关于结构力学课程教学三类重要问题的探讨

关于结构力学课程教学三类重要问题的探讨
摘要：本文就土木工程类专业结构力学的教学内容调整、教学环节改进、新的教学方式与手段的引入等进行了有益的探讨。

本文认为，调整结构力学现行课程内容势在必行，有必要将结构力学内容分为三个模块，教学中应由“纲”到“目”逐步展开课程内容；课堂教学、课外答疑、综合训练、学习效果考核是结构力学教学四个重要的环节，为改进教学效果，目前特别需要对课外答疑、综合训练、学习效果考核这三个方面进行改进；结构力学已是相对成熟的课程，要提升教学效果，引入启发式教学方式与计算机辅助教学手段是极为必要的。

关键词：结构力学；教学内容；教学环节；教学方式与手段
土木工程专业学生毕业后主要从事土木工程设计、科研和施工，具有很强的实践性，故大学教育阶段要注重提高和培养学生的分析判断能力、工程计算能力、独立思考能力、实际动手能力与解决综合问题的能力。

帮助学生掌握一定的实验技能，为将来学生走向社会从事结构设计和科学研究打下坚实基础。

在土木工程类专业基础课中，结构力学具有承前启后的作用，前向承接理论力学、材料力学，后项承接钢筋混凝土结构设计原理、桥梁工程、钢结构等专业课，对培养学生前述能力具有十分重要的作用。

固然若干年来不少学校的结构力学教学在培养学生前述能力方面进行了不少有益的探索，取得了一定成效和重要进展，但仍存在一些需要且可以进一步改进、提升的空间。

鉴于此，本文拟就土木工程类专业结构力学课程的教学内容调整、教学环节改进、新的教学方式与手段的引入等进行一些探讨。

一、教学内容调整
1、调整现行课程内容势在必行
结构力学是土木工程类专业的主要专业基础课，有其内在的知识链，环环相扣，教师教学中一旦疏漏了某个环节，就会影响到后续课程的教学，也会影响学生对于后续知识的理解。

故在结构力学教学过程中，合理设计该课程的教学内容，对于搞好该课程教学具有十分重要的作用。

我国土建类力学课程在20世纪50年代初基本上是照搬或参照前苏联模式而设置的，60年代始采用湖南大学、清华大学等高校编写的结构力学教材并沿用至今，一些学校也采用了本校教师自编的教材。

现行各种版本的结构力学教材虽然增加了计算机应用的内容，但主要还是针对手算的欠缺安排的。

从教学内容上看，目前主要集中在结构的计算过程和计算技巧上，与实际工程的结构计算仍有一定距离，学生不能得到足够的电算训
练和实践，不能适应当前社会对土木工程人才素质和能力的要求。

这就提出了调整现行课程内容的问题。

2、有必要将结构力学内容分为三个模块
鉴于前述并结合本人的教学实践，笔者认为，有必要将结构力学的内容分为三个模块，一是经典结构力学模块；二是计算结构力学模块；三是工程实例分析计算模块。

其中，经典结构力学模块宜由原结构力学课程内容改造而成，重在结构力学基本概念、基本理论和基本方法的知识传授和演练。

计算结构力学模块宜侧重于培养学生的计算机建模能力、编程能力和使用常用结构计算软件的能力。

工程实例分析计算模块宜侧重于引导学生综合运用前两个模块的知识，对工程实例进行结构简化、提炼、建模、计算及结果分析，增强学生对实际工程的体会和感悟，提高学生解决工程实践问题的能力。

3、由“纲”到“目”逐步展开教学内容
中国古人有“纲举目张”之说。

一门课程的内容会很多，但也存在“纲和目”的问题。

许多章、节、知识点都是该课程的“目”，而统领该课程的基本思路、核心思想、计算方法则是贯穿整个课程的逻辑线条，是该课程的“纲”。

“纲”和“目”就像一棵大树的主干和枝叶，教师在教学中如能先抓主干、再抓枝叶，即易使学生的学习达到纲举目张、事半功倍的学习效果，教师的讲授也会轻松得多。

故在结构力学教学中，教师首先要搞清课程内容的“纲和目”，其中一是要明确结构力学的研究对象，即杆件结构，含静定结构和超静定结构。

二是要明确结构力学的研究内容，即对杆件结构进行强度(内力)、刚度(位移)以及稳定性计算。

三是结构力学的研究方法，包括截面法求内力，虚功原理求位移，力法、位移法、力矩分配法、矩阵位移法计算超静定结构等。

这些都属于结构力学的“纲”的内容。

而课程中的众多知识点，即是结构力学的“目”。

其次，在结构力学教学中，教师要由“纲”到“目”逐步展开教学内容。

开课伊始，教师就应将课程的“纲”展示给学生，给学生一个“刚”的视野，以便学生对整个课程有一个全局的了解，使学生不至于局限于一章一节的“目”的具体内容、不至于在某个知识点上纠缠不休。

学生有了“刚”的视野，掌握了该课各个章、节、知识点的内容即“目”之后，教师要及时指导学生小结所学过的内容，建立知识点之间的有机联系，将小结内容归纳到课程的某一部分之下。

如此反复，学生对结构力学的学习才可能“纲举目张”，学懂学透、融会贯通。

二、教学环节改进
课堂教学、课外答疑、综合训练、学习效果考核是结构力学教学四个重要的环节，为改进结构力学教学效果，目前特别需要对课外答疑、综合训练、学习效果考核这三个方面进行改进。

1、课外答疑
课外答疑是课堂教学的补充和延伸，在结构力学教学中具有十分重要的作用。

一是答疑是对课堂教学的查漏补缺，是弥补教师课堂讲授不足、学生课堂理解不足的重要措施。

课堂讲授之后，教师难免会有些遗憾的部分内容，有些问题可能没有讲透，有些问题学生可能没有很好地理解。

教师认真做好课外答疑，有可能弥补课堂教授的某些遗憾。

二是课外答疑是强化教学效果的重要补充。

结构力学内容多，教师在同一课堂面对的学生的接受能力也会有很大差别。

教师只能根据绝大多数学生的情况讲授，往往是基础好、学有余力的学生希望教师讲的多些、深入些，甚至希望进一步钻研某些较为深入的问题，课外答疑无疑有助于解决这些学生“吃不饱”的问题；而基础差的学生往往不能完全掌握课堂上教师所讲的内容，需要课后进一步消化，课外答疑自然也有助于解决这部分学生在课堂中没有听懂的问题。

2、综合训练
学生在学习结构力学课程之前，尚未接触实际工程，对该门课程在工程中的地位和作用并不了解、更不清楚。

为了培养学生利用结构力学知识解决实际问题的能力，教师有必要对学生进行“结构力学的综合训练”。

在这一训练中，一是需要将每个教学班的学生分为若干组，为学生营造研讨的氛围。

二是宜于将结构计算的力矩分配法、矩阵位移法，以及结构的内力、位移计算结合在一起实施综合训练。

三是应要求学生对所学到的力学原理和结构力学计算方法进行全面复习、比较、分析、综合。

四是应要求学生除应用各种传统计算方法进行手算外，还应要求学生编制计算机应用程序进行适当工作量的电算，以促进学生提高计算能力和编程能力。

五是应要求学生对不同的计算方法进行比较，对计算结果进行校核，并进行误差分析，从而提高了学生的综合分析能力。

六是在综合训练中，教师应根据学生遇到的问题，加强对学生的指导。

3、学习效果考核
考试是检查教师教学效果、学生学习效果的重要途径，但结构力学课程知识点多，直接或间接地涉及大量工程实践问题，期末一次性考试往往并不能较为客观地反映教师的教学效果和学生的学习效果。

为此，有必要将期末一次性闭卷笔
试与课程大作业、开卷或半开卷考试等多种方式结合起来，以弥补单一考试的不足，规避单一考试的缺陷。

例如，讲完某些重要章节之后，在完成平时作业的基础上，可布置一个综合性较强的大作业，以提高学生分析问题及进行相关计算的能力。

为了考核学生对超静定结构计算及位移计算、结构动力学的掌握程度，可以采取课程大作业的方式，以求为毕业设计中的结构计算和动力计算打下基础。

为了考核学生对塑性分析和极限荷载部分的掌握程度，可以采取开卷或半开卷考试的方式，让学生更为系统、深入地思考相关问题。

三、引入新的教学方式与手段
结构力学已是相对成熟的课程，要在教学内容上有点创新往往是困难的，这也是不少同行感到困惑的问题，故要使教师教得好、学生学得好，也需要引入新的教学方式与手段，诸如引入启发式教学方式和计算机辅助教学手段。

1、结构力学的启发式教学
启发式教学是教育界倡导多年的教学方式，其基本精神是要充分激发学生学习的积极性，调动学生学习的主动性，诱发学生的创造性思维。

“启”与“发”是互为因果的，“启”是“发”的前提和条件，“发”是“启”的发展和结果。

要使学生启而即发，教师就得启而得法。

启发式教学的主要方式包括置疑启发、直观启发、辅导启发、讨论启发等多种形式。

在结构力学教学中，要搞好启发式教学，教师首先要有为学生服务的意识，要结合课程的知识体系进行问题设计，要以巧设疑问、巧设悬念、巧设“陷阱”、巧设矛盾等方法激发学生探究知识的欲望，诱导学生去深入思考、系统理解，消化和使用相关知识。

其中，质疑启发又称问题启发，就是运用一定的教学手段，激发学生的疑问和求知的欲望，从而调动学生学习的积极性。

故在质疑启发过程中，教师要善于提出问题、设计问题，通过教师的提问激发学生产生新的疑问，并产生解决问题的冲动。

直观启发，包括演示启发、比喻启发等，生动具体的实际现象描述比抽象的理论叙述更易激发学生的兴趣与形象思维，继而引发学生探求新知的积极性。

辅导启发是给学生一些具有启发性的思考题，激起学生运用已学知识去寻求答案的探究性思维。

批改作业或辅导时，教师一旦发现学生知识上或方法上的缺陷，就应及时指出错误，引导学生进一步思考或去查阅相关文献，寻求可能的答案。

讨论启发即通过师生交流互动，相互感悟、相互启发，以求开阔学生思路，提高学生的思维能力，甚至师生共同提高。

其中可以是对自学内容的讨论，对疑难问题的讨论等。

2、在结构力学中引入计算机辅助教学
长期以来，结构力学教学中的计算基本采用手算。

到了上世纪90年代初，不少学校的结构力学教学开始引入计算机辅助教学手段，诸如结构力学CAI、结构力学求解器，以及多媒体课件等。

借助于计算机辅助教学，有助于教师精讲、学生多练。

例如，教师可以利用CAI课件指导学生学习，了解学生的学习情况，考核学生的学习效果。

学生也可在教师精讲的前提下，直接在计算机上学习课程相关内容，检测自己的学习效果。

学生利用CAI课件作加深理解和能力训练，有利于培养他们主动学习的意识。

结构力学求解器是一种计算机辅助分析计算软件，其求解的内容包括了二维平面结构(体系)的几何组成部分、静定、超静定、位移、内力、影响线、自由振动、弹性稳定、极限荷载等经典结构力学课程中所涉及的所有问题，全部采用精确解答。

在教学中引入结构力学求解器，有助于提升学生对更多知识的了解与把握程度。

引入多媒体教学手段，借助多媒体课件形象的特点，可以较为生动地演示结构的动力反应和失稳情形，这比单纯的口头讲解效果可能要好得多。

这里要注意的是，计算机辅助教学手段有助于改善教学效果，提高学生对问题的理解，但计算机辅助教学毕竟主要是一种工具，它无法替代教师系统、生动的口头表达，更无法替代教师和学生的创造性思维。

故在使用计算机辅助教学手段过程中，要将计算机辅助手段与传统的“黑板+粉笔”的授课形式结合起来，而不能过分依赖计算机辅助手段。

目前在一些学校，受教学计划、学时、上机条件等的限制，难以在计划学时内安排计算机辅助教学内容。

据了解，有些学校在学生进行毕业设计前没有实施计算机辅助结构设计的环节，有些学校则是与其他专业课结合起来，安排计算机辅助教学课程。

我们认为，如果结构力学课程能够增加少量课时，则可将计算机辅助教学正式纳入到结构力学教学之中，这无疑对学生毕业设计，以及今后工作中遇到的结构计算问题都是有益的。