以学生为主体的结构力学课程混合式教学探索.pdf

442023 年/第 18 期/6 月以学生为主体的结构力学课程混合式教学探索丁南生，高学军，罗艳（成都理工大学环境与土木工程学院四川成都610059）摘要如何有效开展以学生为主体的结构力学课程混合式教学，增强教学效果，是教师面对的挑战和机遇。文章依据结构力学课程特点，利用“互联网+”线上教学与线下课堂相融合的优势，引入实际工程结构案例，将课程思政融入教学，激发学生主体效能；充分发挥学生主体作用，促进主动学习结构力学和自主探究工程结构力学问题，创造高效教学；开展以学生为主体的混合式教学，为结构力学和相关课程的教学提供参考，以期共同推动教学改革与创新。关键词学生为主体；混合式教学；结构力学；教学探索中图分类号：G642文献标识码：ADOI:10.16400/ki.kjdk.2023.18.014Exploration on the Mixed Teaching of Structural Mechanics Course withStudents as the Main BodyDING Nansheng,GAO Xuejun,LUO Yan(College of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059)AbstractHow to effectively carry out students as the main body of mixed online and offline teaching and enhance theteaching effect of Structural Mechanics is a challenge and opportunity for teachers.According to the characteristics ofStructural Mechanics,this paper uses the advantages of the integration of Internet+online classroom and offlineteaching,introduces practical engineering structure cases,and integrates curriculum ideology and politics into teachingto stimulate students subject efficacy.The main role of students is given full play to promote the active learning ofstructural mechanics and independent exploration of engineering structural mechanics,in order to create efficientteaching.Students as the main body of mixed online and offline teaching is carried out to provide reference for theteaching of structural mechanics and related courses.It is expected to jointly promote teaching reform and innovation.Keywordsstudents as the main body;mixed teaching;structural mechanics;teaching exploration结构力学课程概念多、理论性强、内容比较抽象，学生学习难度大1。如何创造结构力学课程高效教学，是教师面对的挑战和机遇。传统的线下课堂往往以教师为中心，大多教师针对课程重点与难点进行剖析，为学生答疑解惑，但学生在有限的线下课堂时间里很难深入思考，常常将学习中的困难直接传给教师，难以发挥学生的主体作用2。线上教学采用“互联网+”课堂，通过教学的网络化和智慧化，打破时间、空间的限制，让学生随时随地都能学习和思考。但是线上教学过程中教师与学生缺少面对面的交流；同时学生是机械、被动地学习，很难有效激发学生主动学习3。在“互联网+”和信息化时代下，急迫要求教师转变教学理念、改革教学方式和丰富教学资源，更需要激发学生的主体效能。结构力学课程紧贴实际工程，课程内容涉及的杆件结构体系包括梁、刚架、拱、桁架和组合结构等，都是实际工程中大量采用的结构形式4。充分依据结构力学这个课程特点，引入大量实际工程结构信息，开展以学生为主体的线上线下混合式教学探索，增强学生分析问题与解决问题的综合应用能力和创新思维，使学生有满满的“获得感”，创造结构力学课程高效教学。1 混合式教学以学生为主体，创造高效教学结构力学课程教学如何突出学生为主体，提升教学效果？在“互联网+”和信息化时代下，势必利用“互联网+”线上教学与线下课堂相融合的优势，引入工程结构案例，以问题为导向、教师为主导，引导学生主动学习、启发学生自主探究工程结构力学问题，发挥学生的主体效能，创造高效教学。1.1 课程思政融入教学，激发学生主体效能教育的本质是育人，育人的主体是学生。教师认真贯452023 年/第 18 期/6 月彻“三全育人”理念，坚持“把立德树人作为教育的根本任务”，构筑家国情怀、职业道德与社会责任感5。借助线上“互联网+”的丰富资源和线下面对面的教导，结合实际工程案例，挖掘德育素材，将课程思政融入教学。例如，在讲授“拱”章节时，引入隋朝大业年间匠师李春监造的赵州桥，该桥距今已有 1300 多年，依然坚固，发挥着作用，1991 年被列为世界文化遗产；再到现代上海的卢浦大桥、中国南平三桥、将工程美学与桥梁美学完美结合的重庆朝天门大桥等。学生惊叹拱桥历史之悠久，建造之俊美，同时增添了学习的热情；感叹建造者之伟大，感知从古代的工匠到现代的“大国工匠”，无不心怀责任和担当，留下一个个为人称道的“精品”。学生能够从一个个实实在在的工程实例中感受到鲜活的思政元素，自我感悟其中的人文精神、思想理念、道德观念，激发学生主体效能，增强学习结构力学的“原动力”。1.2 主动学习，发挥学生主体作用学习金字塔理论6（如图 1 所示）表明：学习者采用不同的学习方法，获得的学习效果不同，对知识的留存率差异较大。被动学习的学习方式知识留存率较低，只有 5%30%；而以讨论、实践、教授给他人的主动学习方式知识留存率较高，从50%90%不等，其中教授他人这种学习方式的知识留存率最高，达到 90%。结构力学混合式教学中充分利用学习金字塔理论，发挥学生主体作用，凭借讨论、教授给他人、相互学习的方式，促进学生主动学习，实现以“教”为中心向以“学”为中心的实质转变7，创造高效教学。学习内容平均留存率5%10%20%30%50%75%90%听阅读试 听演 示讨 论实 践教授给他人讲被动学习主动学习图 1学习金字塔结构力学课程开始之初，学生成立学习小组，开展组内相互讨论、相互教授、相互学习；应用所学知识内容解决工程结构力学问题，提出解决问题的方案，线下课堂上开展学习成果分享，并引导学生相互探讨、相互借鉴；教师剖析重点与难点，答疑解惑。这些正体现了学习金字塔中提及的主动学习，凭借讨论、教授给他人、相互学习的方式有效固化学习内容，知识留存率较高，学习效果好，进一步增强学生的学习动力和教学效果。同时通过小组协作，既创设了合作交流的空间，又能够让学生发表自己的独立见解，充分发挥学生的主体作用。1.3 自主探究结构力学问题，构建学生主体地位结构力学是解决工程结构问题的工具，学好、用好这个工具，才能解决工程结构问题，增强结构力学分析与综合应用能力，教学过程中仅仅通过几个公式和例题讲解，学生很难透彻理解和掌握，而且学生不主动思考，被动地学习，更是难以把握整个知识体系，无法掌握解决问题的方法。这就需要以“授人以鱼，不如授人以渔”的教学理念，教师引导学生发现工程结构中的力学问题，启发学生“提出问题分析问题解决问题”，自主探究问题的本质，探讨解决问题的方法，在自主探索中构建学生主体地位，让学生成为课堂学习的“主宰者”，成为问题的“终结者”，真正成为学习的“主人”。因此，线上教学中，教师可提供教学资料，引入工程结构案例，引导学生提出一些探讨性问题和启发学生探索工程结构力学问题的解决方案。线下课堂中，针对一个个问题，结合工程结构案例，教师与学生一起分析、探讨解决的方法和措施。教师在整个教学过程中，以学生为主体，充分发挥学生的主观能动性，带动学生主动思考、自主探究和课堂大讨论，促进学生与学生之间、教师与学生之间的交流，碰撞出智慧的“火花”。2 以学生为主体的结构力学课程混合式教学2018 年2022 年成都理工大学结构力学课程教学团队一直在开展以学生为主体的线上线下混合式教学。教学过程分为导学阶段、实施阶段和评价阶段。导学阶段利用线上教学平台发布教学信息，明晰教学任务和教学内容、引入工程结构案例、启发学生提出一些思考问题，学生带着问题有目的性地查找资料和准备学习新的知识；实施阶段是教学的核心，充分激发学生主体效能，积极引导学生创造性思考，以学生“吃透”与综合应用知识和主动学习与自主探究为教学精髓；评价阶段收集学生反馈的教学情况，进一步优化教学方案，提高教学效果。具体教学流程图如图 2 所示（p46）。在此，以结构力学中“单跨静定梁的内力计算”为教学案例，开展以学生为主体的线上线下混合式教学探索，共同促进教学改革与创新。2.1 导学阶段课程开始之前，要求学生成立学习小组，开展小组内学科探索462023 年/第 18 期/6 月相互讨论、相互教授，并通过互联网平台向教师反馈自主学习的情况，引导学生做好课前导学和准备工作。“单跨静定梁的内力计算”重点内容是应用微分关系与叠加原理做内力图。教学任务着重在隔离体的正确选取、受力分析和应用微分关系与叠加原理绘制内力图，特别是内力、外力之间的微分关系，是本节内容的难点。围绕教学任务，授课之前以互联网平台发布学习公告，引入工程案例中的单跨静定梁，引导学生检索资料，领悟单跨静定梁结构的特点，自主探索单跨静定梁的结构力学问题，并在小组内相互讨论，如工程案例中哪些梁是单跨静定梁，如何简化为力学模型；如何分析单跨静定梁的内力和外力，内力、外力之间的微分关系如何建立；采用哪些已学过的知识解决这些问题，问题解决的目的是什么等。2.2 实施阶段采用线上和线下混合式教学方法实施结构力学课程教学。线上教学部分，教师将单跨静定梁内力计算的授课课件、课程视频、单跨静定梁结构影像资料、课堂习题等上传到线上教学平台。学生以小组为单位开展主动学习；组长组织小组内成员相互讨论、分享个人的学习成果、相互教授、相互学习、互帮互学；应用所学知识解决工程结构力学问题，提出解决问题的方案，并汇总小组的学习成果。教师通过学生在线上教学平台完成的习题、小组讨论和学习反馈等信息，及时了解学生学习动态，从而及时跟进。线下课堂教师随机选定小组开展学习成果分享，引导小组之间相互交流和学生之间相互探讨；并针对重点与难点进行剖析，补充学生的薄弱环节，并归纳、升华工程结构的力学问题，启发学生探究问题的本质，共同探讨解决工程结构力学实际问题的方法。例如，选取一个具有代表性的单跨静定梁，梁上有集中力、分布力和力偶，经过受力分析和剖析外力与内力的微分关系，完成梁的弯矩图8。至此，解决了弯矩内力问题。但仅仅分析至此显然是不够的，教师需要进一步引导学生提出问题、相互讨论，启发学生自主探究。如，弯矩图反映了哪些信息，结构分析中如何发挥弯矩图的作用；如果是钢筋混凝土结构梁，通过弯矩图能够解决工程结构中的哪些问题等。通过问题探究，学生逐步认识到，弯矩图可以有效判定荷载作用下梁的受拉和受压区域；对于钢筋混凝土梁，需要在受拉区、受压区域配置一定的钢筋，形成钢筋混凝土结构，因此弯矩图反映的信息可以成为结构设计中配置钢筋的合理依据。学生感受到结构力学是结构分析与设计不可或缺的工具，能够解决工程中实实在在的问题，学以致用，学有所用；同时意识到如果结构力学分析工程结构出现失误，有可能带来无法弥补的后果，给人民群众生命财产造成严重损失，学好结构力学就是责任和担当。线上平台发布学习公告：教学大纲、任务、内容学生主动学习、小组内探讨、相互学习引入实际工程案例导学阶段实施阶段拓展阶段学生查找资料线上教学：课程视频、课件、影像资料剖析重点与难点、归纳与升华学生举一反三、分析和解决问题学生反馈教学教师教学反思分析问题,解决问题教师答疑学以致用调整、优化教学方案提出初步方案提出问题、小组内讨论线下教学：分享学习成果小组之间相互交流、自主探究图 2线上线下混合式教学流程图472023 年/第 18 期/6 月至于钢筋混凝土结构梁如何配置钢筋，配置多少钢筋，将是后续的“钢筋混凝土结构设计原理”要学习的重点内容，也为学习相关专业知识点燃了“火种”。2.3 评价阶段实施教学后，学生及时拓展思维和反馈教学效果。学生根据本章节所学的微分关系和叠加原理等知识内容，分析、解决单跨静定梁结构的力学问题，达到举一反三、活学活用；进一步思索所学的单跨静定梁与多跨静定梁、静定刚架之间存在哪些联系，为后续学习做准备。同时，学生积极反馈线上和线下教学情况，提出意见和建议。为了及时掌握学生学习情况，教师在教学完成后进行问卷调查：你对本节讲授的教学内容是否感兴趣？选项设置为“感兴趣、一般和没兴趣”；你认为小组合作与课堂互动是否有必要参与？选项设置为“有必要、没有必要和随便”；你能否将本节所学内容应用于分析实际工程结构力学问题？选项设置为“可以、一般和不能”。通过学生问卷调查反馈，针对第一个问题，有 93.2%的同学表示采用线上线下混合式教授的本节教学内容感兴趣；针对第二个问题，91.4%的同学认为小组合作与课堂互动是“有必要”的；针对第三个问题，有 87.9%的同学选择“可以”，仅有 12.1%的同学选择了“一般”选项。教师积极收集学生反馈的教学意见和建议，分析学情和教学成效，进行总结与反思，调整和优化后续的教学方案，提升课程教学效果，进一步促进教学改革和创新。课程教学完成后，为了及时掌握学生学习效果，达到以考促学，以考促教的目的，结构力学课程教学组对学生进行了期末闭卷考试。以 2020 级土木工程专业教学班级58 位同学为例，卷面考核成绩分布为：90 分以上 7 人，8089 分 25 人，7079 分 19 人，6069 分 5 人，不及格 2 人，基本符合正态分布。从考核内容来看，概念理解类得分达到 92.6%，基础应用类为 86.1%，综合分析类为 80.5%。依据近几年学生的结构力学课程综合考核成绩反馈，学生对力学概念的理解、力学基础知识的掌握和力学知识的综合应用等都有大幅度提升，教学取得非常好的效果。3 结语以学生为主体的结构力学课程线上线下混合式教学，将“互联网+”线上教学和线下课堂相结合，引入实际工程结构案例，将课程思政元素融入教学，激发学生主体效能；注重学生为主体，教师为主导，引导和启发学生主动学习和自主探究，开展课堂大讨论，形成了学生与学生之间、教师与学生之间良好的互动，增强了学生综合应用结构力学知识解决工程结构问题的能力和创新思维。教学过程中，学生反馈教学效果非常好，学习效率高，概念理解清晰，在探究结构力学问题的过程中获得了解决问题的方法，感受到学以致用，学有所用，有满满的获得感。同时，以学生为主体的线上线下混合式教学探索将进一步促进结构力学核心课程和混合式“金课”的建设。基金项目：成都理工大学骨干教师项目（2019JX05）、成都理工大学人才培养质量和教学改革项目（JG2130140）。参考文献1田振国,宋晓燕,张天杰.线上线下结合的教学模式探索J.华北水利水电大学学报(社会科学版),2019,35(3):39-423王留芳,曲凌.混合式工程实践的教学重构J.中国大学教学,2019(5):24-28.4王达诠,陈朝晖.面向工程教育认证的结构力学课程混合式教学设计J.高等建筑教育,2020,29(1):110-1185成尚荣.立德树人与教师发展的新境界J.西北师大学报(社会科学版),2020,57(6):110-116.6Jiang Yanling&Xu Tong.Learning Pyramid Theory in the Applica-tion and Practice of Flipped Classroom J.China Educational Tech-nology,2014(7):133-138.7吴艾辉,朱仲良,黄道凤.从“教师教”到“学生学”J.力学与实践,2019,41(5):597-600.8李廉琨.结构力学M.北京:高等教育出版社,2017.学科探索