新工科背景下结构力学实验课程改革初探

邓宏宇 1张中昊 1李长青 2

1. 东北农业大学水利与土木工程学院 ；

2. 2. 黑龙江中科新材料股份有限公司 黑龙江 哈尔滨 150000

摘要：《结构力学》课程是土木工程专业的一门重要的专业基础课，在整个土木工程课程体系中处于承上启下的核心地位，担负着传授学生结构概念、培养学生专业分析计算能力和创新意识的责任。但是，传统《结构力学》课程是没有实验内容的，这严重影响了学生对理论内容的理解和掌握。目前关于结构力学的实验课程建设的研究较少，只有少数高校在尝试结构力学实验课程的开设，应相应开展实验课程教学，加强学生对理论内容的理解和掌握。该文就《结构力学》实验课程建设的问题进行了初步探讨，为相关实验课程研究提供参考。

关键词：新工科；结构力学；实验教学

随着社会的进步，时代的发展，我国的工业科技也在不断的更新进步，与此同时，工程教育的地位也越来越重要。培养工程技术人才是目前我国在建设创新型国家的过程中的一种重要途径，培养专业的工程科技人才，能够有效的促进国家科技与经济的进步与发展，同时也是实现发展目标的重要手段。由于目前，国家社会经济发展的过程中，需要大量的工程科技人才，因此，通过对相关数据进行研究分析，发现目前，工科的在校生以及招生人数和毕业生人数都占有比较大的比例。目前的科技革命以及产业变革促进了中国经济的快速发展，与此同时，在为中国的工程教育创造机会的同时，也需要变革传统的教育以及人才培养的思想，通过教育不断的提高培养人才的竞争力，这就要求我国要重视工程教育，为国家以及社会的进步和发展培养专业的高质量的工程科技人才。这是世界以及中国高等工程教育水平发展的趋势，因此，世界各国都在积极探索培养高质量工程人才的发展途径，在这样的国际环境下，目前为止，我国很多高等工程教育积累了一定的经验与理论基础,工科专业的要求是学生不仅具有专业的理论知识，更需要具有较高的实践与创新能力。

在高等院校土木工程以及相关专业中，结构力学这门课程是一种非常重要的专业基础课，这门课在土木工程以及相关专业的整个课程体系中，占据着非常重要的核心地位。这门课不仅能够连接基础理论课与专业课，同时也是一些专业课的基础，因此，这门课不仅发挥着承上启下的重要作用，同时也是学生们面向工程实践不可缺少的重要理论指导。结构力学这门课程的理论概念性比较强，对于学生学习的难度也比较高，但是这门学科至关重要，学生学习的效果直接能够影响到他们能否扎实的掌握专业知识。随着社会的进步，时代的发展，传统的教学思想、教学方法、教学手段已经不能够满足时代发展的需要，目前，教育部也提倡在教学改革的过程中，更加关注学生能力以及素养的培养，目前很多高校都积极响应国家的号召，并且在探索与改革的过程中也取得了很多值得学习的成果，逐渐的有了适合自己学校发展的专业的教学理念和教学特色。电脑以及多媒体等教学媒体的使用也增加了结构力学教学过程的活力，并且也取得了更加优异的教学效果。但是目前还有很多高校没有开展关于实验教学改革的内容，在教学的过程中，主要是以理论讲授为主，但是由于结构力学这门课程的特殊性，这就要求通过实验教学环节来不断加强学生对于理论与实践之间的联系。通过这样的方式，也能够不断提高学生在理论抽象的概念与理论的同时，不断提高学生解决问题、分析问题的能力。在提高学生综合素质的同时，也能够提高学生独立工作的能力。面对目前就业难的问题，很多用人单位更需要的是理论过硬，但是实践能力和动手能力更强的人才，这就要求我们在教学的过程中，要有针对性的培养出适应社会发展需要的人才。

结构力学实验教学应是结构力学课程中重要的一个环节，然而却没有得到重视。在当前的形势下开设实验教学课已经成为当务之急。因此，为了能够实现现阶段人才培养的目标，这就要求我们去探索符合时代发展的教学模式。因此，本文将探索在新工科背景下探究结构力学试验课程改革，对传统的教育教学方式的改革提出一些建议。

一、高校开设结构力学实验课面临的问题

（一）对实验教学的重要性认识不足

结构力学课程内容比较丰富，同时这门课程所涵盖的知识点也比较抽象，它不仅包括静定结构受力及位移分析和超静定结构受力及位移分析两部分内容，授课的过程中包括了理论力学以及材料力学的知识点，整个课程的授课体系比较复杂，因此，在教学的过程中要更加关注了知识体系的完整性而忽略了再培养人才过程中的实践性，从而并没有把力学在工程实际中的作用发挥出来。目前高校的材料力学实验课已经具有统一的实验内容，并且在开展的过程中也形成了比较完善的教学体系和内容，但是目前仅有少数高校开设结构力学实验课，其中最大障碍是目前结构力学还没有统一的实验内容，内容的不统一对于课程的推广是不利的。

2. 教学方法单一

良好的物理和数学知识是学习结构力学的知识基础，但是从目前学生学习的情况来看，目前大多数的物理和数学知识基础比较薄弱，因此，很多学生在学习的过程中，对于知识点的理论困难比较大，造成很多学生的学习兴趣比较薄弱。教师在授课的过程中，主要是通过推导公式等进行理论教学，关注的是理论知识的讲解以及训练习题，学生掌握的都是理论的知识，但是由于脱离了实验课程，因此学生在掌握知识的过程中，不能够较好的将理论联系实际，学生理解知识比较困难，学习的主动性与积极性严重受到影响，在考核方式上，传统的考核方式是闭卷考试，更多考察的是公式的推导等，如果学生在课堂上认真听讲，做好练习题，在期末考试中是可以取得好成绩的，但是学生的学习不应该仅仅关注的就是考试合格，这也与专业培养人才的方向相背离。实验教学则可以通过学生自己动手操作得到既定的实验现象甚至是自己设计实验以解决自己不懂的问题。通过动手实验过程不但可以使学生牢固地掌握知识而且能够加深对知识点的理解。

2. 缺乏成型的实验设备和必要的经费支持

结构力学实验课不能够广泛开展的主要原因就是缺少成型的实验设备，缺少足够的资金支持，目前还没有统一的实验内容，因此，造成没有生产和研制出专业的结构力学实验设备，但是与之不同的是，材料力学实验的设备却十分普及，因此，很多结构力学实验课需要自己研制实验设置，这又需要足够的资金支持，这就造成了很多高校目前没有专业的实验设备，因此，严重影响了结构力学实验课的开展。

二、课程改革实施方案

（一）课程内容改革方案

结构力学作为一门基础课，课堂教学内容与现实的实践内容之间存在着比较大的差别，结构力学课程结构包括四大部分，整体来看学科的理论性强，内容比较复杂，因此学生在学习的过程中，难度比较大，因此，在课程的内容上，要尽可能将结构工程领域中最新的研究成果引进到教学中来，缩减材料力学中的知识点，将过于复杂的公式推导适当调整，减轻学生的理解困难的问题，在教学的内容上增加实践课与实验内容，通过这样的方式来提高学生分析问题、解决问题以及理论联系实际的能力。要使学生建立立体化的“结构”及“力学”的概念，关键在实际结构的“力学”抽象化和抽象的“结构力学”简图的实际化。因此，可以通过制作结构力学教学模型等方式，辅助理论教学，通过教师的演示让学生能够将课程内容与实际联系起来，教师可以收集在自身研究过程中遇到的各种问题以及自己的思考，将其进行归纳，进而在教学过程中，作为案例进行分析，除此之外，随着计算机以及多媒体设备的使用，在教学过程中，教师组织编写小型的结构分析通用程序并设计程序接口，学生用计算机语言编写部分计算程序，这能够为学生今后进行大型结构分析打下基础。

2. 教学方法改革方案

教学方法，包括教师教的方法，也包括学生学的方法，是在教学活动中所采取的行为方式的总称，主要是讲教学的内容、教学的价值观念等通过这些行为方式进行，对于工程力学这门课程教学方法的改革主要如下。

1.案例教学法

为了激发学生的学习兴趣，提高他们理论联系实际的能力，在课堂教学中，可以借助一些简单的工程案例进行教学，例如在讲解结构的计算简图时，可以直接以教室中梁板柱结构进行举例分析；在讲解平面体系的几何机动性分析时，可以与数学中三角形具有绝对稳定性进行衔接，加深学生对几何机动性分析中三大原则的理解程度；在讲解拱内力计算时，可以先让学生思考为何大部分的桥都建成拱形，为什么在陡峭的山崖中修建拱坝更具稳定性，并带着疑问进行后续知识点讲解，提高学生课堂积极度。

2. 对比教学。

通过对比教学的方法，可以在学习知识的过程中，不断激发学生的思考，加深学生对于知识点的深刻理解，通过对比的方式能够理解结构力学与其他力学课程的不同之处，尤其是结构力学中弯矩图的画法，要讲清产生差别的原因。

2. 实验教学与实践教学

为了能够提高学生理论联系实际的能力，加强学生对知识点的理解，可以在教学的过程中适当的增加试验课程，辅助理论知识点的学习，验证理论知识点的正确性。比如在平面体系的几何机动性分析时，可以让学生自己构建几何不变体系然后进行变形试验，观察所建体系的几何稳定性；在静定结构和超静定结构的内力计算部分，安排学生使用测力仪对梁、拱等结构的杆件内力进行测试，并与理论计算进行比较，对比数据的差异性并找出产生差异的原因。以往的课程中更多关注的是学生的计算能力以及公式推导的能力，但在现在科技发展的时代，软件已经代替了手算且我校为应用型人才培养院校，学习过多理论计算也与培养方案相悖。结构力学中主要使用的计算分析软件有BIM、Ansys、结构力学求解器、Midas、Abaqus等，在教学过程中将软件教学加入授课大纲要求，以最简单的结构力学求解器为例，可以安排6—10个学时对这个软件的使用以及内力计算和位移分析方法进行讲解。并根据授课内容区别，阶段性的安排上机训练，培养学生软件操作能力。

2. 多媒体教学法

随着网络时代以及多媒体时代的到来，在教学的过程中，为了达到直观具体、快速有趣的目的，可以将现代的过媒体教学与传统的讲授方式相结合，利用校园网将相关的精品课程以及授课录像等通过结构力学精品课程网站开设的方式，为学生提供更多的学习资源，通过现代化的教学手段进行师生线上互动等，完善教学管理，将结构力学变成一个开放的课堂。

5.直观教学法

用“直观、理性、实践”三步走的方式进行结构实验的教学工作。“直观”即在没有开设结构实验课之前，有意安排专业学生进实验室帮助教师进行实验，进行感性直观的学习；“理性”即进行结构实验的课堂教学，这是教学计划中规定的必备环节，让学生在感性直观的基础上进行理性学习；“实践”即要求学生按照所学知识进行实验设计，并完成实验，写出实验报告。

（三）合理利用结构创新大赛的装置开展结构力学拓展实验

结构创新大赛可以积攒下不少赛题、配套装置及耗材。配套装置体型不小、设计灵活，有较大的发挥空间，若仅是当届学生校内选拔或练习使用后就闲置，实属浪费。随着专业基础课程学时的减少，结构力学上机课已取消，学生对该课程的普遍反映是印象不深。大部分同学在进入钢结构、结构抗震、桥梁设计等课程学习时，需要回顾结构力学。课堂上可以利用这些竞赛装置和模型，展现荷载的合理分配、结构的优化设计等，寓教于乐，一举多得。

三、结语

作为重要的课程内容之一，结构力学的教学过程中，结构力学实验占据着十分重要的地位，因此，在提高结构力学课程的教学质量的同时也要满足社会对于人才的需求，教师在教授学生专业的理论知识的同时，也要关注学生的实践动手能力，满足社会的需要，随着时代的发展，要打破传统的教学模式与课程设置，通过实验教学来培养学生的实践能力和创新能力，但是目前，结构力学实验教学还需要得到足够的重视，在发展的过程中还面临着很多困难与挑战，这就需要树立正确的教学观念，在重视理论教学的同时，不断提高实验教学的重视程度，只有这样发挥出实验教学的价值，才能够真正的为社会培养出实用性的人才，尽管结构力学实验教学以及课程改革是一项长期而又艰巨的工作，但是，我们将继续积极探索勇于创新进一步完善和发展结构力学实验教学环节。

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课题名称：新工科背景下农业院校结构力学课程内容改革与探索