工程创新人才培养模式下的结构力学教学改革探讨.doc

工程创新人才培养模式下的结构力学教学改革探讨 针对全力推进工程教育改革和积极探索拔尖工程创新人才培养模式的目标，探讨了结构力学教学改革方面的问题，提出了结构力学教学应该注重与其他力学主干课程交叉融合，宜采用板书和多媒体课件相结合的授课方法、以练促学的学习途径和多次考试的考核方式，教学内容应与工程实践相结合，注重学生能力的养成。 0引言 天津大学求是学部成立于2009年9月，多年来，坚持 “育人为本、开拓创新、求真务实、追求卓越、注重效果”的办学思想，秉承“面向世界、面向未来”的工程教育理念，全力推进工程教育改革，积极探索拔尖工程创新人才培养模式，努力培养终身具有可持续国际竞争力、创造力、实践力和领导力的卓越工程创新人才。以“人才为本”的理念贯穿四年培养过程，实施“尊重个性、强化能力、拓展素质”的工程创新人才培养模式。根据教学内容特点选配相应教学方法、手段和考核模式，试点实施综合素质培养体系及相应评价机制。注重优化培养体系，按照人才成长需求，实行大类培养与个性化培养方式；打破传统专业划分，强化数理基础、大口径专业基础和实践能力，注重综合素质提升。在这样的培养模式下，传统的教学方法已经不再适应，亟需探索出一条适合于“重基础、宽专业”的教学内容和方法。本文基于作者在天津大学茅以升班结构力学教学工作中积累的经验，探讨了工程创新人才培养模式下的结构力学教学改革的方向和途径。 1结构力学的研究对象、学科内容和教学要求 在探讨结构力学的教学改革方法前，首先应对结构力学的研究对象、学科内容和教学要求进行介绍。结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力规律，以及如何进行结构优化的学科。它是土木工程专业和机械类专业学生必修的学科，应用于建筑业和机械制造业等领域。结构力学以杆件结构为研究对象，其任务是根据力学原理研究在外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形，结构的强度、刚度、稳定性和动力反应，以及结构的组成规律和受力性能。结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在各种效应（外力、温度效应、施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力（轴力、剪力、弯矩、扭矩）的计算，位移（线位移、角位移）计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应（自振周期、振型）的计算等。结构力学通常有三种分析的方法能量法、力法、位移法，由位移法衍生出的矩阵位移法后来发展出有限元法，成为利用计算机进行结构计算的理论基础。 2“重基础、宽专业”的教学模式下，结构力学应该注重与其他力学主干课交叉融合 土木工程和机械类专业的力学主干课包括理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、流体力学、土力学等等。结构力学既区别于其他力学课程，又与其他力学课程有密切的联系。“重基础、宽专业”教学方法的主旨就是给学生提供一个宽广和扎实的力学基础，并在此基础上对力学的精髓融会贯通，打破各门力学课程之间的壁垒，为更好地开展专业课程的教学提供一个“无缝拼接”的平台。为此，在进行结构力学教学时，除了讲授结构力学所涉及的杆系结构外，辅助以其他力学知识有时也是必要的。例如，在介绍结构力学的研究对象时，应该与其他力学进行区别和联系理论力学的研究对象是刚体，材料力学的研究对象是单个可变形的一维杆件，结构力学的研究对象是多根可变形一维杆件组成的体系，弹性力学的研究对象是二维板壳或三维实体。这样就可以给学生一个直观的印象，即到底结构力学在整个力学体系中处在什么样的地位，以及与其他力学之间的区别。此外，在进行结构力学教学时，也应介绍不同力学之间的交叉。例如，当前研究的热点问题流固耦合问题便是结构力学和流体力学之间的交叉学科，土与结构物相互作用既是结构力学与土力学之间的交叉学科。在讲授时，可以结合教师的研究课题，将最新的研究进展带到课堂上来。 3宜采用板书和多媒体课件相结合的方法 现代课堂教学大量地使用多媒体课件，大大增大了课堂教学的信息量，令教学内容更加丰富、生动和美观，也减轻了教师的授课负担。然而，多媒体课件也存在一些不足，例如多媒体课件更多地是展示结果，而缺失了分析和计算的过程。结构力学是一门逻辑性很强的课程，其中涉及大量的方法推导和数据计算。若仅给出计算的结果，而不对计算过程进行介绍，会使学生产生“上课时貌似懂得，真正在做习题时却是茫然”的现象。例如，在讲授图乘法时，如果仅是给出计算的公式和结果，并不能达到很好的教学效果。教师必须亲自在黑板上算一遍，把计算的每一个细节都显现出来，这样才能让学生听懂和会做。因此，结构力学宜采用板书和多媒体课件相结合的讲授方法，多媒体课件应侧重内力图的绘制和文字的介绍，而板书则侧重计算的过程。 4宜采用以练促学的学习方法和多次考试的考核方式 结构力学的学习离不开适量地做练习题，做好题，做精题。似懂非懂、一知半解最不可取。做练习题一方面可以巩固课堂学到的理论知识，让学到的理论和方法能够为我所用；另一方面，好的练习题可以起到对课堂讲授的理论知识融会贯通的作用，能使学生真正学到结构力学的精髓思想，让学生产生一种成就感，更加促进学习的动力和效果。此外，适量做练习题，可以培养学生对于结构受力和传力的一种“感觉”，即便不进行计算，也能大概清楚结构内力的分布，大大加快了计算的效率。比如，在静定结构内力分析时，宜开展速画弯矩图的训练，即不进行任何计算，仅凭眼睛观察，便可得到结构的弯矩图，其关键就是找到关键的支座反力。而如何培养这种能力，适量的练习则是必由之径。 另一方面，结构力学的考核方式宜采用多次考试的形式，例如采用三次考试的方式，即第一次考试内容为几何组成分析和静定结构内力计算，第二次考试内容为第一次考试的内容加上虚功原理、静定结构位移计算和力法，第三次考试，也就是期末考试，其内容为前两次考试的内容加上位移法、力矩分配法、影响线和结构动力分析。其优点如下（1）由于多次考试可以覆盖更广的知识点，因此有利于学生全面掌握结构力学的内容。（2）多次考试可以督促学生及时对所学的知识进行总结和复习，在讲授新的知识前更好地打下坚实的基础。最后，多次考试可以更加客观地评价学生对结构力学的掌握程度，避免了一道题做错导致分数下降较多的现象。 5教学内容应与工程实践相结合 区别于理论力学和材料力学，结构力学的研究对象更接近于工程实际，其中的一些方法和学习内容可以直接应用于实际工程的设计和计算中，因此在教学过程中应注重与工程实践相结合。例如，在计算杆件的变形时，材料力学采用公式法，即将荷载引起的弯矩表达式与单位力引起的弯矩表达式相乘，然后沿杆长进行积分，得到杆件的变形；而结构力学采用图乘法，即将荷载引起的弯矩图与单位力引起的弯矩图进行图乘，得到杆件的变形。作者在教学过程中发现由于材料力学是先修课程，学生对公式法相对熟悉，因此倾向于使用公式法进行杆件变形的计算。然而，结构力学中的图乘法的概念清晰，计算简单，摒除了复杂的积分计算，在工程实践当中应用的更广，被广大的工程技术人员采用。因此，应当鼓励学生采用结构力学的图乘法进行杆件变形计算。此外，从现有的结构力学教学大纲关于课时的分配来看，力法和位移法占据了绝大多数教学课时，而与工程直接对接的矩阵位移法所分配的学时数较少，甚至没有。对于土木工程专业的毕业生，其在工作中所用到的计算软件，如PKPM、SAP、ETABS等，无一例外都使用到矩阵位移法的相关理论。因此，若想真正地用好工程计算软件，理解它的基础理论是必要的。因而，在教学中应该对矩阵位移法进行重点讲解，安排更多的教学学时，让学生充分理解相关基础理论。总之，结构力学的教学内容应与工程实践相结合，让学生能够更快地融入到将来所从事的行业中。 6应注重学生能力的培养 结构力学的教学应注重学生的分析能力、计算能力、自学能力和表达能力的培养。分析能力包括选择结构计算简图的能力，进行力系平衡分析和变形几何分析的能力，选择计算方法的能力。举例来说，所谓的选择计算方法的能力是指由于结构力学中的计算方法很多，学生应该具有根据各个方法的特点和适用范围选择正确、有效、便捷的计算方法的能力。计算能力包括对各种结构进行计算或确定计算步骤的能力，对计算结果进行定量校核或定性判断的能力，使用结构计算程序对复杂结构进行内力计算的能力。自学能力就是把书本上的知识变成自己的知识，并且能够利用运用已掌握的知识，通过自主学习进一步掌握新知识的能力，更进一步地，创造出新的知识的能力。表达能力是指，作业应该整洁、清晰和严谨。书写整洁，与其说是一种能力，不如说是一种习惯，体现出对待事物郑重和负责人的态度。清晰是指做题要步骤分明，思路清楚，图形简介，数据准确。态度严谨是培养学生从事科学的正确态度。 7结语 秉承“面向世界、面向未来”的工程教育理念，全力推进工程教育改革，是时代的要求。积极探索拔尖工程创新人才培养模式是当前亟需探索的工程教育问题。基于此点，本文探讨了工程创新人才培养模式下结构力学的教学改革途径，从教学内容、教学方法和考核方式等多方面进行了有益的探讨，以期起到抛砖引玉的作用。