1. 引言
《结构力学》课程是土木工程专业的一门基础性学科。《结构力学》课程是以高等数学、静力学、材料力学等学科为铺垫，继续从事对杆件组合体系的研究。学生学习《结构力学》课程主要目的是了解杆件组合体系的结构力学规律；掌握杆件组合体系在静定和超静定下的内力和位移的计算；使学生能够系统性地掌握《结构力学》知识，可以熟练分析、计算杆件组合结构的各项力学指标，同时培养学生的求真务实科学风范，为学习后续的相关专业课程、土木工程实践和研究工作打好理论基础。由于虚拟仿真实验还兼具具象化，可将实际工程中复杂的杆件组合结构灵活地呈现在眼前。使抽象的《结构力学》理论变为了具象化的3D模型，成为辅助教学的工具走进了课堂。这种新型的教学模式注重培养学生良好的创新思维和积极探索、求真务实的学习态度[1]-[4]。
2. 我校建筑工程学院本课程的建设发展历程
建筑工程学院于1986年在我校建设，是学校办学历史较早的学院。自学院建设之初，根据教育部有关道路桥梁与渡河工程专业课程设置的要求，将《结构力学》定位为土木工程专业的铺垫课来开设。由于该课程理论性较强，自开设课程以来多为课堂教学，自2019年起注重与专业的融合，特别是将工程案例引入课堂，取得了良好的授课效果，课程自2021年开始引入雨课堂平台授课，进行翻转课堂教学的尝试，主要是每次课采用在雨课堂答题的方式进行。
3. 课程教学特点和难点
《结构力学》课程作为土木工程专业重要的基础性课程，整个教学的质量对学生后续其他专业课的学习和灵活运用有着举足轻重的作用。结构模型实验是课程中展现知识点应用的关键[5]。目前国内《结构力学》教学工作主要是通过线下课堂教学的方式来方便学生对课程主要的概念、原理和方法的学习。传统的教学模式侧重点在于《结构力学》知识的基础性，而忽视了后续实践的专业灵活运用。同时传统的教学方式也让学生缺乏感性上的认知。但是实际灵活运用土木工程专业知识时是需要的学生对《结构力学》概念清楚、工程思维清晰、创新意识敏锐的工程类专业人才。综上所述，怎么样做好《结构力学》的教学工作是教师们的难题。
4. 《结构力学》教学改革目标
4.1. 理论知识可视化
传统教学理念中，《结构力学》课程主要是研究组合构建体系的规律，结构在外力，温度效应，施工误差及支座变形等作用下的变化，包括轴力、剪力、弯矩、扭矩、线位移、角位移计算。其中的各构件组合理论性较强，用图形公式推导较抽象，学生在学习过程中难以熟练运用。虚拟仿真实验是国家建设一流本科课程教学改革的主要改革方向，同时也可以运用虚拟仿真软件对各构件组合进行建模分析和绘制结构的受力、荷载变形图。借助虚拟仿真软件可以将结构变形图像用直观、具象的方式展现在学生面前，让学生对《结构力学》的基本概念、公式推导有直观的感受，提高学生对课程掌握的效率[6]。
4.2. 力学实验的可视化
所有土木工程类专业课包括《结构力学》最终都是需要运用到工程实际中，而通过虚拟仿真实验可以和高校传统结构力学的理论教学相结合，进行《结构力学》课程灵活有效的教学模式和线下课程的实践。在线下课堂教学时，教师可以利用教室的电脑来给学生们演示虚拟仿真实验操作，使《结构力学》的基本概念、结构分析、推导重要力学公式的学习得到升华，让学生们在第一时间对构件组合体系有一个直观的认识，激发学生对《结构力学》课程的学习兴趣，培养学生灵活运用《结构力学》基本知识点去解决实际工程问题的思维和意识。在教师带领下让学生熟练应用《结构力学》基本知识点和虚拟仿真实验(Abaqus和Flash等软件[2])的结合自主去进行更深层次的专业课题研究，充分发挥虚拟仿真实验软件的建模和动画从而提高学生的自主学习能力和创新能力。
5. 《结构力学》课程改革措施
5.1. 课程资源建设
(1) 课程题库：囊括了所有章节的主要知识点的相关习题。《结构力学》课程包括了解杆件组合体系的结构力学规律；掌握杆件组合体系在静定和超静定下的内力和位移的计算；
(2) 真实工程案例和视频：由教师在课前准备好与《结构力学》课程相关的真实工程案例和视频，例如港珠澳大桥、临空大桥等内容(课程相关内容包括研究桥梁结构设计的理论和方法，以提高其承载能力、抗震能力和耐久性。关注桥梁的结构形式、材料选择、构造细节等。研究桥梁在地震行为下的响应和破坏机理，以及提高抗震性能的方法。关注地震荷载的确定、抗震设计准则的制定等)。
(3) 课程思政案例集：与本课程高度相关的课程思政案例库，包括大国工匠和正、反面教育案例等内容。
(4) 授课平台：长江雨课堂。课程在2021年度开始采用雨课堂平台授课，并在课堂答题，2022年在课堂中全部采用，通过讲解与答题的方式相结合，有效解决了“满堂灌”的教学模式的弊端，教学改革能惠及到每一个学生；通过将课堂答题与学生平时成绩挂钩，真正做到了教学过程与教学结果相结合的考核方法，考核公正客观。
(5) MOOC资源：东南大学《结构力学》、重庆大学《结构力学》等。针对低阶的教学目标内容及对高阶内容的简单了解，采用MOOC视频、案例材料以及预习测试题。同时采用O-PIRTAS (Objective, Preparation, Instructional Video, Review, Test, Activity, Summary)翻转课堂教学法。
(6) 虚拟仿真实验(Abaqus和Flash等软件)让学生先通过虚拟仿真实验的建模来初步了解相关章节知识点、再进行虚拟仿真实验模型制作和优化模型进行《结构力学》课程教学。
5.2. 《结构力学》理论知识的应用
将《结构力学》教材中的基本知识点、公式推导和工程现例结合，让学生可以快速地理解抽象结构的公式推导和概念。同时在教学上，采用《结构力学》相关章节知识点课前准备、工程现例配套以及虚拟仿真实验的教学方式。课堂教学先让学生通过虚拟仿真实验建模初步了解相关章节知识点、再进行虚拟仿真实验模型制作和优化模型三种形式进行组织整个教学过程。同时结合工程上的实际案例解释基本知识点，让学生建立起虚拟仿真实验、课本知识点和实际工程的三点思维模式，给学生建立起灵活运用已有知识点解决实际工程问题的能力。
5.3. 《结构力学》教学内容与虚拟仿真实验融合应用
《结构力学》理论性强，结构抽象复杂，相关力学公式推导和计算较为繁琐，难以提起学生的学习兴趣和思维创新。而通过虚拟仿真实验可以和结构力学的理论教学相结合，学生可以通过虚拟仿真实验建立工程上复杂的构件模型，从而来解决结构力学上复杂的问题。此外，学生还可以参加相关结构类的全国大赛，例如结构设计比赛、周培源力学比赛等，还可以培养学生独立建立和分析抽象力学模型、结构分析、团队合作的能力[5]。
5.4. 健全课程考核评估体系
Table 1. “Structural Mechanics” course grade evaluation form
表1. 《结构力学》课程成绩评定表
序号(Numerical order) |
考核方式(Evaluation mode) |
分值(Score) |
考核/评价细则(Assessment/Evaluation ules) |
1 |
课堂表现 |
10 |
通过线上线下混合式教学中课堂答题评分，主要是选择题和主观题，将总分折合成10分，另外每无故缺勤1次扣一分，迟到3次折合无故缺勤1次。 |
2 |
预习及 课后作业 |
20 |
围绕课程目标，结合课程内容，通过线上线下混合式教学，设置预习题和课后作业题，题型包括选择题、填空题、主观题等，总分折合成20分。 |
3 |
期中考试 |
10 |
题型包括选择题、填空题、主观题等，总分折合成10分。 |
4 |
期末考试 |
60 |
题型包括选择题、填空题、主观题等，总分折合成60分。 |
Table 2. Evaluation table of application of simulation virtual experiment software
表2. 仿真虚拟实验软件应用情况评定表
序号(Numerical order) |
考核方式(Evaluation mode) |
分值(Score) |
考核/评价细则(Assessment/Evaluation rules) |
1 |
仿真虚拟
实验软件
的应用 |
60 |
通过线上课堂教学，独立使用仿真虚拟实验软件建立并分析构件模型，并在教师讲解知识点前分析出对应受力、荷载图形。 |
2 |
结构建模
实验 |
40 |
根据课程章节知识点，课后独立成功结构建模实验。 |
传统《结构力学》课程主要是针对学生们的课堂上回答问题的积极性、提前熟悉课本以及课后作业、《结构力学》期中考试、《结构力学》期末考试的成绩进行一个成绩判定。既解决了“满堂灌”的教学模式的弊端，同时也希望教学改革能惠及到每一个学生，体现出学生实践能力，所以我们对《结构力学》课程考核的方式做出了一些调整。在新的《结构力学》课程考核评估体系中，我们还引入了仿真虚拟实验软件的课堂上的教学、课后自主的应用以及结构建模实验等方面，将最终《结构力学》成绩考核权重分成了课堂内与课堂外的两个独立面，相互不受影响，见表1和表2所示。
6. 总结
《结构力学》课程对于整个土木工程学科教学来说是一个基础性学科，同时对于学生后续的相关专业课程的学习、土木工程实践和研究工作也起到一个理论基础的作用。所以在今后实际工程的更高需求下，对《结构力学》课程教学进行了创新性的教学改革是利于学生今后在土木工程环境下发展。通过上述的《结构力学》课程内容建设的改革(与融入虚拟仿真实验)，让学生可以提前了解建模过程，激起学生对课程的学习热情，逐步带入理论内容，使教学内容不再乏味，促进学生对《结构力学》理论难点的掌握，提高学生的自觉性、创新性和科研能力，为以后从事实际工程建设打下良好的基础。
基金项目
北华航天工业学院2024年本科教学研究与改革项目一般项目(JY-2024-06)。