性和多样性。这些问题容易使学生对结构力学无法系统性掌握，难以建立工程思维能力，更难以形成工程思维直觉。

结构力学概念多，概念之间互联强，极易造成概念混淆，学生在“结构力学”课程的学习过程中往往存在以下问题：(1)缺乏学习兴趣，求知欲不足，学习主动性有待加强;(2)知识学习僵化，知识点难以融会贯通，只会做题不会分析;(3)学习缺乏批判性，面对公式死记硬背，对于典型例题生搬硬套。因此，需要教师创新教学方法，积极调动学生的学习主观能动性。

虽然，很多高校教师提出了一些针对“结构力学”课程的授课方法，获得了一些预期效果[2-5]。但是，无论是教学设计还是教学效果，“结构力学”课程教学仍存在很大挑战。鉴于“结构力学”课程教学当前存在的诸多问题，“结构力学”课程教学内容与教学方法上的改革势在必行。结合“结构力学”课程的实际特点，应建立一套具有可操作性的、基于工程思维能力培养的课程教学方法，并辅以丰富的教学资源，开发与行业发展及工程应用环节紧密相关的教学内容，培养学生的全局专业眼光和工程思维意识，强化学生综合运用力学知识解决实际问题的工程思维能力，培养具有现代工程理念的“卓越工程师”[6，7]，对于满足新时代社会经济发展具有重要的现实意义。

三、工程思维导向的“结构力学”教学设计

(一)教学设计路线

单一课堂教学已经不能满足当前教学工作的需要，因此，我们要从多种渠道、多种维度强化学生的工程思维，同时，多渠道、多维度也能够更好地结合时代特征与工程实际，使学生能够学有所用、学以致用。

工程思维导向的教学设计，要将传统课堂教学叠加课下教学，并补充线上教学，三种教学方式协调统一并相互促进，构成三位一体立体化教学体系。工程思维导向的“结构力学”教学设计总体路线结构如图1所示。

(二)教学设计方法

教学设计不拘泥于单一课堂教学、线上教学或者线上线下混合教学，而是将课堂教学、现场教学及线上教学三种方式有机融合。

1.课堂教学除了讲授大纲基本内容之外，还需要涉及工程结构电算部分。对于典型工程案例，结合力法和位移法进行结构电算，能使学生更好地理解与掌握结构力学的求解逻辑和理念。同时，工程案例解析要结合工程现场教学。

2.课下教学是课堂教学的有效延伸。课下教师可以组织学生参加各类结构竞赛，将结构竞赛设计成结构电算的形式，并纳入课程评价体系，能够极大地提高学生的学习热情。在有条件的基础上，工程现场教学将会起到事半功倍的效果，或者将“结构力学”与“认识实习”“生产实习”等实践课相结合，使实习过程成为“结构力学”指导下的理论联系实践过程。同时，要注意不能为了现场而现场，工程现场教学要充分联系课堂教学内容。

3.充分利用丰富的互联网线上教学平台。比如，国内外各大公开课、教学名师课堂、国家金课等高水平教学资源，或者B站等自媒体教学视频。线上获取教学资源的便利性，使学生具有更大的选择自由度和学习空间，另外，除了線上共享知识平台之外，建议开发互动性教学平台，建立与学生持续沟通、随时答疑的机制。

四、教学实践与效果检验

(一)教学实践

结合多年“结构力学”教学实践，以工程思维培养为导向，逐步摸索出课堂、现场及线上的三位一体教学体系。教学团队围绕道路桥梁与渡河工程、工程管理等专业进行了多轮次教学实践和研讨，将具体教学实践过程总结如下。

1.以不同结构受力特点为基础引申实际工程背景，培养学生的工程思维能力。目前，结构力学实际上是对结构计算简图的学习，是简化后的力学计算模型。学生在计算简图的学习过程中，容易对实际结构的力学认识不强，难以从实际工程中抽象出力学模型。在学习各种结构时，引申相应的工程背景，并适当结合工程现场教学，使学生提高理论联系实际的能力，从而培养工程思维能力。

2.增加电算教学内容，培养学生工程结构电算能力。在毕业设计及今后工作中，学生遇到的工程问题复杂多变，采用手算不切实际，多数要通过电算完成。增加学生电算能力培养的教学内容，开展相关内容的上机练习，能够利用结构力学求解器或者自编结构力学小程序，提高结构计算分析能力，并结合结构竞赛进行专项结构电算培训与指导。

3.增加以结构模型竞赛为依托的实践内容，使教学更贴近工程实践。结构模型竞赛是教学与工程实践较完美的结合，实现结构模型竞赛与“结构力学”课程教学的有效融合，并将竞赛纳入课程教学评价体系。定期举办结构模型竞赛，将所有学生进行分组，并鼓励学生积极参与。结构模型竞赛与结构电算相互反馈促进，深化对结构力学理论知识的认识，深刻理解各类力学结构的一般力学特性，并与工程结构建立直觉联系，提高分析工程问题的能力，提升工程实践能力，最终达到研究和创新能力的提高。

4.在有条件的基础上进行工程现场授课，形成与教室授课互补的“第二课堂”。除了在课堂教学环节之外，寻找典型工程结构进行现场教学。诸如天津永乐桥(天津之眼摩天轮)、天津海河桥(开启式钢架桥)、济南二仙桥(拱桥)、济南黄河大桥(斜拉桥)等，有目的地深入实际工程现场讲解相关知识，使学生能够更直观地发展工程思维，锻炼工程直觉。

5.建立互联网知识平台，方便学生在线学习和师生及时沟通。利用网络教学平台的交互式教学环境，发挥网络教学平台在课前预习、课堂讨论，以及课后知识巩固中的引导作用;利用线上资源学习相关结构工程设计案例及其施工视频;开发结构力学线上共享互动平台，教学团队在微信公众平台上开发运维结构力学主题微信公众号，并定期上传“结构力学”授课重点内容、工程思维能力培养专题、作业题讲解等内容，学生能够随时在公众号上完成课前的科学预习和课后的查漏补缺，师生建立长期有效互动，与教室课堂教学形成优势互补。

(二)效果检验

工程思维导向的教学设计可以充分利用启发式教学，在授课中加强工程思维培养环节，并结合实际结构工程进行现场讲解和结构电算教学，有利于学生养成结构力学思维意识，进一步有意识地使学生发展工程思维能力，锻炼工程直觉。

从多年教学经验及学生的反馈来看，工程思维导向的教学设计，课堂、现场及线上三位一体教学体系，能够显著提高“结构力学”教学质量，学生不仅仅在考试分数上得到提升，在工程应用能力上也得到了充分锻炼。

五、结语

在工程思维导向的教学设计中，各教学环节之间绝不是孤立存在的，需要相互串联与促进。三位一体教学过程要贯穿整个“结构力学”课程体系，甚至打破原有的教学设计顺序，从工程现场问题出发，反向寻求结构力学解决方法，从而实现学习过程的主动化。工程思维导向的教学设计，突出了学生的主体地位，有利于使学生建立结构力学概念的工程思维能力和工程思维直觉，有助于学生快速分析工程结构力学特点，为后续专业课的学习打下坚实基础。

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作者：管青海 付涛 周燕 薛江