基于混合式教學與課程思政教育的結構力學課程教學設計

江守燕 金蓉 楊海霞 孫立國

摘 ?要：結構力學課程方法抽象、系統性強，是學生心目中十分難學的一門專業基礎課，為更好地實現課堂教學成效，該門課程在多年教學實踐中努力探索創新教育模式，強化教學過程中的概念分析、知識能力轉化、能力提升，以期為培養新時代“厚基礎、寬口徑、高素質”的復合型創新人才服務。通過利用現代化教學手段，實行線上線下混合式課堂教學、多角度開展課程思政教育、理論教學緊密聯系工程實際和教師科研成果、實時地開展實踐教學等方式，改革課程考核方法，激發學生的創新潛能。經過多年的改革、創新與實踐，結構力學課程教學取得顯著的教學成效。

關鍵詞：結構力學；混合式教學；課程思政；教學設計；教學成效

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：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

結構力學課程是力學、水利水電工程、土木工程等專業本科生的重要學科基礎課程，本課程的任務是在學習理論力學和材料力學等課程的基礎上進一步掌握平面桿件結構分析計算的基本概念、基本原理和基本方法，了解各類結構的力學性能，為學習有關專業課程以及進行結構設計和科學研究打好力學基礎，培養學生結構分析與計算等方面的能力[1]。

然而，在結構力學的學習過程中，學生普遍感受到方法抽象、方法系統性強，是學生心目中十分難學的一門專業基礎課，對于靜定結構的內力分析和位移計算，學生通過反復訓練基本可以掌握，而求解超靜定結構的力法和位移法是本門課程的重點，尤其位移法既是重點也是難點，而且方法最抽象，位移法基本系可以說是“無中生有”，學生很難理解，且在平時學習過程中，學生側重于做題、計算，不太善于結構分析。

因此，如何打破本門課程在學生心目中的屏障，消除學生對結構力學課程學習的恐懼心理，通過課堂教學使得學生能夠在課程基本概念、基本原理以及手算能力等方面駕輕就熟，引導學生善于進行結構分析。為了更好地實現課堂教學成效，本門課程在多年教學實踐過程中努力探索創新的教育模式，強化教學過程中的概念分析、知識能力轉化、能力提升[2]，以期為培養新時代“厚基礎、寬口徑、高素質”的復合型創新人才服務。

一 ?結構力學總體教學設計

課程教學設計的總體思路是利用現代化教學手段，實行線上線下混合式課堂教學、多角度開展課程思政教育、理論教學緊密聯系工程實際和教師科研成果、實時地開展實踐教學等方式及改革課程考核方法，激發學生的創新潛能。

（一） ?開展線上、線下混合式教學，提升學生的學習主體性

在過去的教學模式中，學生往往被動地接受知識，缺乏參與意識，顯然不符合培養具有批判性思維及創新能力新型人才的需求，必須探索有效的新型教學模式，提升學生的學習主體性[3-6]。為了使學生由被動思考過渡到主動思考，再提升到獨立思考，課程采用翻轉課堂、問題驅動教學法（PBL）等適合于線上線下混合式教學的教學方法，實現線上和線下教學的相互融合貫通[7-8]，提升學生的學習主體性。

1 ?MOOC+翻轉課堂的混合式教學

MOOC+翻轉課堂的混合式教學，要求學生首先在課外通過在線課程自主學習，然后在課堂上成為主講人，反轉了師生角色，更加強調學生在學習中的互動性與參與性，以及課堂的研究性學習。在過去幾學期的實踐過程中，選取“溫度改變時超靜定結構內力計算”“力法計算超靜定拱”等知識點作為學生翻轉的內容，具體要求是：學生全員參與，分組完成自主學習，在課下制作PPT并錄制視頻，小組成員之間分工協作，然后，在課堂上講解，教師進行組織協調、點評和查漏補缺。通過制作PPT—錄視頻—講解一連串的訓練，學生可對知識點理解得更加透徹，也鍛煉了學生相互之間的協作能力以及口頭表達能力。

2 ?MOOC+PBL的混合式教學

MOOC+PBL的混合式教學，是一種基于問題的教學方式，要求學生首先基于在線課程完成知識學習和基礎知識建構，然后在課堂上以小組的形式完成問題討論。這種教學模式對學生的學習主動性和思維能力提出了很高的要求，同時也對教師設計問題的能力提出了更高的要求。

第一層次是根據基本概念、原理設置的問題，著重考察學生在線課程的學習效果，同時也對在線課程學習的內容起到鞏固加深的作用，比如在講解“等截面直桿轉角位移方程”這一節時，課下要求同學進行在線課程學習，課堂主要采用研討的方式，討論的幾個基本概念問題包括：①在單跨超靜定梁中，桿端位移與桿端內力的正負號是如何規定的？②什么是形常數與載常數？③談談對轉角位移方程的認識？

第二層次是基本概念、原理講解過程中延伸的問題，如在講解“等截面直桿轉角位移方程”這一節時，要求同學討論如圖1所示單跨梁在固定端A處發生順時針方向的角位移φA時，由此引起鉸支座B處的角位移φB為多少？課堂討論的時候，有的同學根據位移計算的知識可以算出結果，但設置這一問題的目的在于考查學生對知識的掌握和運用，除了利用位移計算公式外，還可以根據兩端固定梁的桿端內力公式直接推導得到。在講解位移法時，討論位移法基本未知量的確定，如圖2所示，要求學生分析探討φ1、φ2和Δ3是否均應作為位移法基本未知量，并說明理由，考查學生對獨立的結點位移的理解，在前面討論了圖1所示的問題后，部分學生能夠很容易進行知識聯想。

第三層次著重考查學生理論聯系實際的能力。結構力學例題很多，要求學生對例題的計算結果進行分析探討，并聯系工程實際，比如講解超靜定結構在支座移動時內力計算的例題時，引導學生思考彎矩與哪些物理量相關以及有何關系，并反思如何解決相應的工程問題，說明超靜定結構中地基處理的重要性及沉降縫的設置等問題。

圖1 ?單跨梁

圖2 ?位移法基本未知量的確定

（二） ?多角度開展課程思政教育，實現知識傳授和精神引領的統一

將思想政治教育內容與專業知識技能教育內容有機融合[9]，達到知識傳授和精神引領的統一，對學生進行愛國主義教育、職業道德教育、社會責任教育和科學精神教育。

1 ?引入中國古代文明的代表性建筑物結構和當代中國的重大工程結構

以中國古代文明的代表性建筑物結構和當代中國的重大工程結構為背景和實例，從專業的角度展示中國古代歷史上的文明智慧、當代中國的巨大建設成就，以及對世界工程建設的杰出貢獻，激發學生愛國主義熱情和民族自豪感、自信心，如拱結構中以趙州橋和錦屏拱壩為代表、桁架結構以南京長江大橋為代表、剛架結構以港珠澳通道海底沉管為代表等。再比如，在力法基本原理的講解中，以山西的懸空寺為例（圖3），懸空寺在建成多年以后后世在樓閣的下方增設了數十根纖細的柱子，在一般情況下這些柱子并不起作用，但在樓閣的樓面荷載達到一定程度的時候這些柱子又為樓閣的安全性和穩定性增設了一份保險，闡述由靜定結構過渡到超靜定結構的工程背景，也以此例來展示我國古代勞動人民的智慧和工匠精神。

2 ?融入結構力學發展史

在結構力學課程教學中融入結構力學的發展歷史，讓學生了解結構力學中一些重要方法和原理的發展歷程，了解結構力學學者解決工程問題的初心和科學方法不斷發展和完善的過程。比如，圖乘法是Vereshagin于1925年提出的，他當時為莫斯科鐵路運輸學院的學生；力法的發展與兩位偉大的科學家麥克斯韋和莫爾的貢獻密不可分，1864年，麥克斯韋提出了求解超靜定桁架位移的單位荷載法，給出了力法的雛形；直到1874年，莫爾系統地整理了Maxwell的方法，給出了規范的形式，也就是力法，所以力法也被稱為麥克斯韋-莫爾法。位移法的發展也經過很多科學家的努力，1826年，納維首先提出了位移法的思想，用于求解超靜定桁架的內力；1880年，德國人曼德拉最早提出次彎矩法，用于求解桁架的次彎曲應力；1892年，莫爾對次彎矩法進行了完善，并逐漸為人所知；19世紀末20世紀初的時候，鋼筋混凝土材料得到廣泛使用，用鋼筋混凝土材料做成的剛架剛結點剛性很大，超靜定次數高，彎矩效應變得非常顯著，反而軸力引起的結點位移很小，所以，在20世紀初的時候，就提出了轉角位移法，用于求解剛架結構的內力，轉角位移法實際上就是位移法的一種，位移法也是現代計算力學分析方法有限元法的基礎。

3 ?布置與課程思政相關的課程論文主題

以課程論文的形式，要求學生閱讀較多的文獻資料，搜索和工程結構事故相關的素材，了解工程結構事故發生的概況、結構事故產生的原因、責任劃分以及從中得到的啟示和經驗教訓，以增強他們作為一名結構工程師的責任感和使命感。

（三） ?契合學校特色發展，將課堂教學與實際工程緊密結合

河海大學是一所以水利為特色的高等院校，課堂教學過程中，契合學校特色發展，教學內容中融入中國古代文明的代表性水工建筑物結構和當代中國的重大水利工程結構，如三峽大壩、趙州橋、港珠澳大橋等，此外，也將教師科研過程中涉及的重大工程項目（重力壩、拱壩、渡槽和水池等）穿插進相應的教學內容當中，使得教學內容能夠與時俱進。比如：在學習拱結構計算時，以我國著名的趙州橋為例，作為世界上保存最完整的古代單孔敞肩石拱橋，此外，也以教師科研實踐中的漿砌石拱渡槽為例，下面的拱圈也可以簡化成超靜定拱，如圖4所示，在學習溫度荷載下超靜定結構的內力計算時，引導學生思考為何我國一些重大的重力壩、拱壩等水工結構工程（小灣拱壩、三峽重力壩）施工時要分塊澆筑并設置橫縫？

通過將理論教學與實際工程緊密聯系，培養學生解決實際問題和理論聯系實際的能力，以及靈活應用所學知識發現、分析和解決工程中實際問題的能力，通過啟發學生對實際工程的設計提出改進意見和建議，激發學生的創新潛能。

（四） ?自制課堂教學演示教具，探索有效的實踐教學方法

課堂演示易于調動學生的積極性，同時增強學生的動手能力及理論聯系實際的能力[10-13]，化課堂理論教學中抽象的支座形式和桿件結構為可觀、可動的實際結構。在教學過程中，自研并加工了結構變形的演示教具，如圖5所示，可直觀地展示結構力學中固定支座、滑移支座、鉸支座等不同支座類型對桿件結構的位移和轉角的限制作用，加深學生對支座特性的理解，該教具還可輔助演示位移法基本原理，讓學生理解“剛臂”的功能，再現剛臂的“放松”和“鎖住”效果，通過動手實踐，加深了學生對位移法基本原理的理解。解決了“結構”力學學習中，不見“結構”的問題。

（五） ?“多元融合”的課程考核方式，強調過程性考核

課程評價體系是學生學習的風向標，具有指揮棒作用。課程考核評價體系的構建以培養學生獨立思考能力、知識運用能力及創新思維能力為目標，充分體現了“以學生為中心”的理念，注重學習過程，進行多元化考核，包含視頻學習、課程論文、線下討論、課后作業和線下期末考試等多個評價維度。根據各個維度對于不同的知識點的重要性以及對能力素質的反映度，確定各個維度的權重。具體考核方式包括在線課前學習（5%）+課堂學習討論、課程論文及課后反饋表現（35%）+課程考試（60%）。

二 ?結束語

經過半個世紀的建設，尤其是改革開放40多年來的改革、創新與實踐，河海大學結構力學課程取得了一大批具有較大影響力的創新成果，培養了一批動手能力強、創新意識高的學生。河海大學結構力學于2019年獲批首批國家級一流線上課程，并于2021年獲批首批省級線上線下混合式一流課程。目前，線上課程資源已經進行了約10多個學期的教學，每學期選課人數逾千人，受眾面非常廣泛。

在今后的結構力學課程教學中，將繼續充分利用已有的線上教學資源，探索混合式教學的有效途徑。在已有的教學實踐中一方面總結成功的經驗，另一方面也要總結當前混合式教學中存在的問題，通過學生反饋、教師自我總結等方式不斷提升混合式教學質量，提升課堂教學成效和人才培養質量。

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