工程实践反哺教学的结构力学闭环育人方法探索——以齐鲁黄河大桥为例

Exploration of the Closed-Loop Education Method of Structural Mechanics That Engineering Practice Feeds Back to Teaching—Taking Qilu Yellow River Bridge as an Example

摘要: 结构力学是土木工程专业十分重要的专业基础课，承载着培养所有土木类从业者力学素养的重要使命。以深化本科教育教学改革意见中提出的“实践育人，产教融合”为理念引领，依托心流理论探索了结构力学知识点归纳分块→运用理论知识解决实际工程问题→采用实际工程数据进行验证→加强理论知识点理解与运用的闭环实践育人方法，并以济南齐鲁黄河大桥主跨跨中300 m中拱段提升至合龙过程中的关键技术为例对工程实践反哺教学的育人方法进行了教学实践设计，取得良好成效。最后建议从教学团队建设、知识点重构和建立工程实践案例库三方面加大实践育人力度，助力高效推进中国教育现代化进程。

Abstract: Structural Mechanics is a vital foundational course for civil engineering majors, undertaking the significant mission of cultivating mechanical literacy among all civil engineering practitioners. Guided by the principle of “cultivating talents through practice and integrating industry with education”, which was proposed in the opinions on deepening the reform of undergraduate education and teaching, we have explored a closed-loop practical education method based on the Flow Theory. This method involves summarizing and categorizing the knowledge points of Structural Mechanics, applying theoretical knowledge to solve practical engineering problems, using actual engineering data for verification, and enhancing the understanding and application of theoretical knowledge points. Taking the key technology involved in the lifting and closure of the 300 m mid-arch segment of the main span of the Jinan Qilu Yellow River Bridge as an example, we have conducted teaching practice on the educational approach of using engineering practice to reinforce teaching, achieving remarkable results. Finally, it is recommended to intensify practical education efforts in three areas: teaching team development, knowledge point reconstruction, and the establishment of an engineering practice case database, to effectively advance the modernization of education in China.

1. 引言

教育是支撑国家发展的基石，是强化国家实力、推动国家前进不可或缺的动力源泉。为了持续提升我国的教育质量，自2019年2月起，国家层面正式颁布了《中国教育现代化2035》这一重要规划文件[1] [2]，旨在描绘教育发展的宏伟蓝图。同年9月，教育主管部门又针对本科教育教学的深化改革，出台了详尽的人才培养指导意见[3]。该指导意见从四个维度出发，精心设计了22项高等教育教学改革的新举措，这些举措全面覆盖了本科教育的各个环节，旨在构建更加科学、高效的人才培养体系。

在《中国教育现代化2035》中，国家明确提出了“实践育人、产教融合”的创新理念，强调通过引入实际工程案例和科研成果来丰富教学内容，实现理论与实践的深度融合。这一理念鼓励高等学校积极将最新的工程实践经验和最前沿的科研成果转化为生动的教学素材，以此激发学生的学习兴趣，引导他们深入阅读、勤于思考、勇于提问、积极实践。通过这样的教学方式，旨在达成学习效果和实践能力双重提升的教学目标，为国家培养更多具备创新精神和实践能力的高素质人才。

随着科技的迅猛进步和人类需求的持续攀升，工程结构复杂性以及建造技术的跨学科特性愈发显著，这对当代土木工程从业者提出了更高的要求，他们不仅需要坚实掌握数学、力学、材料学、机械学、计算机科学、经济学与管理学等多领域的理论根基，还需具备运用多学科知识解决实际问题的能力。这一趋势对学生的学习力与学习效率，以及教师的教学效率与成果均提出了更为严格的要求[4]。

在土木工程师的培养历程中，结构力学[5]占据着举足轻重的地位，它犹如一座桥梁，连接着基础力学与专业实践。结构力学的教学不仅帮助学生熟练掌握静定与超静定结构的分析方法、内力与位移计算等基本技能，还激励学生基于对结构性能的深刻理解进行优化设计，力求在安全、经济与美观之间找到完美的平衡点。此外，对于有志于成为注册土木工程师、注册建筑师等相关专业的学生而言，结构力学的学习至关重要。它不仅是通过专业资格考试的坚实基础，更为学生在职业生涯中应对复杂工程挑战、参与科研活动及工程咨询等提供了不可或缺的力学素养，是推动土木工程师全面成长的重要驱动力。

本研究拟依托心流理论[6]-[9]，以齐鲁黄河大桥[10]-[12]中跨跨中300米中拱段提升至合龙过程中的关键技术为实践案例，探索一种工程实践反哺教学的实践育人闭环方法。该方法主要包括以下三个方面：(1) 利用视频、图纸等影像资料，在课堂上生动再现实际工程的建造过程；(2) 从工程实践中提炼出待解决的工程问题与理论知识点；(3) 运用理论方法解决问题，并通过实践数据进行验证，从而实现理论与实践的深度融合。

2. 依托心流理论的实践反哺教学闭环模型

美国杰出的心理学家米哈里·契克森米哈伊在上世纪60年代率先提出了心流(Flow)理论[6] [7]，并创造性地构建了八通道模型[13] (见图1)，为心流概念赋予了直观的形态。近年来，心流理论在教育领域的应用日益广泛，引起了广泛关注。Chen [14]与Yoo [15]等学者的研究指出，在学习历程中经历过心流体验的学生，在后续的学习中往往展现出更为卓越的表现，这一发现激发了各行业学者竞相探索创造心流体验条件的热情。

研究[14] [15]揭示了两个关键因素对于心流体验的重要性：(1) 现实模拟的逼真程度与反馈的即时性成正比，两者越高，触发心流体验的可能性就越大；(2) 个体的能力与任务难度的匹配程度也至关重要，当两者相得益彰时，心流体验更易产生。然而，在实践操作中，人们发现了一种反例：当低技能与低挑战形成所谓的“平衡”时，不仅无法激发个体的心流体验，反而可能导致兴趣的丧失，引发冷漠、厌倦等负面情绪。真正的心流状态，只会在高技能与高挑战性完美融合的时刻涌现，如图1所示。

Figure 1. The eight-channel model of flow theory

图1. 心流理论八通道模型

《结构力学》作为土木工程专业不可或缺的核心课程，其知识体系既繁杂又深奥，对初学者而言构成了不小的挑战。在能力尚未充分发展的学习初期，学生往往容易陷入图1所描绘的冷漠、担忧及焦虑的情绪泥潭，这些负面情绪严重削弱了他们的学习积极性，使得心流体验(Flow)变得遥不可及，进而阻碍了学科技能的有效提升。因此，构建一个从初学者向高技能者过渡的桥梁，帮助学生克服初期的消极情绪，最终步入心流体验的殿堂，成为提升学习效果的关键所在。

实践育人教学方法，特别是以实际工程建造过程为载体的教学模式，正是连接理论与实践之间最为坚实可靠的桥梁。它不仅能够将抽象的理论知识转化为生动具体的实践案例，还能够让学生在亲身参与中逐步克服学习障碍，激发内在的学习动力，从而在不断的实践中体验到心流的愉悦与成就感，最终实现学科技能的显著提升。

本文依托心流理论，提出如图2所示的实践反哺教学模型：首先选取有代表性且足以覆盖结构力学教学大纲中所有知识点的工程实践案例，再根据工程实践案例和知识点间的层级关系将所有知识点进行归纳分块，分为i个知识点块，再分别在每个知识点块范围内结合传统知识点针对性课后练习和匹配的工程实践案例，完成各知识点块范围内的小毕环教学，直至所有知识点块闭环教学完成。

Figure 2. Closed-loop model of feeding back practice into teaching

图2. 实践反哺教学闭环模型

3. 工程实践反哺教学案例设计举例

限于篇幅，此处仅就齐鲁黄河大桥的设计和施工做简要介绍。在教学过程中，尚需结合影像资料和图纸进行详细阐述。

3.1. 工程概况与反哺知识点

位于济南市境内的齐鲁黄河大桥主桥为三跨下承式网状吊杆系杆拱桥，跨径布置为280 m + 420 m + 280 m [5]，为墩梁分离梁拱组合体系(见图3)。三跨拱肋拱轴线形状在竖平面内均为二次抛物线，矢跨比为1/6，横桥向采用拱肋内倾的提篮拱形式，420 m跨拱肋内倾3.0˚，280 m跨拱肋内倾5.3˚，各跨两拱肋间均通过一字横撑相连(见图4)。网状吊杆与水平线夹角均为60˚，相邻两吊杆水平间距9 m。

反哺知识点举例：① 拱桥类型、拱的结构特点、受力特点以及关键设计参数；② 合理拱轴线的概念；③ 可采用连接左右拱脚的系杆平衡拱在竖向荷载作用下在拱脚处产生的水平推力。

3.2. 施工过程反哺知识点与问题的提出

鉴于桥位处通航条件的制约，齐鲁黄河大桥采用了创新的“先梁后拱”施工策略。具体而言，首先利用顶推技术将加劲梁精确安装到位，随后以此为稳固平台，着手进行拱肋的施工作业。紧接着，依次完成吊杆的张拉作业、桥面板的现场浇筑，并通过精细调整吊杆内力，确保桥梁最终达到设计的理想状态。

关于拱肋的施工细节，如图3所示，针对南北两岸各280米跨度的拱肋，采用了稳定性强的满堂支架法进行施工。而对于更为宏大的420米跨度拱肋，鉴于满堂支架的稳定性挑战及高处风荷载的显著影响，我们创新性地采用了“三段法”施工策略。即，在拱肋的两端，各60米的“边拱段”依旧采用满堂支架法施工，而中间的300米“中拱段”则采取了先在低位进行拼装，随后通过竖向提升技术，精准对接至两侧边拱段，实现完美合龙。这一策略不仅确保了施工的安全高效，也彰显了工程技术的精湛与创新。

Figure 3. Rendering of the Qilu yellow river bridge

图3. 齐鲁黄河桥效果图

Figure 4. Simulation of the construction process

图4. 施工过程模拟

中拱段提升施工是齐鲁黄河大桥施工过程中的重要施工环节。如图4所示，通过设置在中拱段两端的提升门架上的竖向提升系统，将中拱段从拼装胎架上竖向提高24 m升至设计高度合龙。为保持提升过程中拱圈形状不变，需在中拱段两端张拉水平拉索。另齐鲁桥未设合龙段，需通过控制合龙温度和水平拉索拉力完成合龙配切。

反哺知识点举例：① 静定和超静定结构的概念、特点，以及各自的求解方法的异同；② 静定结构和超静定结构在温度作用下响应差异及造成差异的原因。

提出问题：中拱肋整体提升和合龙过程中的竖向提升力和水平拉索拉力如何确定？

3.3. 解决问题

在运用结构力学分析结构时，首要且关键的任务是确定结构的计算简图。为此，特作出以下合理假设以简化分析：

(1) 结构在横桥向具有对称性，因此忽略风荷载影响，将空间结构简化为竖平面内的平面结构。

Figure 5. Lifting process of the middle arch section

图5. 中拱段提升过程

(2) 尽管提篮拱肋截面存在不均匀性，但由此产生的自重沿跨分布的微小差异在此分析中予以忽略。

(3) 假定材料质地均匀，应力水平处于线弹性范围内，满足小变形假设，使得线弹性叠加原理得以适用。

(4) 由于拱肋的曲率半径远大于截面尺寸，曲率对位移的影响在此被忽略。

基于这些假设，提升过程中的中拱段可视为在沿跨均匀分布的自重荷载和温度变化共同作用下，具有等截面曲杆特性的两铰拱。其计算简图如图5所示，拱轴线呈现为二次抛物线形态，具体方程为：y = −0.001599488x₂ + 69.5 (m)。

在中拱段提升时，所需的单侧竖向提升力与图6(a)中所示的竖向支座反力相等，而保持拱肋形状的水平拉索总索力则与图中的水平支座反力相等。由于结构的对称性，竖向支座反力处于静定状态，可通过平衡条件直接求解。在水平方向上，则表现为一次超静定状态，需采用力法进行求解。选取图6(b)所示的结构作为力法的基本体系，根据B点的水平位移协调条件，结合线弹性叠加原理，得出了力法方程，并进行了详细的求解。

${\delta }_{11}{X}_1+{\Delta }_{1P}+{\Delta }_{1t}={\Delta }_{Bx}$ (1)

${\delta }_{11}={\displaystyle \sum {\displaystyle \int \frac{{\overline{M}}_1^2}{EI}\text{d}s}}+{\displaystyle \sum {\displaystyle \int \frac{{\overline{F}}_{N1}^2}{EA}\text{d}s}}$ (2)

${\Delta }_{1P}={\displaystyle \sum {\displaystyle \int \frac{{\overline{M}}_1{M}_P}{EI}\text{d}s}}+{\displaystyle \sum {\displaystyle \int \frac{{\overline{F}}_{N1}{F}_{NP}}{EA}\text{d}s}}$ (3)

${\Delta }_{1t}={\displaystyle \sum \alpha t_0{\displaystyle \int {\overline{F}}_{N1}\text{d}s}}+{\displaystyle \sum \frac{\alpha \Delta t}{h}{\displaystyle \int {\overline{M}}_1\text{d}s}}$ (4)

$X_1=\frac{{\Delta }_{Bx}-{\Delta }_{1P}-{\Delta }_{1t}}{{\delta }_{11}}$ (5)

其中：${\delta }_{11}$ 、${\Delta }_{1P}$ 和${\Delta }_{1t}$ 分别为基本结构单独在多余未知力${\overline{X}}_1=1$ 、自重均布荷载q和温度变化作用下，B点沿水平方向的位移；${\Delta }_{Bx}$ 为提升直至合龙过程中，中拱段水平投影长度较提升前位于低位胎架上时变化量；$X_1$ 即为提升或合龙过程中的水平拉索总索力；${\overline{M}}_1$ 和${\overline{F}}_{N1}$ 分别为基本结构仅在${\overline{X}}_1=1$ 作用下的弯矩和轴力；$M_P$ 和$F_{NP}$ 分别为基本结构仅在自重均布荷载作用下的弯矩和轴力；$\alpha$ 为拱肋材料哦线膨胀系数；t₀和∆t分别为拱肋截面形心处温度变化量以及拱肋上下侧温度变化之差；h为拱肋截面高度；EI、EA分别为拱肋截面的抗弯刚度和拉压刚度。

中拱段与两侧边拱段之间不设置专门的合龙段，而是采用“几何控制 + 温度调节”的合龙方法。

Figure 6. Solution process

图6. 求解过程

具体而言，中拱段在持续提升至合龙口下方后悬停，此时通过精确选择合龙温度并微调水平拉索的拉力，以调整拱肋的线形和水平投影长度，从而创造出适宜的合龙空间，随后进行焊接合龙。根据不同的设定条件，利用公式(1)至(5)可以计算出相应工况下的水平拉索拉力。经过实际验证，采用这些公式所得的理论计算结果与施工实践中的数据相比，误差控制在5%以内，这主要归因于计算简图与实际工程结构之间存在的微小差异。

4. 成效与推广

4.1. 知识点覆盖率

综合分析我校和国内其他高校的土木工程专业《结构力学(上册)》课程教学大纲，将其涵盖知识点汇总于表1。表中列出了齐鲁黄河大桥建造过程介绍和中拱段提升直至合龙过程中竖向提升拉索和水平拉索索力分析过程对课程知识点的覆盖情况。

从下表可知，仅解决某一个环节的工程实践问题，便可以运用到《结构力学(上册)》这门课一个学期64学时所能完成的教学内容中三分之二章节中的大部分知识点，并将知识点串联成知识线，进而提升为知识面。在解决问题过程中，随着解决问题的能力提升，又将会针对实际工程提出更多启发性问题，从而进一步增加知识点覆盖率，扩大知识面，教学效率大幅提高。

Table 1. Coverage of knowledge points

表1. 知识点覆盖情况

章节	知识点	覆盖率/(%))
1	结构与荷载分类、计算简图	60%
2	平面体系几何组成分析与静定性	30%
3	静定梁与静定刚架内力计算	50%
4	拱的反力、内力和合理拱轴线	80%
5	平面桁架与组合结构内力	—
6	荷载、温度、支座移动等因素作用下位移计算	80%
7	力法求解超静定结构内力和位移	80%
8	位移法求解超静定结构内力	—
9	渐近法求解超静定结构内力	—

4.2. 学情反馈

基于心流理论的实践育人方式给学生创造了高效学习途径，让学生体会到学以致用的成就感，有力地激发学习乐趣和积极性，从而进入学习–运用–再学习–再运用的良性循环，图7为“结构力学(上册)”2023年上半年首次采用实践育人授课方式的学生课堂出勤分布与往届情况对比。由图可知，融合解决工程实际问题和理论学习的实践育人方式，略微降低了出勤率处于0%~30%的学生人数，对出勤率处于61%~90%的学生人数影响不大，但显著降低了出勤率处于31%~60%的学生人数，大幅提高了出勤率处于91%~100%的学生人数。在整体出勤率显著提升的同时，课堂氛围活跃度也大大提升，同学们对实际工程的建造过程中的充满好奇，在不断的提问、讨论、解答的过程中解锁新知，提高了运用结构力学的解决问题能力。

Figure 7. Comparison of class attendance distribution

图7. 课堂出勤分布对比

4.3. 推广建议

前文所述案例仅以齐鲁黄河大桥建造过程中的一部分实际问题为实践教学的素材，就已覆盖“结构力学(上册)”相关内容的大部分知识点，大幅提高了学生的学习积极性，正向促进了学习效果。高校承担着教学、科研和参与工程实践的多重工作，是实践育人、产教融合的最佳平台，是学生初次接触工程界的途径，也是培养工程界所需人才的摇篮，更是联系学生与工程界的纽带，实践育人是提高纽带强度和韧性的有效手段。

建议在结构力学的教学中，加强宣贯实践育人理念，重视产教融合的教学团队建设。对课程知识点进行再归纳和再整理形成知识点块，调整纯理论讲授和实践教学的课时分配，将以往以知识点讲授为主线的教学模式转换为以解决工程实践问题为主线辅以理论求解工具的教学模式。发动所有任课教师，将自身参与的工程实践以及国家级、省部级等纵横向科研项目的研究成果进行梳理，建立以“结构力学”知识体系为核心的工程案例库，力争100%覆盖乃至多重100%覆盖课程全部知识点。同时注重学情反馈，多与学生座谈交流，了解他们学习中的痛点，有针对性地调整教学过程中的侧重点，实现教学相长。

5. 结语

在中国教育现代化浪潮的强劲推动下，深化本科教育教学改革已成为时代赋予的必然选择。依据心流理论的核心观点，并紧密结合人类认知的自然规律，以齐鲁黄河大桥中跨中拱段的提升直至合龙这一标志性工程为例，创新性地探索了将真实工程案例融入结构力学课堂教学的实践育人闭环模式，并对其成效进行了深入剖析。以下是此次探索的主要发现：

(1) 借助实际工程案例这一生动背景，利用高清影像、精确图纸及详尽计算书等第一手资料，为学生精心打造了一个高度逼真的工程建造场景再现。在此过程中，精心筛选出与结构力学知识点紧密相关的实际问题，引导学生在课堂学习中直面并解决这些真实世界的挑战，同时运用实际工程数据加以验证。这一教学模式极大地激发了学生的学习热情，使他们更容易沉浸于学习之中，享受心流状态带来的愉悦与成就感，进而在后续的学习旅程中持续受益，收获了极为积极的学习反馈。

(2) 为广泛推广实践育人、产教深度融合的教育理念，提出了加强教学团队建设、知识点体系化重构以及鼓励教师将个人参与的工程实践与科研成果系统梳理并构建成案例库的策略。这一举措旨在确保课程知识点的全面覆盖，实现案例与知识点的无缝对接，从而拓宽实践育人的辐射范围，显著提升教学效果，为我国教育现代化的加速推进贡献力量。

基金项目

国家自然科学基金(51308466)；西南交通大学本科教育教学研究与改革项目：探索个性化能力达成路径，打造全时域育人生态，实现土木工程教育智慧化转型之基于“能力图谱”的数字化课程资源规划与建设(JG2024002-06)；西南交通大学研究课程教材项目《典型土木工程静力学行为有限元分析方法》(SWJTU-JC2024-012)。

NOTES

^*第一作者。