基于产业需求和学情分析的结构力学课程改革

吴思瑶 张诚紫

(福建农林大学金山学院 福建福州 350002)

0 引言

我国正处于经济发展的新阶段，产业结构不断优化升级，对人才培养提出了新的素质要求，“十九大精神”也为高等教育发展和高校人才培养明确了方向。因此，以职业要求为导向，培养学生的实践能力和创新能力，建设“应用型高校”已成为我国普通本科高校的重要办学目标，而加强主干课程建设和实践教学则是实现该目标的重要环节。《结构力学》课程在土木工程专业的课程体系中处于承上启下的关键地位，但由于该课程本身难度较大且以理论教学为主，学生的兴趣度和积极性偏低，很多学生面临基础知识不扎实和工程思维能力较差的问题。近年来，许多教学工作者针对该课程的教学现状提出了教学改革措施并取得了一定成果，但对该课程与建筑产业需求的联系以及考虑学情分析的研究较少[1-6]。因此，本文以加强课堂教学的趣味性并贴近实际工程为重点，以激发学生学习热情和培养学生实践能力为目标，在产业需求和学情分析调研的基础上，结合教学实践和反思，提出四项改革措施，以期切实改善教学效果，为后续课程学习及将来参加工作打下良好的基础。

1 产业需求和学情调研

1.1 产业需求分析

土木工程专业学生毕业后主要从事结构设计和施工现场管理或技术方面的工作，其工作岗位能力与专业知识水平密切相关，而《结构力学》就是一门很重要的专业基础课。从设计角度出发，结构设计人员必须掌握相关的结构力学基础知识。例如，在最开始进行结构布置时，设计人员应当对力的传递路线有清晰的认识；在构件截面设计过程中，正确理解结构的内力和位移计算结果是关键；在抗震分析时，周期、振型等基本概念与结构力学更是密不可分。同时，虽然PKPM、YJK等软件大大降低了结构设计的难度，但实际工程仍然要求设计人员具备一定的定性分析能力和手算能力，这样面临实际设计问题时，思路才会更敏捷，才能更快地进行模型调整，对简单的构件通过手算即可完成设计。因此，学好结构力学对于设计人员更好、更快地完成设计任务有重要的作用，而且可以加深设计人员对专业规范条文的理解，有助于通过注册结构工程师考试。从施工角度出发，诸如施工缝的设置、钢筋在构件中的上下位置、节点的构造要求、预制构件堆放和吊点的布置、模板支架的搭设等都与结构力学知识息息相关。如果施工管理及技术人员都掌握了荷载、结构、节点、构件的受拉区、受压区、剪力、弯矩等力学基本概念，对所施工结构的受力性能有所了解，施工人员就能更快地理解施工图纸和要求，保证相关规范的正确执行，使发生错误的机率大大降低，并且能够根据现场发生的实际情况，快速正确地处理一般性的管理和技术问题，这样不仅可使施工质量和安全得到可靠保障，而且一定程度上也能提高施工效率[7]。

1.2 学情分析

学情分析是指对学生在学习方面的特点、学习方法、习惯、兴趣、成绩等进行分析。近年来，高校的学风呈现出淡化的趋势，学生普遍存在学习散漫，缺乏动力的问题。尤其是面对《结构力学》这类理论性强，难度高的课程，学生学习积极性不高，很容易在学习过程中丧失兴趣或者动力。因此，针对性的学情分析对提高教学质量而言是非常必要的。本研究以福建农林大学金山学院土木工程专业学生为对象，围绕学生对《结构力学》课程的认知情况和关注点，展开了学情调查工作。

调查结果分析表明：(1)大多数学生学习该课程的动机都只是完成必修学分的要求，虽然知道该课程是一门重要的专业基础课，但并不了解其与实际工程的关联性；(2)最关注和感兴趣的多数是该课程考核方面的问题以及该课程在今后学习、考研和工作方面的作用；(3)少数学生喜欢该课程，学生普遍觉得该课程难度大，前期基础不扎实，后期就跟不上授课进度；(4)仅半数的学生能够独立完成课后作业或和同学讨论后完成；(5)加入实践和应用环节对提高学生的积极性和巩固理论知识有较大的帮助。

2 课程改革措施

基于产业需求和学情分析的结果，本文以改善教学效果，提高学生实践应用能力为目标，从激发学生积极性的角度出发，提出了四项课程改革措施。

2.1 充分利用绪论课

绪论课作为整个课程的纲领，主要介绍的是课程的教学目标、教学安排、教学特点、教学要求、教学内容、学习方法、考核方法等，具有非常重要的作用，直接影响今后正常教学的效果。概括来说，绪论课的关键在于对学生的 “激发”和“引导”。“激发”是激发学生的学习动力。从学情分析结果来看，在《结构力学》绪论课上突出学习该课程的意义，对提高学习积极性是十分必要的。根据学生最关注和最感兴趣的内容，可以从3个方面突出该课程的重要作用：一是从课程体系角度出发， 介绍《结构力学》与其他课程的关联性，尤其要强调没有学好该课程对后续学习专业课的影响。二是从考研和考证角度出发，让学生知道《结构力学》是今后考研的主要专业课，也对工作后考取注册结构工程师资格证书有帮助。三是从产业需求角度出发，按照1.1节所述，可以以图片或视频的方式举例说明《结构力学》与今后工作和实际工程的联系。例如，可以向学生展示一个实际工程项目的三维建筑模型，通过观察模型，学生能够更好地理解结构的作用、力的传递路径以及结构计算简图的形成；通过内力图和配筋图，学生能够深刻体会结构力学和结构设计之间的紧密联系，充分激发学生的求知欲。“引导”则是给学生构建一个知识框架，梳理好该课程的知识脉络，指出重难点内容，特别要向学生强调各章节的紧密联系，如果前期学习不好会直接影响后续章节的学习，尤其是静定结构的内力计算方法是课程的重中之重，需要打好基础[8]。

2.2 引入结构力学求解器

由于目前《结构力学》课程没有设置相应的力学试验，结构力学求解器SM Solver与课程内容的结合能够增加理论知识的生动性，让学生更形象、深刻地理解课程内容，扎实力学基本功。SM Solver软件操作方便，易于上手，能够求解结构力学中二维平面杆件体系的几何构造分析、受力分析、位移计算等问题。一方面，课堂演示的方式比理论讲解更生动，可以激发学生学习的热情。具体章节应用情况和对应作用见表1，其中结构静力计算知识模块包括静定结构及超静定结构内力和位移计算相关章节。另一方面，SM Solver可为学生课后作题提供参考，能够培养学生的自主学习能力。例如输入一个静定或超静定结构，求解器都能生成相应的内力图和位移计算结果，便于学生校核，有助于学生独立完成作业，扎实力学基本功。

表1 SM Solver在结构力学课堂演示中的应用

2.3 融合实际案例和技巧

土木工程涉及范围非常广，包括建筑、桥梁、大坝、挡土墙等，都与力学脱不开关系。若能将常见的工程案例融合到课堂教学中，不仅可以将抽象的力学形象化，而且可以强化学生的工程意识，让学生体会到结构力学在实际工程中的应用价值，从而提升理论学习的兴趣。同时，在日常生活中也有很多地方可应用到结构力学知识或者用于类比学习的技巧，对于提高课程的趣味性，加深学生对课程内容的感性认知和理解掌握有很大帮助。本文归纳了常见的与结构力学相关的案例技巧及对应的知识点[8-12]，如表2所示。

表2 提高结构力学趣味性的案例及技巧

2.4 结合大学生结构设计大赛

对于土木工程专业来说，结构设计大赛是一项重要的学科性竞赛，能够培养学生的创新意识、团队合作和工程实践能力。从创新应用型人才培养的角度出发，我院积极鼓励学生参加省、院两级结构设计竞赛，并将该竞赛作为第二课堂学分认定的一个项目。由于学生在模型设计、制作、加载和分析过程中，需要充分利用到相关的力学知识，因此，将结构设计大赛作为结构力学课程实践教学的一个环节是非常可行的[13]。

结构设计大赛的赛题非常丰富，都来源于实际生活或工程，包括房屋建筑、桥梁、大跨度屋盖、发电塔、广告牌等，梁、拱、桁架、框架等这些结构形式都有涉及到。模型制作材料以卡纸、竹材、木材等为主；模型加载包括静荷载、移动荷载、风荷载及地震荷载。如福建省第十届大学生结构设计竞赛，赛题是用竹材制作抗连续倒塌结构，如图1～图2所示，通过模型设计与制作的过程，学生会主动学习及思考相关的专业知识；通过建模分析的过程，学生对结构体系、力的传递、受力特点等问题的理解程度可以得到强化并学以致用；通过加载破坏过程，学生能更直观地观察到节点破坏、杆件失效、结构整体失稳或出现极限承载力状态的情况，不仅可以使学生巩固已学习的力学知识，而且也为后续专业课程的学习和实际工程应用能力打下了基础。总之，将结构设计大赛与《结构力学》课程相结合，能够激发学生的学习兴趣，培养力学思维，巩固专业知识，提高实践及创新能力，树立团队意识，同时通过师生交流的形式，也能让老师了解学生对相关课程知识的掌握程度。

图1 实际模型结构图2 有限元模型

3 课程改革效果

通过一学期完整的结构力学教学实践，学生总体上对结构力学课程知识的掌握程度比上一学年要明显提高，具体表现如下：(1)更理解结构计算简图与真实结构的关系；(2)几何组成分析的方法和技巧更熟练；(3)静定结构受力分析和位移计算的基本功更扎实；(4)超静定结构的计算思路更清晰；(5)影响线概念和绘制方法掌握更准确；(6)结构动力学基本概念和原理理解更深刻。

同时，通过课程反馈调查表明，喜欢结构力学课程的同学明显增加，能够独立完成课后作业的同学比例也明显提高，且60%以上的同学都认为课堂上引入结构计算软件和工程实际案例，对提高学习兴趣度和对课程内容的理解有较大的帮助。

4 结语

产业需求是应用型人才培养的导向，学情分析是教学质量保证的前提，本文在产业需求及学情分析的基础上，提出了四项课程改革措施。教学实践结果表明，改革得到了学生认可，取得了良好效果：

(1)激发了学生的学习动力和工程意识，帮助学生树立正确的学习目标；

(2)提高了课程的趣味性和学生的积极性，有助于知识的掌握应用以及工程思维的扩展；

(3)培养了学生自主学习、独立思考、团队合作、实践创新的能力。