楊麗紅 樊 濤 吳國輝 張治勇 宋天舒 張 瑞 王寶來哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001

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研究型教學(xué)在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

楊麗紅 樊 濤 吳國輝 張治勇 宋天舒 張 瑞 王寶來
哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001

摘 要：介紹了研究型教學(xué)的特點(diǎn)，分析了土木工程及相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課——結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程特點(diǎn)，分別從教案制定、教學(xué)方法、課外學(xué)習(xí)以及課程考核等方面討論了在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中具體實(shí)施研究型教學(xué)的方法。為高等院校相關(guān)課程開展研究型教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué)；研究型教學(xué)；工程實(shí)際

培養(yǎng)創(chuàng)新型優(yōu)秀人才是我國高等教育的一項(xiàng)主要任務(wù)。近年來，為提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，各高等院校紛紛提出采用研究型教學(xué)的方式實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)目標(biāo)。研究型教學(xué)是一種基于研究探索的教學(xué)模式，在研究型教學(xué)中，教師通過優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，能夠?qū)W(xué)習(xí)、研究和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，從而能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。

在我國高等院校中，研究型教學(xué)的推進(jìn)經(jīng)歷了3個(gè)階段：研究型課堂的啟動(dòng)階段、研究型課程的推進(jìn)階段、研究型人才培養(yǎng)方案的構(gòu)建與實(shí)施階段[1]。

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程及相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是聯(lián)系基礎(chǔ)力學(xué)課程與工程設(shè)計(jì)課程的紐帶。結(jié)構(gòu)力學(xué)知識掌握的熟練與否不僅關(guān)系到學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果，而且對其畢業(yè)后的工作也具有深遠(yuǎn)影響。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值技術(shù)的飛速發(fā)展，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的主要作用已由培養(yǎng)學(xué)生的定量計(jì)算求解能力轉(zhuǎn)化為培養(yǎng)學(xué)生將力學(xué)概念與實(shí)際工程緊密結(jié)合，進(jìn)而在概念分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的能力。因此，在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中有必要采用研究型教學(xué)的方式，通過教師的合理設(shè)計(jì)和學(xué)生的主動(dòng)探索，培養(yǎng)土木工程及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)卓越的土木工程師和優(yōu)秀技術(shù)人才的目標(biāo)。

1 結(jié)構(gòu)力學(xué)課程特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程主要講授桿系的組成規(guī)律及靜定、超靜定桿系結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移計(jì)算原理和方法。目前，各高校所使用的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教材的主要內(nèi)容一般包括：結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造分析、靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析、移動(dòng)荷載和影響線、結(jié)構(gòu)位移計(jì)算、力法、位移法、矩陣位移法、結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算等[2]。

1.1基本概念多

從某種角度而言，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程可以看作是材料力學(xué)的拓展與延伸，因此在結(jié)構(gòu)力學(xué)中仍會(huì)用到材料力學(xué)中的諸多概念，如約束(固定端支座、固定鉸支座、活動(dòng)鉸支座)、內(nèi)力(軸力、彎矩、剪力)、位移(線位移、角位移)、圖乘法、多余約束、超靜定、變形協(xié)調(diào)性等。此外，結(jié)構(gòu)力學(xué)中又出現(xiàn)很多新的概念和專業(yè)術(shù)語，如幾何構(gòu)造特性(幾何不變、幾何可變、瞬變)、定向支承、瞬鉸、計(jì)算自由度、結(jié)構(gòu)(多跨梁、剛架、桁架、組合結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu))、移動(dòng)荷載、影響線、力法、位移法、矩陣位移法等。

1.2計(jì)算方法多

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程研究內(nèi)容繁雜，針對不同問題、不同結(jié)構(gòu)會(huì)采用不同的計(jì)算方法。結(jié)構(gòu)力學(xué)具體計(jì)算方法可以分為如下幾類：體系幾何構(gòu)造分析方法、靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法、影響線分析方法、結(jié)構(gòu)位移計(jì)算方法、超靜定結(jié)構(gòu)解法等。其中，體系幾何構(gòu)造需要根據(jù)桿系組成特點(diǎn)采用不同的規(guī)則進(jìn)行分析，不同類型的桿系有不同的分析方法；靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析需要分別針對靜定多跨梁、剛架、桁架、組合結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，每種結(jié)構(gòu)因具有不同的幾何特性和受力特性而具有不同的計(jì)算方法和求解技巧；影響線分析包括靜力法和機(jī)動(dòng)法；結(jié)構(gòu)位移計(jì)算方法包括直接積分法和圖乘法；超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算方法包括力法、位移法和矩陣位移法等。

1.3與工程聯(lián)系緊密

結(jié)構(gòu)力學(xué)研究工程中桿系結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題，它來源于工程，又服務(wù)于工程，是力學(xué)類課程中與工程實(shí)際聯(lián)系最為緊密的課程之一。結(jié)構(gòu)力學(xué)知識不僅可以用來解答書本中的題目，而且與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析、建筑結(jié)構(gòu)施工、結(jié)構(gòu)的加固與改造等土木工程實(shí)踐聯(lián)系密切。因此，在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過程中，如果能夠?qū)⒗碚撝R與實(shí)際工程問題結(jié)合，及時(shí)向?qū)W生介紹結(jié)構(gòu)力學(xué)知識在實(shí)際工程中的應(yīng)用，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新能力。

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)研究型教學(xué)實(shí)施要點(diǎn)

研究型教學(xué)在教學(xué)目的、培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)方法等方面與傳統(tǒng)教學(xué)存在顯著區(qū)別：研究型教學(xué)以帶領(lǐng)學(xué)生探索未知為教學(xué)目的，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為培養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)過程中通常采用課題驅(qū)動(dòng)、啟發(fā)研討等教學(xué)方法。為實(shí)現(xiàn)研究型教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程研究型教學(xué)實(shí)施過程中應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)。

2.1精心制定研究型教學(xué)教案

制定詳盡的研究型教學(xué)教案是在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中順利實(shí)施研究型教學(xué)的重要保障。研究型教學(xué)教案要突出以下幾點(diǎn)。

(1)授課教師結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)課程各部分內(nèi)容特點(diǎn)，確定在哪些知識點(diǎn)處采用啟發(fā)式教學(xué)，在哪些知識點(diǎn)處可以應(yīng)用討論式、互動(dòng)式教學(xué)，根據(jù)教師搜集整理的素材確定在哪些章節(jié)處引入工程破壞案例或科研成果案例進(jìn)行分析。

(2)采用研究型教學(xué)后，課堂教學(xué)內(nèi)容要詳略得當(dāng)。對某些簡單內(nèi)容或非重點(diǎn)內(nèi)容要進(jìn)行適當(dāng)整合，從而保證各種研究型教學(xué)手段能在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)順利實(shí)施。

(3)教師需要根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)和各章節(jié)的知識要點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)一些能夠刺激和引導(dǎo)學(xué)生思維的問題，搜集整理適合于結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的工程案例和科研成果案例，并根據(jù)需要將具體案例制作成多媒體課件，以便于能在課堂上向?qū)W生生動(dòng)、具體的展示。

2.2采用啟發(fā)式、研討式教學(xué)法

啟發(fā)式、研討式教學(xué)能充分發(fā)揮教師在教學(xué)中的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維[3]。

采用啟發(fā)式教學(xué)，教師可以在學(xué)生有了一定知識積累的基礎(chǔ)上，對于不存在過大難度的知識點(diǎn)提出問題，啟發(fā)學(xué)生思考。例如，在結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造分析部分，可以探討“瞬變體系是否具有應(yīng)用價(jià)值”“幾何不變體系、瞬變體系和計(jì)算自由度的關(guān)系”“鏈桿與剛片之間的聯(lián)系與區(qū)別”等；在靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析部分，可以探討“為什么一般靜定多跨梁的彎矩比一系列相應(yīng)簡支梁的彎矩小”“拱的內(nèi)力與拱的高跨比的關(guān)系”等。然后，將授課班級學(xué)生分成若干小組，學(xué)生按小組自由討論，在討論過程中，教師針對學(xué)生討論的核心問題進(jìn)行啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生自己尋找答案。具體按“教師提出問題—學(xué)生自主思考—學(xué)生有初步認(rèn)識—教師適時(shí)啟發(fā)—學(xué)生舉一反三”流程進(jìn)行。

采用研討式教學(xué)，教師首先提出有一定研討價(jià)值的課題，并組織學(xué)生圍繞此課題進(jìn)行研究探討性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生最大限度地發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。例如、在靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析部分，可以探討“結(jié)合不同靜定結(jié)構(gòu)(多跨梁、剛架、桁架、組合結(jié)構(gòu)、三鉸拱)的特點(diǎn)，探討提高計(jì)算能力和解題速度的方法”，在影響線部分，可以探討“繪制影響線的靜力法和機(jī)動(dòng)法的聯(lián)系”等。實(shí)施研討式教學(xué)按“教師提出課題—分組研究—集體討論—完成報(bào)告—做出評價(jià)”的流程進(jìn)行。在整個(gè)研討過程中，學(xué)生處于主動(dòng)地位，教師處于咨詢、幫助、引導(dǎo)的地位。

2.3采用案例教學(xué)法

結(jié)構(gòu)力學(xué)是與工程聯(lián)系十分緊密的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。因此學(xué)生在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)時(shí)，不僅要掌握書本上的理論知識，還有必要學(xué)習(xí)各種結(jié)構(gòu)的工程背景。采用案例教學(xué)法，通過分析一些與結(jié)構(gòu)相關(guān)的工程案例和相關(guān)科研成果，可以加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)以致用意識和主動(dòng)認(rèn)知能力。在具體實(shí)施時(shí)，一方面，可以將結(jié)構(gòu)力學(xué)的具體計(jì)算和實(shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行對照，例如在計(jì)算拱類結(jié)構(gòu)時(shí)，可以和實(shí)際工程中的拱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行對照；在分析桁架結(jié)構(gòu)時(shí)，可以與單層工業(yè)廠房的桁架屋頂?shù)辱旒荏w系進(jìn)行對比分析。另一方面，教師可以對一些工程中的橋梁結(jié)構(gòu)、房屋結(jié)構(gòu)等出現(xiàn)的破壞案例以及相關(guān)教師所做的關(guān)于結(jié)構(gòu)的科研項(xiàng)目進(jìn)行分析，從而使學(xué)生具體體會(huì)工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)理論在解決實(shí)際問題時(shí)的作用。

2.4布置課外學(xué)習(xí)任務(wù)

在高等教育階段，教師已不應(yīng)該是學(xué)生獲取知識的唯一來源，高等教育應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生具有從多種渠道獲取知識的能力。研究型教學(xué)鼓勵(lì)學(xué)生“在學(xué)習(xí)中研究，在研究中學(xué)習(xí)”，因此，在研究型教學(xué)過程中，教師有必要鼓勵(lì)學(xué)生不要滿足書本上的知識，而要研究和探索書本上沒有的知識。在教學(xué)過程中，教師可以為學(xué)生提供基于課程教學(xué)內(nèi)容而又略高于教學(xué)內(nèi)容的資料以及獲取資料的各種方法，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間獨(dú)立尋求解決問題的方法。這樣既鍛煉了學(xué)生搜集資料、查閱文獻(xiàn)的能力，又拓展了學(xué)生的知識面。

2.5改革考核方式

研究型教學(xué)的考核方法主要考核學(xué)生的創(chuàng)新思維能力以及靈活運(yùn)用基本概念、基本理論解決問題的能力。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程研究型教學(xué)的考核內(nèi)容可以包括以下幾方面。

(1)隨堂測試。為了鼓勵(lì)學(xué)生積極思維，積極參與課堂學(xué)習(xí)、課堂討論，在每章內(nèi)容結(jié)束后進(jìn)行隨堂測試。隨堂測試時(shí)間根據(jù)本章內(nèi)容的特點(diǎn)和難易程度確定。測試成績計(jì)入期末總成績。通過隨堂測試可以考核學(xué)生對平時(shí)授課內(nèi)容的掌握情況。

(2)研討論文。教師提前布置研討題目，學(xué)生在利用課余時(shí)間完成研究任務(wù)后，提交相關(guān)研究論文，教師對研究論文進(jìn)行評審，評審成績計(jì)入期末總成績。主要考核學(xué)生綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的能力。

(3)綜合測試，在課程結(jié)束后進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)綜合考核，綜合考核能全面考查學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的綜合運(yùn)用能力和對知識的掌握程度。

3 結(jié)束語

研究型教學(xué)作為一種課程改革的國際共同發(fā)展趨勢，以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者主動(dòng)探究和創(chuàng)新實(shí)踐的精神為目的，這與我國高等教育的任務(wù)“培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級專門人才”是一致的。因此，采用研究型教學(xué)以培養(yǎng)創(chuàng)新型優(yōu)秀人才是我國高等教育教學(xué)改革的必然選擇之一。教學(xué)實(shí)踐表明，在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中采用研究型教學(xué)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，使學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識不斷增強(qiáng)，綜合能力得到很大提高。

參考文獻(xiàn)

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[2] 龍馭球,包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2000.

[3] 楊麗,溫恒福.啟發(fā)式教學(xué)與對話式教學(xué)辨析.教育探索,2011(2):51-53.

Application of Research Teaching in Structural Mechanics Course

Yang Lihong, Fan Tao, Wu Guohui, Zhang Zhiyong, Song Tianshu, Zhang Rui, Wang Baolai
Harbin Engineering University, Harbin, 150001, China

Abstract:Structural Mechanics is an important professional basic course in civil engineering specialty and related specialty. By analyzing the characteristic of Structural Mechanics course, the methodsof applying research teaching into Structural Mechanics are discussed in the following aspects: making lesson plans, teaching methods, extracurricular learning and curriculum evaluation.This paper provides a reference for related colleges on carrying out the research teaching.

Key words:structural mechanics; research teaching; practical engineering

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳規(guī)劃課題《基礎(chǔ)力學(xué)課程研究型教學(xué)的探索與實(shí)踐》(編號：GBC1213095)；黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“力學(xué)基礎(chǔ)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)與研究”(編號：JG2013010205)；哈爾濱工程大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于大工程理念的力學(xué)課程教學(xué)方法探索與實(shí)踐”(編號：JG2012YB01)。

作者簡介：楊麗紅，博士，副教授。

收稿日期：2015-08-17