中日结构力学课程教育现状的比较分析

2024-04-12李亮张大英杨建江刘平

高教学刊 2024年9期

李亮张大英杨建江刘平

摘要：结构力学作为土木工程专业的核心基础课程，教学效果的保证至关重要。土木工程专业毕业生作为工程师在设计及建造桥梁、隧道及建筑等结构时，必须掌握力学及强度知识。但是，许多土木工程专业的学生对结构力学掌握程度不高，由于物理及三角函数等数学知识的基础不牢，无法求解桁架等复杂结构。对比中日结构力学教学现状，梳理力学课程教育的难点及问题点，针对土木工程专业的学生，有必要适当调整课程设置，提高学生在静力学、三角函数等知识点上的掌握程度，以保证结构力学课程的教学效果，达到该专业的教书育人目标。

关键词：结构力学；土木工程教育；中日对比；教学方法；教学效果

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）09-0014-04

Abstract： It is important to ensure the teaching effect of Structural Mechanics. Civil engineering graduates must master the knowledge of mechanics and strength. However， many students of civil engineering do not have a good grasp of Structural Mechanics. Because of the weak foundation of physics and trigonometric function and other mathematical knowledge， it is impossible to solve complex structures such as trusses. By comparing the current teaching situation of Structural Mechanics in China and Japan， the difficulties and problems in the course of mechanics education are sorted out. For students of civil engineering， it is necessary to adjust the curriculum appropriately to improve their mastery of statics， trigonometric functions and other knowledge. Ensure the teaching effect of Structural Mechanics course and achieve the purpose of teaching and educating people in this major.

Keywords： Structural Mechanics; civil engineering education; China and Japan; teaching method; teaching effect

基金项目：2022年河南省高层次人才国际化培养资助项目（无编号）；天津仁爱学院2023年教育教学改革研究重点项目“民办高校工程类专业国际化人才选拔与培养机制探索”（JGZ2302）

第一作者简介：李亮（1981-），男，汉族，河北张家口人，博士，副教授。研究方向为力学与振动研究及教学。

结构力学是以培养建筑及道路桥梁等工程建设技术者为主的土木工程专业必修专业基础课程，应该受到高度关注与重视[1]。该课程一般在大学二年级开始开设，包含结构力学1及结构力学2。在修习结构力学之前，学生需要修完理论力学、材料力学，为学习杆件体系的力学知识奠定必要基础。

物理力学是进行力学课程学习的前提，如果对于物理力学掌握程度不牢靠，力学课程的学习将会变得十分困难。随着大学扩招及招生形式的多样化发展，对力学学习必需的相关基础知识并没有完全理解的学生数量众多。尤其针对专升本学生而言，甚至存在完全没有接触过力学相关基础知识的情况。

在新工科专业建设背景下[2]，针对土木工程专业学生对于结构力学理解程度的现状和课题进行论述，结合日本高校结构力学的教学现状及解决方法，就土木工程专业结构力学课程的教育方法的改善提出观点。

一力学教育存在的问题

传统力学教育最大的问题在于课程吸引力的低下，课程趣味性建设不足[3]。通过面向学生的问卷调查显示，约三分之一的学生对于结构力学持有“厌学”态度。大部分學生反馈由于结构力学课程教学内容难以理解，失去了学习的兴趣。而在力学教育中，印象化概念的理解非常重要。对于看不到的“力”，通过对于现象状态的印象化想象是理解力学的重要手段。如果对力学课程失去兴趣，那么想象之门即会关闭，教育效果很难实现。为了达到能够集中注意力理解概念、观察现象，需要将印象化概念与现实状态进行对比。因此，有必要在力学教育中培养学生针对力学现象的印象化能力，提高力学教育的魅力及对学生的吸引力。而结构力学教材普遍存在内容繁杂、数字化计算偏多的问题，与工程实践结合不紧密，导致难以引导学生通过印象化达到融会贯通的目的。

日本近几年开发了很多教学性与趣味性相结合的教材，一部分教学内容也被国内高校所采用。如图1所示教材内容，日本开发了通过加入漫画内容及编制系列漫画故事的方法将结构力学知识点融入其中，或者通过大量图画及故事化案例达到解释力学现象的目的。图1（a）为日本某高校开发的图解结构力学。将力学知识在图画中很直观地表现出来。图1（b）为彰国社编制的漫画结构力学。将力学贯穿于主人公的工作及生活中，让力学离得近，摸得着。随着日本教育部在教育领域推行ICT技术，在教学过程中研发了很多电子设备及软件辅助力学知识的学习及吸收[4]。

在土木工程专业中，专业课程的学习需要较好理解“力”与“变形”的概念。由于“力”的不可视，需要结合实验或实习来巩固和深化对于力学知识的理解。而在实际教学过程中，由于课时压缩等问题，难以单独设置针对力学教育的实验。横内等在教学过程中研发桌上实验及配套辅助教材，调查表明，通过学生参与实验，可以提高学生对于“力”与“变形”的理解程度，同时极大挖掘学生的学习自主性，改善学生对力学课程的好感度。日本金沢工业大学通过实施完成力学作品课题来提高学生对结构力学的理解及重视程度。吴瑶[5]通过思维干预的方法，从心理学角度开展结构力学课程的教学方法优化，提升学生对该课程学习的积极性和主动性。郑玉国[6]通过在教学过程中融入中华民族的精神力量来提高结构力学的教学质量，从根本上改变结构力学的教学效果。汪大洋等[7]针对当代大学生自我控制力低，独立解决问题弱的特点，提出了“全流程跟踪教学法”，在实践教学中应用的结果表明该教学法成效显著，能够达到课堂教学互动性强、学生积极性高的目的。

力学的本质在于力作用在物体时产生的现象利用数学工具进行表述，也就是将物理问题转化为数理问题。因此，数学基础在力学教育中不可缺少。各大学具有各自独特特征，入学学生的基础能力千差万别，力学教育需要针对授课学生的特征进行安排。如果学生对于理科知识理解能力较弱，数学基础知识偏差，对结构力学的学习将越来越困难。将来土木工程专业学生将担负结构设计或建筑施工等结构安全性工作，该状况的持续可能会导致从事本专业的技术人员人手不足及专业技术水平低下的问题。在土木工程专业，改善结构力学的教学质量是关乎提高学生对于构造领域的理解、兴趣及关心的重要课题。本文基于当代大学生的特色及结构力学课程特点，对比分析国内与日本高校结构力学教学的现状与课题，并提出解决方法以供借鉴。

二结构力学的教学内容

结构力学的教育不仅仅为桥梁、隧道等大型结构的设计及施工做知识储备，脚手架及设备支架等一般结构也需要用到力学知识。结构力学的学习以保证结构能够安全、经济、迅速地完成工程建设为目的。结构力学具体教学内容的切入点体现在以简支梁桥为简化模型，如图2（a）所示简支梁求解案例，教学目标是能够求解两端支座反力及杆件内力。图2（b）为桁架结构体系。需要在能够完全掌握梁的内力计算的基础上才能够进行求解计算。因此，结构力学的教学内容环环相扣，如果有某一知识点不能够完全掌握，后续知识点的学习将会受到很大影响。

为完成图2所示的教学目标，需要进行力的合成计算。

水平方向力的合成为ΣFx=0；竖直方向力的合成为ΣFy=0；任意点力矩合成为ΣMi=0。

根据以上力的合成可以求得支座反力R1、R2、R3。然后，利用截面法可以求得图2（a）中由A端向右任意距离截面位置的轴力、弯矩、剪力。

在上述简支梁的求解过程中，如果没有学习物理力学概念，则对弯矩（力的大小×距离）缺乏概念性的理解。依据日本的调查结果显示，在大学二年级，约30%的学生并没有学习过物理的力学知识。而在中国，土木工程专业的学生在学习结构力学前，大部分学习过理论力学及材料力学，但是由于基础的力学课程掌握程度不高，或者专接本及部分转专业学生并没有学习基础力学知识，导致结构力学教学在导入阶段存在很大的难度。在授课过程中，大部分学生反馈接受难度较大，理解不到位，以致影响后续专业课程的学习。

结构力学课程中的桁架结构体系的求解需利用三角函数关系，对水平及竖向进行分解，如图2（b）所示。但是，如果对于三角函数理解不深刻，导致在结构力学教学过程中对桁架结构体系难以下手的学生普遍存在。

结构力学课程的教学内容繁杂，具有内容多、方法多、内在联系多的特点[8]。如果在静定结构部分对简支梁、多跨连续梁、拱桥、桁架及刚架结构体系的内力求解掌握不扎实，超静定部分的学习将寸步难行。在往年的教学过程中，许多学生在结束静定结构的学习以后已经主观放弃结构力学的学习，以期通过补考甚至重修来完成学业。究其原因，普遍认为大学时代应该掌握的物理力学及基础数学知识欠缺，导致最基本的简支、悬臂、伸臂体系理解不清，稍微复杂的结构体系更是无从下手。

三结构力学的教学质量分析

（一）实际教学案例分析

分析历年结构力学的教学安排及学生学习情况，剖析该课程教学的难点及改进方法。结构力学1的教学课时为64学时，一共进行32次理论教学。在教学过程中几乎每次课程完成后布置课后作业，通过课堂讲解、例题解析及课后习题的方式以期达到融会贯通的目的。考试成绩包括平时及期末卷面成绩部分，各占40%和60%。平时成绩主要考核学生课堂出勤率和平时作业完成程度，在评价作业正确率的过程中，主要侧重于学生对该课程所持有的学习态度考核。

由于该课程为土木工程专业的专业必修基础课程，每年选修的学生人数众多，给课程教学带来很大压力。图3为结构力学1的期末考试得分分布情况。2021年有101名学生选修该课程，依据期末考试结果显示，卷面成绩60分以下的不及格人数占總人数的78.22%，60～70分占13.86%，70～80分占4.95%，80分以上共3人，占总人数的2.97%。卷面成绩的平均分为45.54分，标准差达到18.67。造成卷面成绩普遍偏低，不及格人数较多的原因有教学方式偏传统、试题计算内容偏多等，但是，究其主要原因为基础知识掌握不牢靠导致的部分学生对该课程学习兴趣的丧失。而结合平时成绩进行综合评价，不及格人数降低至50%左右。而且，平时成绩考核中缺勤次数较多或平时作业完成不认真的学生，90%以上综合成绩评价结果为不及格。因此，可以判定学生对该课程的学习态度及认知程度对教学质量影响较大，该问题在其他研究成果中也被提及[9]。

由于该课程是土木工程专业必修课程，关系到学生毕业问题，在往年重修及大四学生的教学指导过程中发现，该类学生对待课程相对认真，并且基本能够通过短时间集中复习通过考试测试。另外，在专升本班级进行结构力学1的教学中发现，虽然专升本学生相对基础力学较弱，而且前期选修科目种类不一，但是在授课过程中学生的学习态度良好，满勤率较高，在同年的期末测试中及格率达到90%以上。因此，学生对于自我学业规划和学习态度对该课程的教学效果影响较大。由于专升本学生在进入大学教育以后，大多数学生为自己树立更远大目标，所以学习自主性较好。

（二）日本某高校结构力学1教学效果对比

结构力学课程的教学质量问题一直是日本工学教育的难题。在日本广岛工业大学2014年针对本专业87名选修生的学习调查中显示，40%的学生期末测试成绩不及格，图4为期末考试得分分布。对比图3和图4可以得出，结构力学教学效果整体不理想，不及格学生占比过高。另外，期末成绩得分大致呈山型分布，40～60分之间的学生相对较多，可以推测在课程结束时，对课程理解程度处于似懂非懂的学生较多，需要再下一定功夫以达到对课程基本理解的程度。而完全不理解与掌握程度极好的学生占比普遍较低。

对比国内与日本的结构力学1课程的教学效果可以推测，导致上述得分分布情况的原因有学生在大学入学前及入学后的努力程度差异等，针对学生入学时多样性特征及入学后的不同努力程度及职业规划，在采用同样的授课方式时需要考虑如何保证教学效果并采用合理的教学方法。并且，与教学内容相比，在授课过程中更应该重视如何提高学生的积极性及树立学生对于结构力学课程的学习信心。

四教学课题及改善方法

根据结构力学课程的教学方法及教学效果的研究结果发现，数学和物理等基础科目与土木工程专业课程的连续及衔接存在很大难点。大学教育需要考虑入学时基础知识偏弱学生对于专业知识的吸收能力，培养对社会有用的专业人才。

综上所述，结构力学教学存在很多需要改善的地方，在教学过程中需要教师与学生共同努力。通过调研及对比分析，可以通过以下方法提高结构力学的教学质量。

第一，明确教学及育人目标，向学生传递结构力学对于专业甚至社会发展的重要性，改善学生的厌学心理。

第二，充分理解学生在高中接受不同教育的差异，认识学生在物理、数学等基础知识中的差别，在授课中关注基本知识点的讲解，提高专业基础能力。

第三，以学生为中心[11]，解放学生的双手，让学生努力通过自我认知解决课题。另外，可将同样的课题作为作业，提高学生的成就感。

第四，提高学生的紧张度与责任感，改变学生对于教师负责讲授的观点，让学生作为主体参与教学活动。

为改善结构力学教学方法，提高教学质量，教师需要时刻保持诚意及热心，同时也要向学生传递专业态度，必然能达到教书育人的目的。

参考文献：

[1] 张军锋，黄亮，郭院成.培养创新能力的结构力学课程教学改革探索[J].教育教学论坛，2021（5）：77-80.

[2] 林健.新工科人才培养质量通用标准研制[J].高等工程教育研究，2020（3）：5-16.

[3] 李勇，李林.結构力学课程趣味性挖掘与教学融入途径探索[J].教育教学论坛，2022（32）：157-160.